DE102011056866A1

DE102011056866A1 - Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements in einer Wärmeversorgungsanlage

Info

Publication number: DE102011056866A1
Application number: DE102011056866A
Authority: DE
Inventors: Lubor Chytil
Original assignee: Az Pokorny Trade S R O; AZ-Pokorny Trade sro
Current assignee: Flexira Sro Cz
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-07-25
Also published as: ES2579152T3; EP2795133A2; WO2013091891A4; WO2013091891A2; EA027321B1; EA201400732A1; PL2795133T3; DK2795133T3; EP2795133B1; HUE027816T2; SI2795133T1; WO2013091891A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements in einer Wärmeversorgungsanlage. Erfindungsgemäß wird eine Pumpenanordnung, bestehend aus einer regelbaren Pumpe, einem 4/2-Ventil und einem Rückflussverhinderer in der Druckleitung der Pumpe vorgeschlagen, die dergestalt zusammenarbeiten, dass bei stets gleichbleibender Strömungsrichtung in der Pumpe in dem zugeordneten Leitungskreis unterschiedliche Richtungen des Förderstroms erreicht werden können und gleichzeitig die Pumpenleistung an vorhandene Erfordernisse angepasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements in einer Wärmeversorgungsanlage.
Es ist bekannt, dass Wärmeerzeuger, wie Heizkessel, in ihrer Wärmeleistung höher dimensioniert werden müssen als der prognostizierte Gesamtbedarf an Wärme im entsprechenden Wärmeversorgungssystem. Dies deshalb, weil die Wärmeerzeuger in solchen Wärmeversorgungssystemen immer nach dem maximal notwendigen Wärmebedarf ausgelegt werden müssen.
Im Besonderen kann ein Überangebot an Wärmemengen zustande kommen, wenn einem solchen Wärmeversorgungssystem weitere Wärmequellen, wie beispielsweise thermische Solarkollektoren, zugeschaltet sind. Insbesondere kommt es dabei zu groben Missverhältnissen zwischen Angebot an Wärmemengen und deren Abnahme. Hinzu kommt, dass der zeitliche Verlauf zwischen Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch nicht deckungsgleich ist.
Um dem abzuhelfen, sind in Wärmeversorgungssystemen Speicherelemente vorhanden, die bei einem temporären Überangebot an Wärmemengen die Möglichkeit bieten, diese Wärmemengen zwischenzuspeichern und sie später wieder abrufen zu können. Um dies zu ermöglichen, muss erwärmtes Medium bei einem Überangebot in Richtung zu dem Speicherelement gepumpt werden. Bei einem Fehlbedarf muss das gleiche Medium in umgekehrter Richtung von dem Speicherelement zurück in den Heizungskreis gepumpt werden.
Diese Aufgaben sind mit einer Kreiselpumpe, die nur in eine Förderrichtung arbeiten kann, nicht zu erfüllen. Es sind deshalb bereits Wärmeversorgungssysteme ausgeführt worden, bei denen im Leitungskreis zwischen Wärmequelle und Wärmespeicher 2 Pumpen mit jeweils entgegengesetzter Förderrichtung parallel geschaltet sind.
Es ist auch bekannt, bei solchen parallel geschalteten Pumpenanordnungen in jedem Pumpenzweig ein elektrisch gesteuertes Zweiwege-Servoventil anzuordnen, um so einen Kurzschluss des Medienstroms über die jeweils im Stillstand befindliche Pumpe zu vermeiden.
Solche Anordnungen sind aufwendig, zumal sie noch weiterer Steuereinrichtungen bedürfen, die einerseits die Leitungswege öffnen und schließen und andererseits die beiden Pumpen ansteuern.
Aus DE 44 09 883 C2 ist eine Anordnung mit 2 in Serie geschalteten Pumpen vorgeschlagen, die beide mit ihren Saugseiten mit der Rücklaufleitung eines Wärmeverbrauchers verbunden sind. Bei dieser Anordnung kann ein Medienstrom in der Rücklaufleitung eines Wärmeverbrauchers mit einer Pumpe mit einem Wärmeerzeuger (Heizkessel) oder mit der anderen Pumpe mit einem Wärmespeicher verbunden werden. Um Rückkopplungen zu vermeiden, sind in der Rücklaufleitung des Wärmeverbrauchers und in der Vorlaufleitung des Wärmeerzeugers je ein Rückschlagventil vorgeschlagen.
Dieses System ist insofern nachteilig, dass im Fall der Zuordnung weiterer Wärmequellen wie auch bei der Anordnung mehrerer Leitungskreise zu Wärmeverbrauchern jeweils die gleiche Anordnung von Pumpen und Rückschlagventilen wieder vorgesehen werden muss. Mithin steigt der Aufwand bei komplexeren Systemen sehr stark an.
Aus EP 1 906 101 A1 ist eine Anordnung bekannt, die in einer Leitung 2 Pumpen jeweils mit ihrer Druckseite verbindet, sodass durch Anschalten von jeweils einer dieser Pumpen eine bestimmte Strömungsrichtung erzwungen wird. Die jeweils außer Betrieb gesetzte Pumpe wird dabei vom Medienstrom durchströmt.
Eine vergleichbare Anordnung ist aus einem Wärmeversorgungssystem Eco Zenith I 555 der Firma CTC AB, 34126 Ljungby, Schweden bekannt. Bei dieser Anlage werden zwischen beiden mit den Druckseiten verbundenen Pumpen noch zusätzlich Rückschlagventile angeordnet.
Trotz des vereinfachten Aufbaus hat diese Anordnung den Nachteil, dass die jeweils außer Betrieb befindliche Pumpe einen erheblichen Leitungswiderstand darstellt, der zur Erhöhung der Pumpenleistung zwingt. Ferner ist nicht auszuschließen, dass ein entsprechend großer Medienstrom beim Umströmen des Läufers der stillgesetzten Pumpe Korrosions- und Kavitationsschäden verursacht. Diese Nachteile verstärken sich noch, wenn zusätzlich zur Pumpe noch Rückschlagventile durchströmt werden müssen.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Pumpenanordnung vorzuschlagen, die bei geringem Kosten- und Installationsaufwand die Aufgabe des Ladens und Entladens eines Wärmespeichers im Wärmeversorgungssystem übernehmen kann, zugleich energieoptimiert arbeitet und hinsichtlich ihrer Integration in bestehende Anlagen in vielfacher Hinsicht angepasst werden kann.
Diese oben stehende Aufgabe wird gelöst mit einer Leitungsanordnung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes dieses Patentanspruches. Neben- und nachgeordnete Patentansprüche beschreiben Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung.
In der nachstehenden Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den Patentansprüchen werden die nachstehend aufgeführten Begriffe mit folgendem Bedeutungsinhalt verwendet:
Wärmeversorgungsanlage — ist eine Anordnung, die wenigstens aus einem Wärmeerzeuger, einem Wärmeverbraucher und einem über eine Pumpe ladbaren bzw. entladbaren Wärmespeicher verfügt.
Pumpenanordnung — ist eine Zusammenstellung von wenigstens einer Pumpe beliebiger Bauart, Leitungsabschnitten und Ventilen zur Lösung der Aufgabe, mit einer Pumpeneinheit das Speicherelement zu laden bzw. zu entladen.
Speicherelement — ist ein Volumenspeicher beliebiger Größe und Bauart, der mit einem Wärmemengen transportierenden Medium aufgeladen und wieder entladen werden kann.
Rückflussverhinderer — ist ein Bauteil oder eine Baueinheit, die geeignet sind, den Medienstrom der Pumpe weitgehend unbehindert passieren zu lassen, bei dauerhaftem oder impulshaftem Gegenstrom in der Pumpenleitung den Leitungsstrang jedoch zu verschließen.
Steuerbar — bedeutet, dass aufgrund willkürlicher Entscheidungen und Eingriffe in das Wärmeversorgungssystem die Inbetriebnahme der Pumpenanordnung sowie deren Stillsetzen bewirkt werden kann.
Regelbar — bedeutet, dass das Inbetriebnehmen bzw. Stillsetzen der Pumpe von in der Anlage erfassten Messwerten, erarbeiteten Regelgrößen oder aufgrund von Behandlungsroutinen einer übergeordneten Regelanlage abhängig ist. Solcher Art Regelanlagen können in die Pumpenanordnung integriert oder als zentrale Regelanlage des Wärmeversorgungssystems ausgeführt sein.
Nach der Erfindung wird davon ausgegangen, dass eine weitere Optimierung des Energieaufwandes in Wärmeversorgungsanlagen dadurch möglich ist, dass ein in einem solchen System zusätzlich angeordnetes Speicherelement lediglich mit einer Pumpe geladen bzw. entladen wird. Die bisher verwendeten Anordnungen mit zwei Pumpen werden dadurch entbehrlich.
Zusätzliche Widerstände durch eine zweite Pumpe, die durchströmt werden muss, entfallen ebenso, wie die Installations- und Wartungskosten für eine zweite Pumpe. Des Weiteren werden mögliche Schäden bei den jeweils außer Betrieb gesetzten Pumpen durch Kavitation und Korrosion vermieden.
Nach der Erfindung soll die Pumpenanordnung dergestalt ausgeführt sein, dass mithilfe von Ventilen oder Hähnen ein wechselseitiger Anschluss an die zu- bzw. abführenden Leitungsteile ermöglicht wird und so die Förderrichtung der Pumpe gewechselt werden kann. Nach der Erfindung hat dies den Vorteil, dass für das Stellen der Ventile oder Hähne nur Stellimpulse mit wenig Energieaufwand notwendig sind, während die Pumpe selbst nach dem Umschalten jeweils im optimierten Betrieb Medien fördern kann.
Um die Pumpe energieoptimiert betreiben zu können, wird diese leistungsoptimiert angesteuert. Das heißt, es wird der Pumpe stets die Energiemenge bereitgestellt, die zur Einhaltung der geforderten Parameter notwendig ist.
Bevorzugt wird dabei eine Steuerung der Energiemengen über eine so genannte Pulsweitensteuerung, da diese mit preiswerten Bauelementen bzw. Steuer- oder Regeleinheiten ausgeführt werden kann.
In Fällen, bei denen innerhalb der Wärmeversorgungssysteme längere Leitungswege zum Speicherelement auftreten oder durch das Speicherelement erhöhte Speisedrücke gefordert sind, kann eine mehrstufige Pumpe oder eine Pumpenkaskade verwendet werden, wobei die Ansteuerung wie oben beschrieben erfolgen kann.
Die innerhalb der Pumpenanordnung notwendige Umschalteinheit wird im bevorzugten Fall mit einem 4/2-Ventil ausgeführt. Dieses verbindet in einer Schaltstellung die Saugseite der Pumpe mit dem Wärmeerzeuger und die Druckseite der Pumpe mit dem Speicherelement. In der zweiten Schaltstellung wird die Saugseite der Pumpe mit dem Speicherelement und die Druckseite mit der Leitung zum Wärmeerzeuger verbunden.
Besonders bevorzugt wird für das 4/2-Ventil ein so genannter Kugelhahn, der wenigstens die zwei erforderlichen Schaltstellungen hat und mit Hilfsenergie ansteuerbar ist.
Anstelle eines 4/2-Ventils können zwei 3/2-Ventile, vier 2/2-Ventile oder auch Anordnungen mit Kugelhähnen eingesetzt werden.
Zum Schutz des Wärmeversorgungssystems und der Pumpe wird dieser ein Rückflußverhinderer vor- oder nachgeschaltet. Bevorzugt wird hierbei die Anordnung nach dem druckseitigen Anschluss der Pumpe.
Die Pumpenanordnung kann in Abhängigkeit von der Ausführung des Wärmeversorgungssystems in aufgelöster Bauweise mit zwischengeschalteten Leitungsabschnitten oder als Pumpenanordnung in Kompaktbauweise oder als Pumpenanordnung in Blockbauweise ausgeführt sein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 — eine schematische Darstellung eines Wärmeversorgungssystems mit einem an diesem angeordneten Speicherelement.
2 — eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Pumpenanordnung unter Verwendung eines 4/2-Ventils in einer Schaltstellung, bei der eine Pumpe Medienstrom in Richtung einer Wärmequelle fördert.
3 — die in 2 gezeigte schematische Darstellung mit einer Schaltstellung des Wegeventils, bei der die Pumpe einen Medienstrom in Richtung zu einem angeschlossenen Speicherelement fördert.
Ein Wärmeversorgungssystem der an sich bekannten Bauart besteht aus einem Wärmeerzeuger 1, einem Wärmeverbraucher 2 und den diese verbindenden Leitungen 3 für den warmen Bereich (Vorlauf) und 4 für den kalten Bereich (Rücklauf).
Zusätzlich kann in das Wärmeversorgungssystem eine Heizungsumwälzpumpe 5 integriert sein.
Von der Leitung 4 sind Leitungsabschnitte 6 und 7 zu einem Speicherelement 8 geführt. Zwischen den Leitungsabschnitten 6 und 7 ist zudem eine Pumpenanordnung 9 angeordnet, die das Speicherelement 8 abhängig vom Bedarf lädt oder entlädt.
Über eine Verbindungsleitung 10 kann das Speicherelement 8 mit der Leitung 3 verbunden sein, sodass vom Speicherelement 8 erwärmtes Medium direkt in den Versorgungskreislauf eingespeist werden kann.
Die erfindungsgemäße Pumpenanordnung in den Leitungsabschnitten 6 und 7 besteht aus einer Pumpe 11, einem 4/2-Ventil 12, einem Rückflussverhinderer 13 und den Verbindungsleitungen 14, 15 und 16.
In 2 befindet sich das 4/2-Ventil 12 in einer ersten Schaltstellung, die auch als 0°-Position bezeichnet werden kann. Das Schaltelement 17 leitet dann das Medium vom Leitungsabschnitt 7 über die Leitung 14 zur Pumpe 11, weiter über die Leitung 15, den Rückflussverhinderer 13 und die Leitung 16 in die Leitung 6. Auf diese Weise kann ein Wärmeverbraucher 2 durch Entladen eines in 2 nicht dargestellten Speicherelements mit erwärmten Medium versorgt werden.
In der in 3 dargestellten Schaltstellung, die der 90°-Position entspricht, ist das 4/2-Ventil 12 so geschaltet, dass ein Laden eines in 3 nicht dargestellten Speicherelements möglich ist. Von einem Wärmeerzeuger 1 wird über die Leitung 6, das 4/2-Ventil 12, die Pumpe 11, die Leitung 15, den Rückflussverhinderer 13 un die Leitung 16 erwärmtes Medium in die Leitung 7 gepumpt. Das vom Speicherelement abgeführte Medium wird über die Leitung 10 in Richtung zu einem Wärmeverbraucher 2 gepumpt.
Der Rückflussverhinderer 13 ist an der Druckseite der Pumpe 11 angeordnet und mit dieser über die Leitung 15 verbunden. Auf diese Weise werden Rückströmungen im Leitungskreis verhindert, wobei es nicht darauf ankommt, ob die Rückströmung impulsartig oder aufgrund eines entstandenen Gegendruckes dauerhaft entstehen würde.
Für die Erfindung kommt es nicht darauf an, auf welche Weise und mit welchen Anschlussarten die Pumpenanordnung mit dem Wärmeversorgungssystem verbunden ist. Dies betrifft insbesondere die Einspeisungspunkte, an die der Leitungsabschnitte 6 und die Leitung 10 angeschlossen sind. Ebenso wenig ist für die Erfindung bedeutsam, ob die Leitung 10 im System vorhanden ist.
Die Pumpe 11 ist bevorzugt eine leistungsgesteuerte Pumpe. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Pumpensteuerung, die mit einer Pulsweitensteuerung arbeitet und der Pumpe 11 stets die Energiemengen bereitstellen kann, die für die Erfüllung der Aufgabe gerade erforderlich sind.
Die Ansteuerung der Pumpe 11 kann über ein eigenes Steuerungsmodul oder durch eine zentrale Steuerung des Wärmeversorgungssystems realisiert sein. Es ist ebenso möglich, durch steuernde Eingriffe auf den Energiefluss zur Pumpe 11 einzuwirken.
Das 4/2-Ventil 12 ist durch andere gleichwirkende Ventilanordnungen unter Inkaufnahme gewisser Nachteile ersetzbar. So beispielsweise durch eine Anordnung mit zwei 3/2-Ventilen, durch eine Anordnung mit vier 2/2-Ventilen oder auch mit einer Anordnung aus mehreren Kugelhähnen. Dabei kommt es letztlich darauf an, dass ein Vertauschen der Saug- und der Druckseite der Pumpe 11 gegenüber den Leitungsabschnitten 6 und 7 bewirkt wird.
Besonders bevorzugt wird jedoch ein 4/2-Ventil 12 in der Ausführungsform als Kugelhahn wegen des einfachen Aufbaus desselben und der zuverlässigen Betriebsweise.
Auch das 4/2-Ventil 12 bzw. die anderen Schaltungsanordnungen sind über Steuerbefehle und Energiezufuhr jeweils stellbar und bedürfen keiner manuellen Bedienung.
Der Rückflussverhinderer 13 kann auf verschiedene Weise ausgeführt sein. So kann es beispielsweise eine Einrichtung sein, die mit einem Schwebekörper arbeitet oder eine Einrichtung, die mit einer schwenkbaren Rückschlagklappe versehen ist. Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass der Verschlusskörper federbelastet und der Rückflussverhinderer 13 demgemäß als Rückschlagventil ausgeführt ist.
Die oben beschriebene Pumpenanordnung hat also den Vorteil, dass sie auf einfache Weise einen Betrieb der Pumpe in zwei Strömungsrichtungen ermöglicht und dabei der Aufwand an Bauteilen sowie die strömungsmechanische Auslegung optimiert werden kann. Des weiteren wird der Energieeinsatz durch die erfindungsgemäße Lösung dergestalt minimiert, dass die Strömungsverluste gering gehalten werden, Ventilsteuerungen nur wenn notwendig mit Energie versorgt werden und die in der Anordnung enthaltene Pumpe nur die Energiemengen erhält, die für die Erfüllung der Aufgabe gerade notwendig sind.
Bezugszeichenliste

1: Wärmeerzeuger
2: Wärmeverbraucher
3: Leitung
4: Leitung
5: Heizungsumwälzpumpe
6: Leitungsabschnitt
7: Leitungsabschnitt
8: Speicherelement
9: Pumpenanordnung
10: Verbindungsleitung
11: Pumpe
12: 4/2-Ventil
13: Rückflussverhinderer
14: Leitung
15: Leitung
16: Leitung
17: Schaltelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4409883 C2 [0008]
EP 1906101 A1 [0010]

Claims

Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage, bei der in einem ersten Leitungskreis ein Wärmeerzeuger (1) mit einem Wärmeverbraucher (2) verbunden ist und zwischen diesen mit einer Heizungsumwälzpumpe (5) ein Kreislauf eines Heizmediums erzielbar ist, mit einem zweiten Leitungskreis ein Speicherelement (8) und eine Pumpenanordnung (9) dergestalt an den ersten Leitungskreis anbindbar ist, das von der Pumpenanordnung (9) bei Bedarf ein Medienstrom vom Wärmeerzeuger (1) zum Speicherelement (8) oder vom Speicherelement (8) zum Wärmeverbraucher (2) erzielbar und dabei das im zweiten Leitungskreis angeordnete Speicherelement lad- oder entladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenanordnung (9) aus einer Pumpe (11), einer Umschalteinheit und einem Rückflußverhinderer (13) besteht und diese dergestalt miteinander wechselwirken, dass in einer ersten Stellung der Umschalteinheit die Pumpe (11) saugseitig mit dem Speicherelement (8), in einer zweiten Stellung der Umschalteinheit die Saugseite der Pumpe (11) mit dem ersten Leitungskreis verbunden ist und erwärmtes Medium durch die Pumpe (11) in das Speicherelement (8) gefördert wird.
Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (11) hinsichtlich ihrer Leistung gesteuert oder geregelt ist.
Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung oder Regelung der Pumpe (11) über Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgt.
Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (11) mehrstufig oder als Pumpenkaskade mit wenigstens einer weiteren Pumpe ausgeführt ist.
Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements in einer Wärmeversorgungsanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinheit eine Anordnung ist, die ohne Änderung der Dreh- bzw. Förderrichtung der Pumpe (11) eine Umschaltung von Leitungsanschlüssen im zweiten Leitungskreis und wenigstens zwei Förderrichtungen des Medienstroms zum Laden bzw. Entladen des Speicherelements ermöglicht.
Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinheit mit einem 4/2-Ventil (12) oder mit zwei 3/2-Ventilen oder mit vier 2/2-Ventilen oder mit einer Anordnung von Hähnen ausgeführt ist.
Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das 4/2-Ventil (12) ein Kugelhahn ist.
Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach einem der Patentansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile oder Hähne mit Hilfsenergie ansteuerbar sind.
Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpe (11) oder der Pumpenkaskade ein Rückflußverhinderer (13) voroder nachgeschaltet ist.
Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückflußverhinderer (13) mit einem strömungsgesteuerten Schwebekörper und/oder einer strömungsgesteuerten Klappe und/oder mit einem strömungsgesteuerten und federbelasteten Element ausgeführt ist.