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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Fluidkreislaufs nach Anspruch 1 sowie einen Fluidkreislauf nach Anspruch 11.
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Bekannte Verfahren werden beispielsweise in der
DE 10 2007 063 489 A1 oder der US 2012 / 0 018 129 A1 beschrieben. Im Stand der Technik werden zunehmend zwei oder mehr Wärmerzeuger miteinander kombiniert, um einen Fluidkreislauf zum Temperieren eines Temperierungsobjekts zu betreiben, z.B. zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes. So sind zum Beispiel Kombination von Solarthermiekollektoren oder Wärmepumpen mit fossil befeuerten Wärmeerzeugern bekannt, um zunächst ein Wärmeträgermedium zu temperieren. Die Temperierung des Temperierungsobjekts erfolgt anschließend durch Umwälzung des Wärmeträgermediums im Fluidkreislauf mittels einer Förderpumpe und Anordnung eines Wärmetauschers im Fluidkreislauf, insbesondere im Bereich des Temperierungsobjekts.
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Fossil befeuerte Wärmeerzeuger benötigen zumeist keinen Mindestvolumenstrom an durchgeleitetem Wärmeträgermedium pro Zeiteinheit. Dahingegen ist solch ein Mindestvolumenstrom beispielsweise zum Betrieb einer Wärmepumpe notwendig, um diese einwandfrei und sicher zu betreiben. Ein geforderter Mindestvolumenstrom wird in der Regel durch ein Überströmventil sichergestellt, das den Wärmetauscher überbrückt. Werden nun bspw. Ventile des Wärmetauschers geschlossen, z.B. Thermostate, sinkt der Wasservolumenstrom durch den Wärmetauscher. Durch eine hierdurch bedingte Erhöhung des Förderdrucks der Förderpumpe öffnet sich dann das Überströmventil und der Mindestvolumenstrom durch den Wärmeerzeuger wird nicht unterschritten.
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Die unterschiedlichen Anforderungen an den Mindestvolumenstrom werden bei der Kombination von unterschiedlichen Wärmeerzeugern im Stand der Technik unzureichend berücksichtigt. So wird bei einer seriellen Hintereinanderschaltung zweier Wärmeerzeuger in einem Fluidkreislauf auch ein Wärmeerzeuger, der keinen geforderten Mindestvolumenstrom aufweist, mit einem Mindestvolumenstrom beaufschlagt. Dies liegt daran, dass das vorgesehene Überströmventil unabhängig von der Aktivierung der unterschiedlichen Wärmeerzeuger auslöst. Nachteilhaft ist hierbei, dass die Rücklauftemperatur bei einem Überströmen des Überströmventils ansteigt und sich der Wirkungsgrad des in Betrieb befindlichen Wärmeerzeugers sinkt. Bei fossil befeuerten Wärmeerzeugern steigen mithin unnötigerweise der Brennstoffbedarf, die Heizkosten und die Emissionen.
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Ein weiterer Nachteil ist, dass nach dem Differenzdruck geregelte Förderpumpen nicht mit Überströmventilen kombinierbar sind. Solche Förderpumpen bieten jedoch ein hohes Stromsparpotential. Eine nach dem Differenzdruck geregelte Förderpumpe würde in Kombination mit einem Überlaufventil den Differenzdruck trotzdem auf einen konstanten Wert regeln. Je nachdem ob dieser oberhalb oder unterhalb eines Auslösedruckes des Überströmventils läge, wäre dieses immer geöffnet oder immer geschlossen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren zum Betrieb eines Fluidkreislaufs mit mehreren Wärmeerzeugern mit unterschiedlichen hydraulischen Anforderungen sowie einen solchen Fluidkreislauf zu entwickeln, wobei der Fluidkreislauf einen hohen Wirkungsgrad aufweist, einfach und sicher funktioniert sowie kostengünstig herstellbar und einfach installierbar ist.
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Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Fluidkreislaufs, in dem ein Wärmeträgermedium zirkulierbar ist und in dem seriell hintereinander ein aktivierbarer erster Wärmeerzeuger, der einen geforderten Mindestvolumenstrom an Wärmeträgermedium bei Aktivierung aufweist, ein aktivierbarer zweiter Wärmeerzeuger, eine Förderpumpe und eine Wärmetauschervorrichtung liegen. Dabei ist die Wärmetauschervorrichtung durch einen Bypass mit einem Überströmventil überbrückt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Betriebszustand des ersten und zweiten Wärmeerzeugers erfasst wird, und eine Anpassung der Förderleistung der Förderpumpe in Abhängigkeit des höchsten geforderten Mindestvolumenstroms der aktivierten Wärmeerzeuger erfolgt.
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Vorteilhaft ist hieran, dass die unterschiedlichen hydraulischen Anforderungen der Wärmeerzeuger, insbesondere die geforderten Mindestvolumenströme berücksichtigt werden, wodurch der Wirkungsgrad des Fluidkreislaufs deutlich steigt. Der Betriebszustand der Wärmeerzeuger ist entweder durch einfache Sensoren feststellbar oder wird über die Regeleinheiten zum Betrieb der Wärmeerzeuger bestimmt. Meist werden die unterschiedlichen Wärmeerzeuger ohnehin von einer zentralen Regeleinheit aufeinander abgestimmt, die dann auch Kenntnis der einzelnen Betriebszustände hat. Die Förderpumpe kann entsprechend von einer eigenen Regeleinheit angesteuert werden, oder aber sie wird mit der zentralen Regeleinheit verbunden. Die erforderlichen Komponenten sind zudem günstig in der Anschaffung und auch eine Nachrüstung von bestehenden Fluidkreisläufen ist einfach.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren ein Überströmen des Überströmventils mit dem Wärmeträgermedium, wenn der höchste geforderte Mindestvolumenstrom der aktivierten Wärmeerzeuger größer ist als ein von der Wärmetauschervorrichtung abgenommener Volumenstrom. Damit wird der höchste geforderte Mindestvolumenstrom durch das Überströmen des Überströmventils immer dann sichergestellt, wenn ein Wärmeerzeuger mit einem solchen Mindestvolumenstrom aktiviert ist. Entsprechend hoch ist der Wirkungsgrad des Fluidkreislaufs und die Wärmeerzeuger sind dennoch vor Schäden durch zu geringe Fluidvolumenströme geschützt.
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Besondere Relevanz hat das Verfahren zudem, wenn der abgenommene Volumenstrom an Wärmeträgermedium durch die Wärmetauschervorrichtung mittels eines Ventils veränderbar ist bzw. verändert wird. Dies geschieht in der Praxis bspw. durch Verstellen des Ventils, durch thermostatische Betätigung des Ventils oder durch elektronisch geregelte Aktuatoren.
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Eine nähere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass wenigstens einer der Wärmeerzeuger aktiviert ist und das Wärmeträgermedium erwärmt oder kühlt. Sieht man von Vorläufen und Nachläufen des Fluidkreislaufs ab, wird immer nur dann ein geforderter Mindestvolumenstrom vorliegen, wenn wenigstens ein Wärmeerzeuger aktiviert ist. Wenn alle Wärmeerzeuger deaktiviert sind, ist die Förderpumpe typischerweise auch deaktiviert. Als Betriebszustand der Wärmeerzeuger kommt hier nicht nur eine Aktivierung oder Deaktivierung in Betracht, sondern auch die Temperierungsrichtung Erwärmen oder Kühlen. Zum Kühlen oder Erwärmen eignen sich beispielsweise reversible Wärmepumpen.
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Weiterhin sieht eine Variante der Erfindung vor, dass der geforderte Mindestvolumenstrom nicht konstant ist, sondern mit der Temperierungsleistung der Wärmeerzeuger korreliert. Damit korreliert hier die Förderleistung der Förderpumpe über den geforderten Mindestvolumenstrom mit der Temperierungsleistung des oder der Wärmeerzeuger. Die Temperierungsleistung kann dabei ein Kühlen oder ein Erwärmen umfassen. Der Fluidvolumenstrom kann hierdurch immer auf ein notwendiges Minimum beschränkt werden, wodurch der Wirkungsgrad des Fluidkreislaufs besonders hoch ist.
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In einer detaillierten Ausgestaltung der Erfindung wird die Förderleistung der Förderpumpe mittels einer Volumenstrommessung des Wärmeträgermediums im Fluidkreislauf auf einen Zielwert geregelt, der größer oder gleich dem höchsten geforderten Mindestvolumenstrom der aktivierten Wärmeerzeuger ist. Damit wird der aktuell geforderte Mindestvolumenstrom stets eingehalten und Schäden an den Wärmeerzeugern vermieden. Der Regelbereich oberhalb des geforderten Mindestvolumenstroms kann genutzt werden, um den Wirkungsgrad des Fluidkreislaufs zu optimieren.
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Ferner sieht eine Version des Verfahrens vor, dass die Förderleistung der Förderpumpe auf einen Differenzdruck über dem Überströmventil geregelt wird, der kleiner ist als der notwendige Differenzdruck zum Öffnen des Überströmventils, wenn keiner der aktivierten Wärmeerzeuger einen Mindestvolumenstrom aufweist. Damit wird verhindert, dass ein unnötiges Überströmen des Überströmventils zu einer Erhöhung der Rücklauftemperatur und damit zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades des Fluidkreislaufs führt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut, wenn einer der Wärmeerzeuger, insbesondere der erste Wärmeerzeuger, eine Wärmepumpe ist. Wärmepumpen stellen hohe Anforderungen an die Einhaltung des Mindestvolumenstroms und können mit dem Verfahren gut vor Schäden geschützt werden.
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Vorteilhaft ist das Verfahren auch dann einsetzbar, wenn der geforderte Mindestvolumenstrom an Wärmeträgermedium wenigstens einer der Wärmeerzeuger, insbesondere der des ersten Wärmeerzeugers, bei dessen Aktivierung in Abhängigkeit davon ob das Wärmeträgermedium gekühlt oder gewärmt wird unterschiedlich groß ist. Somit wird der Volumenstrom auch in Abhängigkeit der Temperierungsrichtungen Erwärmen und Kühlen stets auf ein notwendiges Minimum beschränkt. Dadurch ist der Wirkungsgrad des Fluidkreislaufs hoch.
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In einer für die Praxis besonders relevanten Erfindungsfortbildung ist wenigstens einer der Wärmeerzeuger, insbesondere der zweite Wärmeerzeuger, mit fossilem Brennstoff befeuert. Solche fossil befeuerten Wärmeerzeuger dienen in der Praxis oftmals zum Überbrücken von Zeiträumen, in denen mit dem anderen Wärmeerzeuger keine Temperierung erfolgen kann, z.B. wenn die Außentemperatur zu gering für eine Luft-Wärmepumpe ist oder aber die Sonne nicht auf einen Solarthermiekollektor strahlt.
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Verfahrensgemäß kann der zweite Wärmeerzeuger einen oder keinen geforderten zweiten Mindestvolumenstrom an Wärmeträgermedium bei Aktivierung aufweisen. Die Anpassung der Pumpenleistung führt in beiden Fällen zu einem optimierten Wirkungsgrad und schützt vor Schäden der Wärmeerzeuger.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Fluidkreislauf, in dem ein Wärmeträgermedium zirkulierbar ist und in dem seriell hintereinander ein aktivierbarer erster Wärmeerzeuger, der einen geforderten Mindestvolumenstrom an Wärmeträgermedium bei Aktivierung aufweist, ein aktivierbarer zweiter Wärmeerzeuger, eine Förderpumpe und eine Wärmetauschervorrichtung liegen. Dabei ist die Wärmetauschervorrichtung durch einen Bypass mit einem Überströmventil überbrückt. Eine Regeleinheit ist mit den Wärmeerzeugern derart verbunden, dass deren Betriebszustand erfassbar ist. Außerdem weist die Förderpumpe eine variable Förderleistung auf, wobei die Regeleinheit derart mit der Förderpumpe verbunden ist, dass in Abhängigkeit des höchsten geforderten Mindestvolumenstroms der aktivierten Wärmeerzeuger die Förderleistung der Förderpumpe anpassbar ist.
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Ein solcher Fluidkreislauf hat dieselben Vorteile wie das zuvor beschriebene Verfahren, insbesondere ist solch ein Fluidkreislauf zur Durchführung des Verfahrens geeignet. Es können mit dem Fluidkreislauf die unterschiedlichen hydraulischen Anforderungen der Wärmeerzeuger, insbesondere deren geforderte Mindestvolumenströme berücksichtigt werden. Hierdurch ist der Wirkungsgrad des Fluidkreislaufs hoch. Zur Bestimmung der Betriebszustände der Wärmeerzeuger können Sensoren vorgesehen sein oder eine Regeleinheit zum Betrieb der Wärmeerzeuger wird mit der Regeleinheit der Förderpumpe kommunizierend verbunden. Die Förderpumpe kann entsprechend von einer eigenen Regeleinheit angesteuert werden. Alternativ kann eine einzige Regeleinheit mit den Wärmeerzeugern und der Förderpumpe regelnd verbunden sein. Die erforderlichen Komponenten sind jeweils günstig in der Anschaffung und auch eine Nachrüstung von bestehenden Fluidkreisläufen ist einfach. Die unterschiedlichen zuvor beschriebenen Verfahrensausprägungen können von der oder den Regeleinheiten umgesetzt werden.
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Der erfindungsgemäße Fluidkreislauf kann auch bevorzugte weitere technische Merkmale zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens aufweisen. Die erzielbaren Vorteile von Fluidkreislauf und dem zugehörigen Verfahren entsprechen sich bei derartigen Ergänzungen.
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In einer speziellen Fortbildung des Fluidkreislaufs ist das Überströmventil von der Regeleinheit ansteuerbar und der notwendige Differenzdruck zum Öffnen des Überströmventils einstellbar. Damit kann auch auf Seiten des Überströmventils auf den geforderten Mindestvolumenstrom reagiert werden. So kann unter anderem bei Veränderung der hydraulischen Parameter wie der Pumpenleistung, der Betriebszustände der Wärmeerzeuger oder dem von der Wärmetauschervorrichtung abgenommenen Volumenstrom eine kurzfristige Unterschreitung des Mindestvolumenstroms verhindert werden. Äquivalent kann das erfindungsgemäße Verfahren dadurch ergänzt sein, dass der notwendige Differenzdruck zum Öffnen des Überströmventils in Abhängigkeit der Aktivierung der Wärmeerzeuger und/oder der Förderleistung der Förderpumpe und/oder dem von der Wärmetauschervorrichtung abgenommenen Volumenstrom verändert wird.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen 1 einen Fluidkreislauf 1 mit zwei Wärmeerzeugern 10, 20. In dem Fluidkreislauf 1 sind seriell hintereinander die besagten zwei Wärmeerzeuger 10, 20, eine Förderpumpe 30 mit variabler Förderleistung und eine Wärmetauschervorrichtung 40 angeordnet. Der erste Wärmeerzeuger 10 ist eine aktivierbare Wärmepumpe 11 und weist einen geforderten Mindestvolumenstrom V1 an Wärmeträgermedium M bei Aktivierung auf. Der zweite Wärmeerzeuger 20 ist ebenfalls aktivierbar und weist einen zweiten geforderten Mindestvolumenstrom V2 an Wärmeträgermedium M bei Aktivierung auf. Er kann exemplarisch als fossil befeuert angesehen werden. Weiterhin ist die Wärmetauschervorrichtung 40 durch einen Bypass 50 mit einem Überströmventil 51 überbrückt. Die Überbrückung umfasst dabei ausschließlich die Wärmetauschervorrichtung 40. Sie umfasst jedoch nicht die Förderpumpe 30 oder einen der Wärmeerzeuger 10, 20.
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Außerdem ist eine zentrale Regeleinheit 60 vorhanden, die mit den Wärmeerzeugern 10, 20, der Förderpumpe 30 und einem Volumenstromsensor 70 verbunden ist. Auf diese Weise sind die Betriebszustände der Wärmeerzeuger 10, 20 nicht nur erfassbar, sondern sie sind durch die Regeleinheit 60 vorgebbar. Auch die Förderleistung der Förderpumpe 30 ist durch die Regeleinheit 60 einstellbar. Der Volumenstromsensor 70 sitzt wiederum außerhalb der Überbrückung mit dem Bypass 50, sodass im Bereich der Wärmeerzeuger 10, 20, der Förderpumpe 30 und dem Volumenstromsensor 70 ein einheitlicher Volumenstrom vorliegt, der sich erst im Bereich des Bypasses 50 und der Wärmetauschervorrichtung 40 aufsplittet.
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In dem Fluidkreislauf 1 ist ein Wärmeträgermedium M zirkulierbar, insbesondere durch Aktivierung der Förderpumpe 30. Mittels der Regeleinheit 60 ist in Abhängigkeit des höchsten geforderten Mindestvolumenstroms V1, V2 der aktivierten Wärmeerzeuger 10, 20 die Förderleistung der Förderpumpe 30 anpassbar.
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In gezeigter Variante ist das Überströmventil 51 federbelastet und die Federkraft manuell veränderbar, wodurch der notwendige Differenzdruck P1 zum Öffnen des Überströmventils 51 verstellbar ist.
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Ein abgenommener Volumenstrom VT an Wärmeträgermedium M durch die Wärmetauschervorrichtung 40 ist mittels wenigstens eines Ventils veränderbar. Die Wärmetauschervorrichtung 40 ist lediglich abstrakt dargestellt. Sie kann dabei z.B. mehrere parallel und/oder in Reihe geschaltete einzelne Wärmetauscher und mehrere Ventile aufweisen.
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Mit einem solchen Fluidkreislauf 1 ist nunmehr das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar, bei dem die Betriebszustände des ersten und zweiten Wärmeerzeugers 10, 20 erfasst werden und eine Anpassung der Förderleistung der Förderpumpe 30 in Abhängigkeit des höchsten geforderten Mindestvolumenstroms V1, V2 der aktivierten Wärmeerzeuger 10, 20 erfolgt. Es kommt dann zu einem Überströmen des Überströmventils 51 mit dem Wärmeträgermedium M, wenn der höchste geforderte Mindestvolumenstrom V1, V2 der aktivierten Wärmeerzeuger 10, 20 größer ist als der von der Wärmetauschervorrichtung 40 abgenommene Volumenstrom VT. Der geforderte Mindestvolumenstrom V1, V2 kann dabei mit der Temperierungsleistung der Wärmeerzeuger 10, 20 korrelieren.
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Es können verfahrensgemäß kein, ein oder mehrere Wärmeerzeuger 10, 20 durch die Regeleinheit 60 aktiviert und das Wärmeträgermedium M wahlweise erwärmt oder gekühlt werden.
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Weiterhin ist die Förderleistung der Förderpumpe 30 mittels einer Volumenstrommessung des Wärmeträgermediums M mit dem Volumenstromsensor 70 messbar und kann auf einen Zielwert geregelt werden, der größer oder gleich dem höchsten geforderten Mindestvolumenstrom V1, V2 der aktivierten Wärmeerzeuger 10, 20 ist.
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Ergänzend kann die Förderleistung der Förderpumpe 30 auf einen Differenzdruck dP über dem Überströmventil 51 geregelt werden, der kleiner ist als der notwendige Differenzdruck P1 zum Öffnen des Überströmventils 51, wenn keiner der aktivierten Wärmeerzeuger 10, 20 einen Mindestvolumenstrom V1, V2 aufweist.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. So kann die Erfindung derart weitergebildet sein, dass das Überströmventil 51 von der Regeleinheit 60 ansteuerbar und der notwendige Differenzdruck P1 zum Öffnen des Überströmventils 51 hierdurch einstellbar ist.
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Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluidkreislauf
- 10
- erster Wärmeerzeuger
- 11
- Wärmepumpe
- 20
- zweiter Wärmeerzeuger
- 30
- Förderpumpe
- 40
- Wärmetauschervorrichtung
- 50
- Bypass
- 51
- Überströmventil
- 60
- Regeleinheit
- 70
- Volumenstromsensor
- dP
- Differenzdruck
- M
- Wärmeträgermedium
- P1
- notwendiger Differenzdruck
- V1
- geforderter Mindestvolumenstrom
- V2
- geforderter Mindestvolumenstrom
- VT
- abgenommener Volumenstrom
