DE102010049341A1

DE102010049341A1 - Zirkulationspumpensteuersystem zur Verwendung in einer Warmwasserverteilungsanlage

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Publication number: DE102010049341A1
Application number: DE102010049341A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2012-04-19

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Zirkulationspumpensteuersystem und ein Verfahren zur energetisch optimierten Ansteuerung einer Zirkulationspumpe 4 in einer Warmwasserverteilungsanlage, mit einer zwei Temperatursensoren 11 aufweisende Steuer- und Messeinrichtung 10 und mehreren Zeitsteuerungsmittel, wobei die Zirkulationspumpe 4 zunächst für einen definierten Zeitraum eingeschaltet wird, danach durch den ersten Temperatursensor 11, der an der Druckleitung 8 und in der Nähe der Wasseraustrittstelle des Warmwasserspeichers 1 montiert ist, die Temperatur des Wassers in der Druckleitung 8 ermittelt wird, aus der die Referenztemperatur dynamisch berechnet wird, bei deren Erreichen am Ende der Ringleitung 9 in der Nähe der Zirkulationspumpe 4 diese abgeschaltet wird, danach die Zirkulationspumpe 4 für einen einstellbaren Zeitraum abgeschaltet bleibt bevor die Zirkulationspumpe 4 erneut eingeschaltet wird. Dieses Regelsystem wird nur dann aktiviert, wenn durch die Eingangslogik des Zirkulationspumpensteuersystem 10, welche mindestens einen Eingangsfilter 12 und/oder 14 aufweist, der Niederspannungen in digitale Signale transformiert, die grundsätzliche Freigabe des Regelsystems erfolgt. Die Zirkulationspumpe 4 wird durch das Steuergerät sofort abgeschaltet, wenn die Temperaturmessung durch den Temperatursensor 11 an der Druckleitung 8 und in der Nähe der Austrittstelle des Warmwasserspeichers 1 eine Mindertemperatur von 40°C oder weniger ergibt. Außerdem führt das Zirkulationspumpensteuersystem 10 bei längeren Abschaltperioden der Zirkulationspumpe 4 Desinfektionszyklen zwecks Verminderung des Legionellenwachstums im Warmwasserverteilungssystem durch.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem zur energetisch optimierten Ansteuerung einer Zirkulationspumpe, das in einer Warmwasserverteilungsanlage zur Reduzierung der Einschaltzeiten der Zirkulationspumpe verwendet wird.
Zur sofortigen Bereitstellung von warmem Brauchwasser an allen Entnahmestellen einer Warmwasserverteilungsanlage mit zentraler Warmwassererzeugung werden Ringleitungen in Verbindung mit Zirkulationspumpen eingesetzt, wobei das warme Brauchwasser, welches in der Regel in einem Warmwasserspeicher vorgehalten wird, über das Leitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage permanent umgewälzt wird. Dieses Vorgehen ist dadurch begründet, dass sich das in den Leitungen befindliche warme Brauchwasser ohne permanentes Umwälzen abkühlt, und einem Verbraucher, der eine beliebige Zapfstelle betätigt, um warmes Brauchwasser zu entnehmen, zunächst nur das abgekühlte Wasser zur Verfügung steht. Dies gilt insbesondere für Warmwasserverteilungsanlagen mit einem weit verzweigten Leitungsnetz, bei denen die Strecke zwischen Warmwasserspeicher und Entnahmestelle bauartbedingt sehr groß ist.
Diese Problematik des sich abkühlenden warmen Brauchwassers in Warmwasserverteilungsanlagen stellt nicht nur einen Komfortnachteil, sondern auch einen erheblichen Kostenfaktor dar, der sich daraus ergibt, dass das abgekühlte Brauchwasser ungenutzt in den Abfluss läuft bis warmes Brauchwasser durch die Rohrstrecke von dem Warmwasserspeicher bis zur Entnahmestelle hindurchgeflossen ist. Um den Komfortnachteil zu kompensieren und den Brauchwasserverlust zu minimieren, werden Warmwasserverteilungsanlagen mit Ringleitungen und Zirkulationspumpen ausgestattet, durch die das warme Brauchwasser permanent zirkuliert. Dadurch, dass das warme Brauchwasser sehr kurzfristig nach dem Öffnen der Zapfstelle zur Verfügung steht und nur noch sehr wenig abgekühltes Wasser ungenutzt in den Abfluss läuft, nämlich das in den Stichleitungen befindliche Wasser, welches technisch bedingt von einer Umwälzung nicht erfasst werden kann, wird der Wasserverbrauch deutlich reduziert.
Grundsätzlich kann ein Abkühlen des warmen Brauchwassers während der Zirkulation durch das Leitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage nicht verhindert werden. Selbst in sehr gut isolierten Warmwasserverteilungsanlagen kühlt das warme Brauchwasser während der Zirkulation durch das Leitungssystem um einige Temperaturgrade ab. Da das abgekühlte Brauchwasser über die Ringleitung wieder dem Warmwasserspeicher zugeführt wird, kühlt bei permanentem Umwälzen das warme Brauchwasser innerhalb des Warmwasserspeichers ebenfalls ab und muss durch die Warmwassererzeugungsanlage wieder aufgeheizt werden. Die Höhe der dadurch entstehenden zusätzlichen Heizkosten hängt in erster Linie von der Isolierung des Warmwasserverteilungssystems ab.
Man begegnet diesen Nachteilen durch die Verwendung von Zirkulationspumpen mit integrierter Gravitationssperre, die im abgeschalteten Zustand die Schwerkraftzirkulation des warmen Brauchwassers durch das Leitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage verhindern. Diese Zirkulationspumpen werden – gesteuert durch ein Zeitsteuerungsmittel, welches vielfach Bestandteil der Steuerung des Heizsystems ist – nur zu bestimmten Tageszeiten eingeschaltet, nämlich dann, wenn ein Bedarf an warmem Brauchwasser erwartet wird. Diese Vorgehensweise stellt eine Reduktion des ursprünglich beabsichtigten Komfortgewinns dar. Außerdem kühlt das im Leitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage zirkulierende warme Brauchwasser während der Einschaltzeiten der Zirkulationspumpe weiterhin ab und führt während der Einschaltzeiten der Zirkulationspumpe zu einem erhöhten Energiebedarf des Heizsystems.
Eine weiteres Mittel, mit dem man versucht, die Kosten, die sich durch das permanente Umwälzen des warmen Brauchwassers in einer Warmwasserverteilungsanlage ergeben, zu reduzieren, ist die Verwendung eines Thermostats, der am Ende der Ringleitung in der Nähe der Zirkulationspumpe installiert ist und die Zirkulationspumpe abschaltet, sobald das warme Brauchwasser einen statisch einstellbaren Temperaturwert am Ende der Ringleitung erreicht hat. Dieses Verfahren hat einerseits den Nachteil, dass diese Thermostate nicht über eine einstellbare Hysterese verfügen, so dass die Abschaltzeiten der angeschlossenen Zirkulationspumpe recht kurz sind, was im Allgemeinen nicht zu einer spürbaren Kostenreduktion führt. Andererseits können diese Thermostate keine Mindertemperatur verifizieren, die bspw. durch einen Defekt im Heizsystem der Warmwassererzeugungsanlage begründet ist. In diesen Fällen wird die Zirkulationspumpe nie abgeschaltet, da die Abschalttemperatur am Thermostat nicht erreicht wird. In der Folge kühlt das warme Brauchwasser im Warmwasserspeicher durch das permanente Umwälzen weiter ab, was zu einem noch höheren Energiebedarf der Warmwassererzeugungsanlage führt.
Ein weiteres Mittel, mit dem man versucht, die Kosten, die sich durch das permanente Umwälzen des warmen Brauchwassers in einer Warmwasserverteilungsanlage ergeben, zu reduzieren, ist die Implementierung von elektrischen Tastern oder Schaltern, die in der Nähe der Zapfstellen verbaut werden und ein zentrales Zeitsteuerungsmittel aktivieren, durch welches die Zirkulationspumpe für einen vordefinierten Zeitraum eingeschaltet wird und somit nur im Bedarfsfall warmes Brauchwasser zu den Zapfstellen transportiert. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist der erhebliche Komfortverlust, welcher dadurch bedingt ist, dass vor jedem Entnahmevorgang der Taster oder Schalter betätigt werden muss und danach eine gewisse Zeit abgewartet werden muss bis das warme Brauchwasser durch das Leitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage zirkuliert ist und an den Zapfstellen zur Verfügung steht.
Aus der DE 10 2004 019 533 A1 ist eine beschriebene Steuereinrichtung zum Ein- und Ausschalten einer Zirkulationspumpe in einer Warmwasserverteilungsanlage bekannt, bei der ein in oder an der Wasserleitung angeordneter Sensor eine Bewegung des Wassers im Leitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage feststellt und sodann einen Einschaltimpuls an die Zirkulationspumpe erzeugt. Gleichzeitig mit dem Einschalten der Zirkulationspumpe wird ein Zeitsteuerungsmittel aktiviert, das den Abschaltimpuls für die Zirkulationspumpe nach Ablauf einer dynamisch ermittelten Zeitspanne erzeugt. Diese bekannte Steuereinrichtung verhindert nicht in allen Fällen, dass das Brauchwasser im Leitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage zum Zeitpunkt der Wasserentnahme, der durch das Öffnen der Zapfstelle signalisiert wird, abgekühlt ist, und verhindert gerade nicht, dass an der Zapfstelle zunächst kein warmes Brauchwasser zur Verfügung steht. In diesen Fällen unterstützt das Einschalten der Zirkulationspumpe lediglich den Vorgang der Zirkulation, so dass nicht das gesamte abgekühlte Brauchwasser in den Abfluss fließt bis warmes Brauchwasser durch das Leitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage vom Warmwasserspeicher bis zur Zapfstelle geflossen ist, sondern ein Teil durch die Ringleitung dem Warmwasserspeicher zugeführt wird. Außerdem bedingt dieses Verfahren die Öffnung der Warmwasserverteilungsanlage zwecks Einbau des Drucksensors und ist daher für Laien nicht zwingend geeignet.
Aus der DE 196 00 455 A1 ist eine beschriebene Steuereinrichtung zum Ein- und Ausschalten einer Zirkulationspumpe in einer Warmwasserverteilungsanlage bekannt, bei der ein in oder an der Warmwasserleitung angeordneter Sensor die Bewegung des Wassers in der Zirkulationsleitung feststellt und sodann einen Einschaltimpuls für die Zirkulationspumpe erzeugt. Gleichzeitig mit dem Einschalten der Zirkulationspumpe wird ein Zeitschalter aktiviert, der nach einer bestimmten einstellbaren Zeit einen Impuls an eine Ausschaltelektronik abgibt, die den Pumpenbetrieb durch Abschalten der Zirkulationspumpe unterbricht. Der Ruhezustand der Zirkulationspumpe dauert in der Regel solange, bis wieder eine Zapfstelle geöffnet wird, was dann wiederum durch den Sensor erkannt wird. Zusätzlich ist bei der bekannten Steuereinrichtung ein Temperatursensor an der Warmwasserleitung angeordnet, der ein erneutes Einschalten der Zirkulationspumpe verhindert, wenn das in der Zirkulationsleitung befindliche Wasser noch eine vorgegebene Mindesttemperatur aufweist. Diese Steuereinrichtung sorgt somit dafür, dass die Zirkulationspumpe nur dann eingeschaltet wird, wenn tatsächlich warmes Brauchwasser benötigt wird. Bei der bekannten Steuereinrichtung sind die Einschaltelektronik, die Ausschaltelektronik und der Zeitschalter im Deckel des Schaltkastens der Zirkulationspumpe untergebracht, wodurch zwar nur sehr kurze Leitungen erforderlich sind, wodurch jedoch gleichzeitig ein Nachrüsten einer Steuereinrichtung in eine bestehende Warmwasserverteilungsanlage erschwert wird. Außerdem ist die Montage der Einschaltelektronik und des Zeitschalters im Deckel des Schaltkastens der Zirkulationspumpe nur von einem Elektroniker zu berwerkstelligen. Darüber hinaus ist neben dem eigentlichen Meßgerät, das eine Wasserentnahme innerhalb der Warmwasserverteilungsanlage detektiert, ein weiteres Meßgerät in Form eines Temperatursensors erforderlich, damit ein überflüssiges Einschalten der Zirkulationspumpe verhindert werden kann. Auch diese bekannte Steuereinrichtung verhindert nicht in allen Fällen, dass das Brauchwasser im Leitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage zum Zeitpunkt der Wasserentnahme, der durch das Öffnen der Zapfstelle signalisiert wird, abgekühlt ist, und verhindert gerade nicht, dass an der Zapfstelle zunächst kein warmes Brauchwasser zur Verfügung steht. In diesen Fällen unterstützt das Einschalten der Zirkulationspumpe lediglich den Vorgang der Zirkulation, so dass nicht das gesamte abgekühlte Brauchwasser in den Abfluss fließt bis warmes Brauchwasser durch das Leitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage vom Warmwasserspeicher bis zur Zapfstelle geflossen ist, sondern ein Teil durch die Ringleitung dem Warmwasserspeicher zugeführt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Steuersystem für eine Zirkulationspumpe in einer Warmwasserverteilungsanlage sowie ein Verfahren bereitzustellen, mittels deren die energetisch optimierten Ansteuerung der Zirkulationspumpe gewährleistet werden kann.
Dies wird in einem Zirkulationspumpensteuersystem für eine Warmwasserverteilungsanlage gemäß Patentanspruch 1 bzw. einem Verfahren zur energetisch optimierten Ansteuerung einer Zirkulationspumpe gemäß Patentanspruch 7 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils anhängigen Ansprüchen definiert.
Eine energetisch optimierte Ansteuerung einer Zirkulationspumpe in einer Warmwasserverteilungsanlage wird durch die Implementierung eines dreistufigen Regelalgorithmus erreicht. Beim Start des Regelalgorithmus wird die Zirkulationspumpe für eine fest vorgegebene, kurze Zeitspanne eingeschaltet. Dieses kurze Einschalten der Zirkulationspumpe dient der Sicherstellung, dass das warme Brauchwasser aus dem Warmwasserspeicher bis zu dem Rohrabschnitt des Leitungsnetzes gepumpt worden ist, an dem der erste Temperatursensor montiert ist, so dass Fehlmessungen am ersten Temperatursensor ausgeschlossen werden. Im Anschluß an diese Phase erfolgt eine Temperaturmessung am ersten Temperatursensor, wobei die Temperaturermittlung alternativ durch Mittelwertbildung mehrerer Messungen erfolgen kann. Aus diesem Messergebnis wird unter Berücksichtigung der parametrisierbaren prozentualen Abweichung der Referenzwert berechnet, bei dessen Erreichen am Ende der Ringleitung die Zirkulationspumpe abgeschaltet wird. Dieser Überwachungsvorgang in dieser zweiten Phase wird durch zyklische Messvorgänge am zweiten Temperatursensor, der am Ende der Ringleitung in der Nähe der Zirkulationspumpe montiert ist, im Sinne eines zyklischen Soll-/Ist-Abgleichs realisiert. Nach dem Abschalten der Zirkulationspumpe bleibt diese in der dritten Phase für eine parametrisiertbare Sperrzeit T_Sp abgeschaltet. Danach beginnt der Regelalgorithmus von vorn. Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung werden sowohl die Sperrzeit T_Sp als auch die prozentuale Abweichung über digitale Eingabeschnittstellen eingestellt. Die Zeitspanne in der zweiten Phase des Regelalgorithmus, für welche die Zirkulationspumpe eingeschaltet bleibt bis am Ende der Ringleitung die zuvor dynamisch berechnete Referenztemperatur erreicht ist, richtet sich in erster Linie nach dem Grad der Isolierung des Rohrleitungssystems der Warmwasserverteilungsanlage. Außerdem hängt diese Zeitspanne davon ab, ob während der Sperrzeit T_Sp eine Zapfstelle geöffnet wird oder nicht. Wird bspw. die letzte Zapfstelle betätigt, so ist das Rohrleitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage bis zu dieser Stelle mit warmem Brauchwasser gefüllt, wodurch sich der anschließende Zirkulationszyklus deutlich verkürzt, da im Extremfall nur noch das abgekühlte Brauchwasser aus der Ringleitung in den Warmwasserspeicher gepumpt werden muss. Um eine weitere Optimierung der Einschaltzeiten der Zirkulationspumpe zu erreichen wird die Zirkulationspumpe während eines jeden Regelalgorithmus sofort abgeschaltet, wenn die Temperaturmessung am Ende der ersten Phase, welche zur Berechnung des Referenzwertes herangezogen wird, bei dessen Erreichen am Ende der Ringleitung die Zirkulationspumpe abgeschaltet wird, eine Mindertemperatur von 40°C oder weniger ergibt. In diesem Fall aktiviert das Zirkulationspumpensteuersystem unmittelbar nach dem Abschalten der Zirkulationspumpe die Sperrzeit T_Sp. Durch die vermeidung weiterer Umwälzungen wird verhindern, dass der Energiebedarf des Warmwassererzeugungssystem resp. des angeschlossenen Heizsystem im Falle einer Mindertemperaturdetektion unnötigerweise erhöht wird.
Gemäß einer weiteren optimierten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Steuersystems wird die Zirkulationspumpe zum Zwecke der Durchführung von Desinfektionszyklen zur Verminderung des Legionellenwachstums zyklisch eingeschaltet nachdem für eine vordefinierte Zeitspanne der oben beschriebene Regelalgorithmus ausgesetzt war. Im Rahmen dieser Desinfektionszyklen wird die Zirkulationspumpe für einen vordefinierten Zeitraum eingeschaltet, ohne dass die Temperatur des warmen Brauchwassers am Ende der Ringleitung in der Nähe der Zirkulationspumpe zyklisch überwacht wird. Allerdings wird die Temperatur des warmen Brauchwassers am ersten Temperatursensor in der Nähe des Warmwasserspeichers zyklisch überwacht, um die Wassertemperatur auf Mindertemperatur hin zu prüfen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuereinrichtung eine Netzteileinheit zur Versorgung der Zirkulationspumpe, der Meßeinrichtungen und des Microcontrollers/Microprozessors mit elektrischer Energie auf, wobei die Netzteileinheit ein Gehäuse, einen Netzanschlußstecker, mind. eine Netztsteckdose und/oder mind. einen Steckeranschluß und ein Schalterelement aufweist. Durch die Verwendung einer derartigen Netzteileinheit kann die Montage der erfindungsmäßigen Steuereinrichtung auch bei einer bestehenden Warmwasserverteilungsanlage besonders einfach durchgeführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung ist die Versorgungspannung des elektronischen Meßgerätes eine Kleinspannung. Hierzu weist die Netzteileinheit einen Trafo und ein Relais, insbesondere ein Gleichspannungsrelais, sowie mindestens eine Transformationseinheit zur Auswertung mindestens eines Steuersignals zur Ableitung der Eingangslogik auf. Alternativ wird die Versorgungsspannung des Meßgerätes und der sonstigen Elektronik durch ein trafoloses Netzteil bereitgestellt. Ein derartiges elektronisches Meßgerät wird dann vorteilhafterweise über ein Standardkabel an einem entsprechenden Steckeranschluß in der Netzteileinheit angeschlossen. Durch die Verwendung eines elektronischen Meß- und Steuergerätes für Kleinspannungen muss das Gerät nur eine niedrige Schutzklasse aufweisen, da die Anforderungen an die einzuhaltenden Kriechstrecken und die Isolation des Gerätes gering sind. Daher ist die Installation eines solchen Meß- und Steuergerätes auch von einem Laien durchführbar, d. h. die Montage der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung kann von dem Hausbewohner selbst durchgeführt werden.
Alternativ zu dem Vorgenannten kann die Netzteileinheit auch zusammen mit dem Meßgerät in einem Gehäuse verbaut werden, was erhöhte Ansprüche an die Schutzklasse der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung nach sich zieht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung werden die gemessenen Temperaturwerte auf einer digitalen oder analogen Anzeige visualisiert. Auch die Schaltzustände der Eingangskanäle bzw. des Schaltausgangs können in die Anzeige mit einbezogen werden.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand einer Ausführungsform beschrieben.
1 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels des Zirkulationspumpensteuersystems in einer Warmwasserverteilungsanlage,
2 eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels des Zirkulationspumpensteuersystems in einer Warmwasserverteilungsanlage,
3 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne Entnahme von warmem Brauchwasser,
4 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Entnahme von warmem Brauchwasser,
5 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Detektion einer Mindertemperatur,
6 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens – hier des Desinfektionszyklus zur Verminderung des Legionellenwachstums.
Die 1 und 2 zeigen schematisch jeweils eine Warmwasserverteilungsanlage, die einen Warmwasserspeicher 1, eine optionale Mischvorrichtung 2 (nur dargestellt in 1), einen Kaltwasserzulauf 5, eine Druckleitung 8 mit angeschlossenen Zapfstellen 3 sowie eine Ringleitung 9 mit Zirkulationspumpe 4, die in einer modernen Warmwasserverteilungsanlage in der Nähe des Warmwasserspeichers montiert ist, und einen Vorlauf 6 sowie einen Rücklauf 7 des Heizkreislaufes (hier nicht dargestellt) aufweist. Selbstverständlich sind bei einer Warmwasserverteilungsanlage eines Hauses in der Regel mehr als nur zwei Zapfstellen 3 vorhanden, was hier jedoch zur Vereinfachung nicht dargestellt ist.
Die Ringleitung 9 bildet zusammen mit der Druckleitung 8 den Warmwasserkreislauf und sorgt zusammen mit der Zirkulationspumpe 4 dafür, dass in dem Zeitraum, in dem die Zirkulationspumpe 4 gemäß des oben beschriebenen Regelsystems zyklisch eingeschaltet wird, permanent an den Stichleitungen, welche die Zapfstellen 3 mit der Druckleitung 8 verbinden, warmes Brauchwasser zur Verfügung steht.
Bei herkömmlichen Warmwasserverteilungsanlagen ist die Zirkulationspumpe 4 in der Regel mit einer Zeitschaltuhr 12 verbunden, durch deren Einstellung die Zeitintervalle vorgegeben sind, in denen die Zirkulationspumpe 4 eingeschaltet ist. In vielen Fällen ist die Zirkulationspumpe 4 lediglich während der Nachtstunden zwischen 22:00 Uhr und 6:00 Uhr abgeschaltet, um dadurch Strom- und Heizkosten zu sparen, ohne jedoch tagsüber einen Komfortverlust hinnehmen zu müssen.
Bei dem in 1 dargestellten Zirkulationspumpensteuersystems 10 wird zunächst das Freigabesignal des Zeitsteuerungsmittel 12, welches zuvor einzig die Ansteuerung der Zirkulationspumpe 4 bestimmt hat, über einen Eingangsfilter dem Zirkulationspumpensteuersystems 10 zugeführt. Die beiden Temperatursensoren 11, von denen der eine an der Druckleitung 8 in unmittelbarer Nähe zu der Anschlussstelle zwischen Warmwasserspeicher 1 und der Druckleitung 8 bzw. hinter einem evtl. vorhandenen Mischer 2 montiert ist und der zweite an der Ringleitung 9 in unmittelbarer Nähe zur Zirkulationspumpe 4 montiert ist, sind über Messverstärkerschaltungen an das Zirkulationspumpensteuersystem 10 angeschlossen.
Die Zirkulationspumpe 4 ist an dem Schaltausgang des Zirkulationspumpensteuersystems 10 angeschlossen. Das Netzteil des Zirkulationspumpensteuersystems 10 (in diesem Ausführungsbeispiel zusammen mit der elektronischen Meßeinheit und den übrigen Steuerungskomponenten in einem Gehäuse untergebracht) ist durch ein Kabel, welches wahlweise mit einem Stecker versehen sein kann, an die Niederstromversorgung des Hauses 13 angeschlossen. 2 zeigt eine mögliche Implementation des Zirkulationspumpensteuersystems 10 in eine Warmwasserverteilungsanlage, wobei zur Freischaltung des Regelsystems ein zweiter Eingangskanal – hier dargestellt durch die Schaltvorrichtung 14 – hinzugezogen wird. In diesem Fall kann die Eingangslogik derart parametrisiert werden, dass das Regelsystem nur dann aktiviert ist, wenn beide Eingangskanäle die Freigabe signalisieren. In der Regel ist die Zeitsteuerungseinrichtung 12 in der Steuerungseinheit der Warmwassererzeugungsanlage (für gewöhnlich der Heizung) integriert. Die Schaltungseinheit 14 kann bspw. an eine Alarmanlage angeschlossen sein, sodass bei Abwesenheit aller Bewohner eine Zirkulation des warmen Brauchwassers innerhalb der Warmwasserverteilungsanlage unterbunden wird. Somit können Schaltsignale unterschiedlicher Steuerungsanlagen zur effizienten Steuerung der Warmwasserverteilungsanlage herangezogen werden, was die Flexibilität des Zirkulationspumpensteuersystems weiter erhöht.
Anhand der 3 bis 6 soll nachfolgend die Funktionsweise des Zirkulationspumpensteuersystems bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens im einzelnen noch einmal erläutert werden.
In 3 sind zwei theoretisch mögliche Zyklen des Regelsystems dargestellt. Die angenommenen Rahmenbedingungen sind eine Temperatur des warmen Brauchwassers im Warmwasserspeicher von 60°C und eine vorgegebene prozentuale Abweichung von 10% sowie eine definierte Sperrzeit, deren exaktes Maß für die in 3 dargestellten Diagramme unerheblich ist. In Diagramm a) ist der angenommene Temperaturverlauf am ersten Temperatursensor, welcher an der Druckleitung in unmittelbarer Nähe zu der Anschlußstelle zwischen Warmwasserspeicher und Druckleitung montiert ist, dargestellt. In Diagramm b) ist der angenommene Temperaturverlauf am zweiten Temperatursensor, welcher an der Ringleitung in unmittelbarer Nähe zu der Zirkulationspumpe montiert ist, dargestellt. In Diagramm c) ist der Verlauf der Ein- und Ausschaltvorgänge der Zirkulationspumpe dargestellt. Der erste Zyklus des Regelsystems beginnt mit Phase 1 (P1 in den Diagrammen) und der Einschaltung der Zirkulationspumpe. Während dieser Einschaltzeit steigt die Wassertemperatur in der Druckleitung und damit auch die am ersten Temperatursensor anliegende Temperatur. Am Ende der Phase 1 wird am ersten Temperatursensor die anliegende Temperatur gemessen – in dem hier dargestellten hypotetischen Fall wird ein Temperaturwert von 50°C gemessen. Aus diesem Meßwert wird aufgrund der eingestellten Abweichung von 10% ein Referenzwert von 45°C berechnet, bei dessen Anliegen am zweiten Temperatursensor, der in der Nähe der Zirkulationspumpe montiert ist, die Zirkulationspumpe in der zweiten Phase des Zyklus des Regelsystems abgeschaltet wird. Während der Phase 2 (P2 in den Diagrammen) bleibt die Zirkulationspumpe eingeschaltet. Während dieser Phase erfolgt zyklisch ein Soll-/Ist-Abgleich, wobei die aktuell am zweiten Temperatursensor anliegende Temperatur mit der am Ende der ersten Phase ermittelten Referenztemperatur verglichen wird. Sobald die Referenztemperatur am zweiten Temperatursensor anliegt oder überschritten ist, wird die Zirkulationspumpe abgeschaltet. In der Phase 3 (P3 in den Diagrammen) – der Sperrphase – bleibt die Zirkulationspumpe abgeschaltet. Die Dauer dieser Phase 3 richtet sich nach dem entsprechenden voreingestellten Parameter. Während der Phase 3 kühlt das Wasser im gesamten Warmwasserverteilungssystem ab. Wie bereits dargestellt richtet sich der Grad der Abkühlung in erster Linie nach der Qualität der Isolierung des Rohrleitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage. Nachdem die Phase 3 beendet ist, beginnt der neue Zyklus des Regelsystems mit Initialisierung der Phase 1. Die Zirkulationspumpe wird wieder eingeschaltet. Am Ende der Phase 1 wird wieder eine Temperaturmessung am ersten Temperatursensor vorgenommen, der zur Berechnung des Referenztemperaturwertes herangezogen wird. Wie aus den Diagrammen a) und b) zu entnehmen ist, ist das Wasser in der Druckleitung der Warmwasserverteilungsanlage jetzt nur auf ca. 30°C abgekühlt. Dies hat zur Folge, dass am Ende der Phase 1 am ersten Temperatursensor eine höhere Temperatur als beim ersten Zyklus gemessen wird, nämlich 52,5°C. Daraus berechnet sich eine neue Referenztemperatur von 47,25°C, bei deren Anliegen am zweiten Temperatursensor die Phase 2 beendet und die Zirkulationspumpe abgeschaltet wird. Aufgrund der in der Ringleitung vorherrschenden höheren Temperatur wird die Referenztemperatur von 47,25°C im zweiten Zyklus schneller erreicht als dies während des ersten Zyklus des Regelsystems der Fall war. Dies impliziert, dass die Einschaltzeiten der Zirkulationspumpe im zweiten Zyklus des Regelsystems deutlich verkürzt sind.
In 4 sind zwei weitere theoretisch mögliche Zyklen des Regelsystems dargestellt. Die angenommenen Rahmenbedingungen sind eine Temperatur des warmen Brauchwassers im Warmwasserspeicher von 60°C und eine vorgegebene prozentuale Abweichung von 10% sowie eine definierte Sperrzeit, deren exaktes Maß für die in 4 dargestellten Diagramme unerheblich ist. In Diagramm a) ist der angenommene Temperaturverlauf am ersten Temperatursensor, welcher an der Druckleitung in unmittelbarer Nähe zu der Anschlußstelle zwischen Warmwasserspeicher und Druckleitung montiert ist, dargestellt. In Diagramm b) ist der angenommene Temperaturverlauf am zweiten Temperatursensor, welcher an der Ringleitung in unmittelbarer Nähe zu der Zirkulationspumpe montiert ist, dargestellt. In Diagramm c) ist der Verlauf der Ein- und Ausschaltvorgänge der Zirkulationspumpe dargestellt. Im Gegensatz zu dem in 3 dargestellten Verlauf wird bei dem Verlauf in 4 angenommen, dass während der Phase 3 des ersten Zyklus des Regelsystems an einer beliebigen Zapfstelle der Warmwasserverteilungsanlage warmes Brauchwasser entnommen wird. Dies führt dazu, dass die Temperatur am ersten Temperatursensor bereits während dieser Phase 3 auf den Maximalwert ansteigt, während das Wasser in der Ringleitung naturgemäß abkühlt. Während der Phase 1 des zweiten Zyklus des Regelsystems wird demzufolge vorrangig das abgekühlte Wasser in der Ringleitung in den Warmwasserspeicher gepumpt werden. Am Ende dieser Phase wird am ersten Temperatursensor der maximale Temperaturwert von 62°C gemessen, woraus sich eine Referenztemperatur von 55,8°C ergibt. Diese Referenztemperatur wird nach einer nur sehr kurzen Phase 2 des zweiten Zyklus des Regelsystems erreicht, was zu einem sehr kurzen zweiten Einschaltintervall der Zirkulationspumpe in 4 führt.
In 5 sind zwei weitere theoretisch mögliche Zyklen des Regelsystems dargestellt. Die angenommenen Rahmenbedingungen sind eine Mindertemperatur von ca. 35°C des warmen Brauchwassers im Warmwasserspeicher. Die vorgegebene prozentuale Abweichung spielt bei dieser Betrachtung keine Rolle. In Diagramm a) ist der angenommene Temperaturverlauf am ersten Temperatursensor, welcher an der Druckleitung in unmittelbarer Nähe zu der Anschlußstelle zwischen Warmwasserspeicher und Druckleitung montiert ist, dargestellt. In Diagramm b) ist der angenommene Temperaturverlauf am zweiten Temperatursensor, welcher an der Ringleitung in unmittelbarer Nähe zu der Zirkulationspumpe montiert ist, dargestellt. In Diagramm c) ist der Verlauf der Ein- und Ausschaltvorgänge der Zirkulationspumpe dargestellt. Am Ende der Phase 1 wird jeweils eine Mindertemperatur von 35°C ermittelt. Aufgrund dieser Mindertemperatur wird die Zirkulationspumpe sofort abgeschaltet. Außerdem aktiviert das Regelsystem unmittelbar die Sperrzeit. Die Phase 2 wird im Falle der Detektion der Mindertempertur übersprungen. Die Einschaltzeiten der Zirkulationspumpe beschränken sich auf die kurze Dauer der Phase 1 des Regelsystems.
In 6 ist ein theoretisch möglicher Desinfektionszyklus zur Verminderung des Legionellenwachstums dargestellt. Die angenommenen Rahmenbedingungen sind eine Temperatur des warmen Brauchwassers im Warmwasserspeicher von 60°C. Die vorgegebene prozentuale Abweichung von 10% sowie eine definierte Sperrzeit sind für diese Betrachtungen unbeachtlich. In Diagramm a) ist der angenommene Temperaturverlauf am ersten Temperatursensor, welcher an der Druckleitung in unmittelbarer Nähe zu der Anschlußstelle zwischen Warmwasserspeicher und Druckleitung montiert ist, dargestellt. In Diagramm b) ist der Verlauf der Ein- und Ausschaltvorgänge der Zirkulationspumpe dargestellt. Nach einer definierten (längeren) Zeit wird die Zirkulationspumpe für eine definierte Zeitspanne eingeschaltet. Diese Zeitspanne ist derart gewählt, dass in jedem Fall ein Durchspülen des gesamten Rohrleitungssystems der Warmwasserverteilungsanlage mit warmem Brauchwasser maximaler Temperatur über mehrere Minuten gewährleistet ist. Danach wird die Zirkulationspumpe abgeschaltet. Dieser Vorgang wird mindestens dreimal täglich wiederholt. Sofern am ersten Temperatursensor nach einer definierten Zeitspanne, die in der Länge der Zeitspanne der Phase 1 des oben beschriebenen Regelsystems entspricht, die Grenze zur definierten Mindertemperatur nicht überschritten wird, so wird der Desinfektionszyklus umgehend aufgrund der detektierten Mindertemperatur des Wassers im Warmwasserspeicher abgebrochen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004019533 A1 [0008]
DE 19600455 A1 [0009]

Claims

Zirkulationspumpensteuersystem für eine Warmwasserverteilungsanlage, aufweisend: drei digitale Eingabeschnittstellen zur Parametrisierung des Zirkulationspumpensteuersystems, die als Digitalschalter oder Jumper ausgeprägt sind, zur Definition der Parameter ,logische Verknüpfung', ,prozentuale Abweichung' und ,Sperrzeit', ein oder zwei Eingangsfilter, welche Signale aus dem Niederspannungsnetz 12 und/oder 14 in Digitalform transformieren, zur Definition des Freigabesignals, welches zur Steuerung des nachgelagerten Regelsystems dient, eine erste Berechnungskomponente, welche aus den Signalen des/der Eingangsfilter und in Abhängigkeit des Parameters ,logische Verknüpfung' das logische Freigabesignal für das Regelsystem berechnet, zwei Temperatursensoren 11 mit je einem Eingangsverstärker, welche der Überwachung der Temperatur des warmen Brauchwassers am Anfang und am Ende der Warmwasserverteilungsanlage dienen, eine zweite Berechnungskomponente, die anhand der Temperaturwerte des ersten Temperatursensors ein Signal zur Erkennung von Mindertemperaturen des warmen Brauchwassers berechnet, einen Schaltausgang zur Ansteuerung der Zirkulationspumpe 4, welcher wahlweise als Relais, insbesondere als Gleichspannungsrelais, oder als elektronisches Lastrelais ausgeprägt ist, ein Netzteil, welches die Wechselspannung des Niedervoltnetzes in eine Kleinspannung transformiert, welche als Betriebsspannung sämtlicher Komponenten des Zirkulationspumpensteuersystems dient, einen Microcontroller/Microprozessor, welcher die Signalverarbeitung und die Steuerung aller Einzelkomponenten des Zirkulationspumpensteuersystems übernimmt, eine dritte Berechnungskomponente, welche die Ein- und Ausschaltsignale für die Zirkulationspumpe 4 anhand des dreiphasig aufgebauten Regelalgorithmus berechnet, wobei die erste Phase zum Anheizen des Rohrleitungssystems bis zur Montagestelle des ersten Temperatursensors 11, über welchen am Ende der ersten Phase ein Temperaturwert erfasst wird, der seinerseits unter Berücksichtigung des Parameters ,prozentuale Abweichung' zur Berechnung der Abschalttemperatur herangezogen wird, dient, und wobei die zweite Phase zum Umwälzen des warmen Brauchwassers innerhalb der Warmwasserverteilungsanlage dient, wobei die Umwälzung nur solange erfolgt, bis am zweiten Temperatursensor 11 die in der ersten Phase berechnete Abschalttemperatur gemessen wird, und wobei in der dritten Phase die Zirkulationspumpe 4 abgeschaltet wird und die Zeitspanne, welche durch den Parameter ,Sperrzeit' definiert ist, abgewartet wird, zwei Zeitsteuerungsmittel zur Definition der in Phase 1 benötigten Anheizphase und zur Definition der Sperrzeit in Phase 3.
Zirkulationspumpensteuersystem gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung nach längeren Abschaltzeiten der Zirkulationspumpe 4 in zyklischen Abständen das Rohrleitungsnetz der Warmwasserverteilungsanlage mit warmem Brauchwasser durchspült mit dem Ziel der Verminderung des Legionellenwachstums, wobei der Spülvorgang umgehend abgebrochen wird, wenn eine Mindertemperatur des warmen Brauchwassers am ersten Temperatursensor 11 detektiert wird.
Zirkulationspumpensteuersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Netzteileinheit, das Messgerät, die Steuereinheit, die Eingangslogik, das Schaltelement sowie alle übrigen Komponenten in einem Gehäuse montiert sind.
Zirkulationspumpensteuersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Messgerät, die Steuereinheit, die Eingangslogik, das Schaltelemet sowie alle übrigen Komponenten in das Steuersystem der Warmwassererzeugungsanlage integriert sin.
Zirkulationspumpensteuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens einer der Temperatursensoren von der Steuereinrichtung räumlich getrennt montiert ist.
Zirkulationspumpensteuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinrichtung ein Display beinhaltet, auf welchem Temperaturwerte und/oder Schaltzustände der Eingangslogik und/oder der Schaltzustand des Schaltelements zur Ansteuerung der Zirkulationspumpe 4 visualisiert werden.
Verfahren zur energetisch optimierten Ansteuerung einer Zirkulationspumpe, aufweisend: Empfangen des Freigabesignals aus der Eingangslogik und Starten eines Regelzyklus, wenn die Freigabe durch die Eingangslogik erteilt wird, Senden des Einschaltsignal an den Schaltausgang für die Zirkulationspumpe und Abwarten einer ersten Zeitspanne, welche definiert ist durch ein Zeitsteuerungsmittel, zwecks Anheizen des Rohrleitungssystem der Warmwasserverteilungsanlage bis zum Montageort des ersten Temperatursensors, Bestimmen der Wassertemperatur am ersten Temperatursensor entweder durch Einzelmessung oder durch Mittelwertbildung aus mehreren Messwerten und Berechnung der Abschalttemperatur durch Subtraktion eines prozentualen Anteils gemäß des Parameters ,prozentuale Abweichung', zyklisches Empfangen der Wassertemperatur vom zweiten Temperatursensor und Vergleichen mit der zuvor berechneten Abschalttemperatur, wobei das Abschaltsignal an den Schaltausgang für die Zirkulationspumpe gesendet wird, sobald der ermittelte Temperaturwert mit der vorberechneten Abschalttemperatur übereinstimmt oder diese überschreitet, Abwarten der durch Eingabeparameter bestimmte Sperrzeit bei abgeschalteter Zirkulationspumpe, automatisches Starten eines neuen Zyklus.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Regelalgorithmus n-mal wiederholt wird und wobei der Regelalgorithmus nach der n-ten Wiederholung automatisch erneut gestartet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei nach längerer Deaktivierung des Regelalgorithmus ein Desinfektionszyklus zur Verminderung des Legionellenwachstums gestartet wird, der unabhängig von dem logischen Freigabesignal gestartet wird, wobei das Einschaltsignal für die Zirkulationspumpe gesendet wird, wonach eine vordefinierte Zeitspanne abgewartet wird, bevor das Ausschaltsignal für die Zirkulationspumpe gesendet wird und wonach eine weitere definierte Zeitspanne abgewartet wird, die wesentlich größer dimensioniert ist als die erste Zeitspanne.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Desinfektionszyklus nach Ablauf der Abschaltzeit automatisch erneut gestartet wird und wobei der Desinfektionszyklus n-mal wiederholt wird und wobei der Desinfektionszyklus nach der n-ten Wiederholung automatisch erneut gestartet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der Desinfektionszyklus sofort unterbrochen wird, sobald der Regelalgorithmus durch das logische Freigabesignal gestartet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei zyklisch die Wassertemperatur vom ersten Temperatursensor empfangen wird und mit der definierten Mindertemperatur verglichen wird und wobei umgehend das Abschaltsignal für die Zirkulationspumpe gesendet wird, sobald der ermittelte Temperaturwert den Mindertemperaturwert erreicht oder unterschreitet.