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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage mit mindestens zwei Pumpen.
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Mehrpumpenanlagen werden unter anderem in Heizungskreisläufen eingesetzt, um zu Spitzenzeiten den Bedarf an Heizungswasser zu decken. Es ist möglich, verschiedene hydraulische Arbeitspunkte mit einer unterschiedlichen Anzahl an Pumpen anzufahren. Je nach Anzahl der laufenden Pumpen stellt sich eine elektrisch aufgenommene Gesamtleistung ein. Um den Gesamtwirkungsgrad der Anlage zu optimieren, muss die Anlage für einen Arbeitspunkt immer die Anzahl der laufenden Pumpen so auswählen, dass die hydraulische Leistung, welche durch den Arbeitspunkt gegeben ist, mit der geringsten elektrischen Leistung erzeugt wird.
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Moderne Mehrpumpenanlagen werden durch Veränderung der Drehzahl auf einen konstanten Enddruck bzw. auf einen vorgegebenen variablen Enddruck geregelt.
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Dabei sind unterschiedliche Steuerungskonzepte bekannt. Bei einem Steuerungskonzept werden die Pumpen über den gesamten Regelbereich zur Deckung des benötigten Förderstroms synchron betrieben, d. h. mit gleicher Drehzahl.
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Bei einem anderen Konzept wird zunächst nur eine Pumpe zur Deckung des geforderten Förderstroms verwendet. Sobald diese Pumpe ihre maximale Drehzahl erreicht hat, wird eine weitere Pumpe zugeschaltet. Dabei läuft die erste Pumpe mit maximaler Drehzahl weiter.
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In der
EP 0 864 755 B2 wird ein Verfahren zum Betrieb einer Doppelpumpe beschrieben, bei dem im Doppelbetrieb beide Pumpen mit einer synchronen Drehzahl laufen. Die
EP 1 323 986 B1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern einer drehzahlregelbaren Heizungsumwälzpumpe. Die Drehzahl der Pumpe ist längs einer Regelkurve veränderbar. Die Regelkurve wird in Abhängigkeit des Wärmebedarfs der Heizungsanlage angepasst. Als Maß für den Wärmebedarf wird der Rohrnetzwiderstand der Heizungsanlage herangezogen. Die Pumpe wird zur Ermittlung einer flachen und einer steilen Rohrnetzkennlinie nacheinander mit mindestens zwei unterschiedlichen Drehzahlen angesteuert. Die Regelkurve wird anhand dieser ermittelten Rohrnetzkennlinien festgelegt.
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In der
EP 2 469 094 A2 wird ein Verfahren zum Betrieb eines Pumpenaggregats beschrieben. Das Pumpenaggregat umfasst eine Grundlastpumpe und eine Spitzenlastpumpe. Die Spitzenlastpumpe wird bedarfsweise zugeschaltet. Dabei wird das Pumpenaggregat auf einer vorgegebenen Regelkennlinie gefahren. In Abhängigkeit eines oberen und eines unteren Grenzwertes wird das Pumpenaggregat entweder mit zwei oder einer Pumpe betrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage mit mindestens zwei Pumpen zur Verfügung zu stellen, das einen energieeffizienten Betrieb ermöglicht. Dabei sollen Druckschwankungen weitgehend verhindert werden. Das Verfahren soll mit einem möglichst geringen Aufwand anzuwenden sein und zuverlässig arbeiten. Weiterhin soll das Verfahren in möglichst kurzer Zeitdauer den effizientesten Betriebszustand ermitteln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zunächst die Leistungsaufnahme einer ersten Anzahl an Pumpen ermittelt wird. Dabei stellt sich ein Betriebspunkt ein. In diesem Betriebspunkt wird die elektrisch aufgenommene Leistung aller Pumpen erfasst. In einem nächsten Schritt wird die Anzahl der zugeschalteten Pumpen verändert und die Gesamtleistungsaufnahme dieser neuen Anzahl an Pumpen ermittelt. Dieser Vorgang wird mit unterschiedlichen Anzahlen an Pumpen wiederholt, so dass alle Möglichkeiten abgedeckt werden, also von einem Betrieb mit nur einer Pumpe bis im Bedarfsfall zu einem Betrieb mit der maximal möglichen Anzahl an Pumpen, die in der Anlage installiert sind. Durch einen Vergleich der Leistungsaufnahmen wird die Anzahl an Pumpen mit der geringeren Gesamtleistungsaufnahme ausgewählt. Von einer Einheit zur Steuer- und/oder Regelung wird die Anzahl an Pumpen ermittelt, bei der der Gesamtwirkungsgrad am höchsten ist und die geringste elektrische Gesamtleistung benötigt wird.
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Wird bei der neuen Anzahl an Pumpen eine geringere elektrische Energie benötigt, so wird diese Anzahl beibehalten. Wird mehr Energie benötigt, dann schaltet die Einheit die Anlage auf die vorherige Anzahl an Pumpen zurück. Die Einheit speichert die Pumpenanzahl, bei der die Anlage am energieeffizientesten betrieben wird. Dadurch ist die Einheit in der Lage, jede Mehrpumpenanlage bezüglich Ihrer Energieeffizienz zu optimieren, ohne dass eine Parametrierung durchgeführt werden muss.
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Bei dem Verfahren wird überwacht, ob der Betriebspunkt stationär ist, oder ob sich dieser verändert. Nur in dem Fall eines stationären Betriebspunktes wird eine Umschaltung der Pumpenanzahl durchgeführt. Hierdurch kann die Anlagenkennlinie als konstant angesehen werden. Durch den geschlossenen Regelkreis und die als konstant angesehene Anlagenkennlinie, wird sich der gleiche hydraulische Betriebspunkt einstellen. Der effizientere Anlagenzustand ist derjenige, der die geringere elektrische Leistungsaufnahme aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine energetische Optimierung, ohne dass der Förderstrom messtechnisch erfasst werden muss.
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Um einen stationären Betriebspunkt zu erkennen, kann der Betriebspunkt mittels einer Zeit- und Leistungshysterese überwacht werden. Das Betriebsverhalten wird von einer Einheit der Anlage erfasst. Befindet sich die Leistungsaufnahme während der gesamten Zeithysterese innerhalb einer definierten Leistungshysterese, kann davon ausgegangen werden, dass sich die Anlagenkennlinie und somit der Betriebspunkt nicht verändert haben.
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Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung werden die Drehzahlen bei der neuen Anzahl an Pumpen so verändert, dass der Förderdruck konstant bleibt. Bei Hinzuschalten einer weiteren Pumpe werden die Drehzahlen der Pumpen so weit herabgesetzt, dass der gleiche Förderdruck wie bei der vorherigen Anzahl erreicht wird.
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Bei einer Variante der Erfindung werden alle Pumpen mit der gleichen Drehzahl betrieben. Je mehr Pumpen zugeschaltet werden desto geringer ist deren Drehzahl.
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Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung wird der Förderstrom mittels eines Sensors erfasst, der mit der Einheit in Verbindung steht. Erfindungsgemäß ist die Einheit dazu eingerichtet, Pumpen zu- bzw. abzuschalten und die Drehzahl der Pumpen in Abhängigkeit des Förderstroms so zu verändern, dass die Anlage stets im gleichen Betriebspunkt arbeitet. Die Leistungsaufnahmen werden von der Einheit gespeichert. Die Einheit vergleicht die ermittelten Leistungsaufnahmen und wählt die optimale Anzahl an Pumpen aus.
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Mit mindestens einem Durchflusssensor kann der Betriebspunkt der Anlage überwacht werden. Liegt der Förderstrom innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs kann daraus geschlossen werden, dass sich der Betriebspunkt nicht geändert hat. Kommt es zu großen Änderungen des Förderstroms werden die Leistungsaufnahmen der Pumpen erneut von der Einheit erfasst, um Daten zu dem neuen Betriebspunkt zu ermitteln.
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Sobald sich ein stabiler Betriebspunkt eingestellt hat, führt die Einheit ihr Programm durch und ermittelt für alle Möglichkeiten die Gesamtleistungsaufnahmen der jeweils zugeschalteten Pumpen, um den energieeffizientesten Betriebszustand bei diesem Betriebspunkt zu ermitteln.
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Alternativ und/oder ergänzend zum Einsatz eines Sensors zur Ermittlung des Förderstroms kann die Einheit die Leistungsaufnahmen während einer definierten Zeitspanne überwachen. Befinden sich die Leistungsaufnahmen während der gesamten Zeithysterese in einer definierten Leistungshysterese, kann darauf geschlossen werden, dass sich die Kennlinie und somit der Betriebspunkt nicht verändert haben. Ist von einem stabilen Betriebspunkt auszugehen, werden eine unterschiedliche Anzahl an Pumpen zu- bzw. abgeschaltet und deren Leistungsaufnahmen ermittelt.
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Ergänzend oder alternativ kann von der Einheit auch der Förderdruck mittels Sensoren erfasst werden und als Regelgröße herangezogen werden.
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Vorzugsweise werden bei der Anlage baugleiche Pumpen eingesetzt, die mit baugleichen Motoren betrieben werden. Als günstig erweist es sich zudem, baugleiche Frequenzumrichter einzusetzen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt
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1 eine Druckerhöhungsanlage mit mehreren Pumpen,
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2 ein Leistung-Förderstrom-Diagramm.
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1 zeigt eine Druckerhöhungsanlage, die mehrere parallel geschaltete Pumpen 1 umfasst. Im Ausführungsbeispiel werden dabei Kreiselpumpen eingesetzt. Jede Pumpe 1 wird von einem Motor 2 angetrieben, der mit einem Frequenzumrichter 3 in Verbindung steht. Im Ausführungsbeispiel sind alle Pumpen 1 baugleich. Auch werden baugleiche Motoren 2 und baugleiche Frequenzumrichter 3 eingesetzt.
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Die Druckerhöhungsanlage verfügt über einen Hauptschalter 4. Eine Einheit 5 erfasst die Signale von Sensoren 6 der Anlage. Weiterhin steht die Einheit 5 mit Aktoren der Anlage in Verbindung. Bei der Einheit 5 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um eine Automatisierungseinheit. Diese kann als Steuer- und/oder Regeleinrichtung ausgeführt sein.
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Die Einheit 5 ist dazu eingerichtet eine unterschiedliche Anzahl an Pumpen 1 zu- bzw. abzuschalten. Mittels der Frequenzumrichter 3 erfasst die Einheit 5 die elektrische Leistung der jeweiligen Pumpe 1. Je nach Anzahl der laufenden Pumpen 1 stellt sich eine elektrisch aufgenommene Gesamtleistung des Systems ein.
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Die Einheit 5 ermittelt die Gesamtleistungsaufnahme einer ersten Anzahl an Pumpen 1. Dann wird die Anzahl der zugeschalteten Pumpen 1 verändert und die Gesamtleistungsaufnahme der neuen Anzahl an Pumpen ermittelt. Erfindungsgemäß passt die Einheit 5 den Betriebspunkt bei der neuen Anzahl an Pumpen 1 an den Betriebspunkt mit der vorherigen Anzahl an Pumpen 1 an, um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Dazu ändert die Einheit 5 die Drehzahlen der Pumpen 1.
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Vorzugsweise werden die Drehzahlen der Pumpen 1 anhand des Förderdrucks als konstant zu haltender Führungsgröße geregelt. Daher kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne Durchflusssensor durchgeführt werden. Der Förderdruck wird von Sensoren 6 gemessen. Werden Pumpen 1 zugeschaltet, so senkt die Einheit 5 die Drehzahl der Pumpen 1 so weit ab, dass der gleiche Förderdruck wie bei der vorherigen Anzahl an Pumpen 1 erreicht wird. Die Drehzahlen der Pumpen 1 werden mittels der Frequenzumrichter 3 eingestellt.
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Die Einheit 5 vergleicht die Gesamtleistungsaufnahme der neuen Anzahl an Pumpen 1 mit der Gesamtleistungsaufnahme der vorherigen Anzahl an Pumpen 1. Die Einheit 5 verfügt über einen elektronischen Datenspeicher, in dem die Gesamtleistungsaufnahmen der unterschiedlichen Anzahl an Pumpen 1 hinterlegt werden. Es wird ein Vergleich der unterschiedlichen Leistungsaufnahmen durchgeführt. Die Anlage wird auf die Anzahl an Pumpen 1 mit der geringsten elektrischen Gesamtleistungsaufnahme eingestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine Mehrpumpenanlage äußerst energieeffizient zu betreiben. Für das Verfahren ist keine Parametrierung erforderlich, da es selbstlernend ist.
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Die Anlage speichert die angefahrenen Zustände und kann nach einer Erlernungsphase die energieeffizientesten Bedingungen einstellen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Anlage auf einen konstanten Druck geregelt. Bei einer Änderung des Solldrucks würde sich der optimale Umschaltpunkt verschieben. Dann müsste die Einheit 5 erneut ein Energieoptimierungsverfahren durchführen.
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2 zeigt ein Diagramm, in dem die elektrischen Gesamtleistungsaufnahmen der Pumpen 1 in Abhängigkeit des Förderstroms aufgetragen sind. Die durchgezogene Linie zeigt die Gesamtleistungsaufnahme einer Pumpe 1. Die gestrichelte Linie zeigt die Gesamtleistungsaufnahme zwei parallel laufender Pumpen 1.
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Wird die Anlage gestartet so regelt zunächst eine Pumpe 1 den Soldruck aus. Die Anlage befindet sich in einem Zustand P1. Während dieses Zustands läuft eine Pumpe 1 der Anlage und fördert einen Volumenstrom von ca. 7 m3/h. Die Leistungsaufnahme dieses ersten Zustandes P1 beträgt ca. 900 W und wird von der Einheit 5 erfasst. Nun schaltet die Einheit 5 eine zweite Pumpe 1 hinzu. Unter der Annahme einer gleichbleibenden Anlagenkennlinie und einem konstanten Förderdruck bleibt der Betriebspunkt gleich, so dass sich auch der gleiche Förderstrom einstellt. Im Beispiel wird somit auch im Zustand P2 ein Volumenstrom von 7 m3/h gefördert. Dazu wird die Drehzahl beider Pumpen 1 synchron so weit reduziert, dass sich der gleiche Förderdruck und somit der gleiche Volumenstrom einstellt. Im Ausführungsbeispiel ist bei einem Volumenstrom von 7 m3/h die Leistungsaufnahme mit zwei Pumpen 1 im Zustand P2 geringer als die Leistungsaufnahme mit einer Pumpe 1 im Zustand P1. Im Zustand P2 beträgt die Gesamtleistungsaufnahme beider Pumpen ca. 760 W. Die Einheit 5 erkennt, dass es bei einem Volumenstrom von 7 m3/h günstiger ist die Anlage mit zwei Pumpen 1 zu betreiben. Die Werte werden von der Einheit gespeichert.
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Im Ausführungsbeispiel wird in einem nächsten Schritt die Anlagenkennlinie verändert. Es stellt sich neuer Betriebspunkt ein. Von der Einheit wird dadurch ein Arbeitsbereich mit unterschiedlichen Abschnitten erlernt.
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Im Ausführungsbeispiel findet ein Übergang von einem Zustand P2 zu einem Zustand P3 statt. Bei diesem Zustand P3 wird die Anlage mit zwei Pumpen 1 bei einem Volumenstrom von 2,5 m3/h betrieben. Die Gesamtleistungsaufnahme der beiden Pumpen 1 beträgt 325 W. Nun wird eine Pumpe abgeschaltet, so dass die Anlage nur mit einer Pumpe 1 einen Volumenstrom von 2,5 m3/h fördert. Dabei stellt sich ein Zustand P4 ein. Die Drehzahl dieser Pumpe 1 wird so weit erhöht, dass sich ein Volumenstrom von 2,5 m3/h einstellt. Im Zustand P4 wird dabei der gleiche Volumenstrom gefördert wie im Zustand P3 allerdings nur mit einer Pumpe 1. Die Leistungsaufnahme der Pumpe 1 beträgt 250 W. Somit wird bei diesem Volumenstrom mit einer Pumpe 1 eine geringere elektrische Gesamtleistungsaufnahme benötigt als mit zwei Pumpen 1.
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Nun öffnet sich in einem nächsten Schritt die Anlage leicht und es findet ein Übergang von einem Zustand P4 zu einem Zustand P5 statt. Der Volumenstrom nimmt von 2,5 m3/h auf 3,5 m3/h zu. Dabei wird von der Einheit eine elektrische Leistungsaufnahme von 375 W erfasst. Nun wird die zweite Pumpe hinzu geschaltet. Gleichzeitig wird die Drehzahl der beiden Pumpen 1 synchron reduziert, so dass der Volumenstrom konstant bei 3,5 m3/h bleibt.
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Es stellt sich ein Zustand P6 ein. Die Gesamtleistungsaufnahme der beiden Pumpen 1 im Zustand P6 beträgt 400 W und ist damit größer, als wenn nur eine Pumps 1 einen Volumenstrom von 3,5 m3/h erzeugt. Somit ist in diesem Bereich der Betrieb mit einer Pumpe 1 günstiger. Es erfolgt daher ein Rückschalten der Anlage auf einen Betrieb mit nur einer Pumpe 1, so dass die Anlage wieder im Zustand P5 gefahren wird.
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In einem nächsten Schritt wird nun bei einem Betrieb mit nur einer Pumpe 1 der Volumenstrom gesteigert. Die Anlage wird weiter geöffnet und es findet ein Übergang von einem Zustand P5 zu einen Zustand P7 statt. Die Leistungsaufnahme mit nur einer Pumps bei einem Volumenstrom von 6 m3/h beträgt 700 W. Nun wird die zweite Pumpe zugeschaltet, wobei auch hier der Volumenstrom konstant gehalten wird und somit die Drehzahl der beiden Pumpen reduziert wird. Die Regelgröße ist dabei der Förderstrom, der in Abhängigkeit der Drehzahl als Stellgröße konstant gehalten wird. Es stellt sich nun ein Zustand P8 ein mit einer Gesamtleistungsaufnahme beider Pumpen 1 von 610 W. Somit ist in Bereich dieses Volumenstromes der Betrieb mit zwei Pumpen 1 günstiger.
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Durch das Verfahren können Kennlinien schnell und zuverlässig ermittelt werden. Bis zu einem bestimmten Förderstrom ist der Betrieb der Anlage mit einer Pumpe 1 günstiger. Im Ausführungsbeispiel liegt der Schnittpunkt bei 5 m3/h. Oberhalb dieses Schnittpunkts ist ein Betrieb der Anlage mit zwei Pumpen 1 günstiger.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0864755 B2 [0006]
- EP 1323986 B1 [0006]
- EP 2469094 A2 [0007]
