DE102017203960A1

DE102017203960A1 - Verfahren zum Betrieb einer Umwälzpumpe sowie Umwälzpumpe zur Verfahrensausführung

Info

Publication number: DE102017203960A1
Application number: DE102017203960.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Eckl; Patrick Hauck; Stefan Laue; Joachim Schullerer
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2018-09-13
Also published as: RU2019131527A; CN110382872B; RU2019131527A3; EP3592980A1; EP3592980B1; RU2766499C2; WO2018162291A1; CN110382872A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Umwälzpumpe, insbesondere einer Heizungsumwälzpumpe, mit einem drehzahlvariablen Pumpenantrieb, wobei die Pumpensteuerung den aktuellen Betriebspunkt der Pumpe modifiziert, um die Geräuschemission der Pumpe zu reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Umwälzpumpe, insbesondere einer Heizungsumwälzpumpe, die sich durch einen drehzahlvariablen Pumpenantrieb auszeichnet.
Die akustischen Eigenschaften spielen beim Kauf einer Heizungsumwälzpumpe eine wichtige Rolle. Im ungünstigsten Fall können Betriebsgeräusche der Pumpe über das Rohrleitungssystem bis in die Wohnräume übertragen werden, was Bewohner in der Regel als störend empfinden. Aus diesem Grund ist eine möglichst geringe Geräuschemission der Pumpe im laufenden Betrieb wünschenswert.
Die Geräuschemission der Pumpe ist jedoch variabel und hängt vom aktuellen Betriebspunkt der Pumpe ab. Der Betriebspunkt stellt den Schnittpunkt zwischen Regelkennlinie und Anlagenkennlinie dar. Die Pumpe fördert in diesem Betriebspunkt einen bestimmten Förderstrom mit einer bestimmten Förderhöhe. Der Pumpenbetriebspunkt lässt sich durch Einstellung der Motordrehzahl variieren. Die resultierende Geräuschemission nimmt jedoch nicht zwingend mit steigender Drehzahl zu, da Eigenschwingungen der Pumpe in Verbindungen mit Schwingungen im Leitungssystem zur Geräuschentwicklung beitragen. Aus diesem Grund kann es vorkommen, dass die Pumpe in gewissen Betriebspunkten vergleichsweise geräuschlos arbeitet, während andere Betriebspunkte, gegebenenfalls auch mit niedriger Drehzahl, zu störenden Geräuschemissionen führen können.
Gesucht wird daher nach einer Lösung, die die resultierende Geräuschentwicklung der Pumpe zumindest bei Bedarf reduziert, sodass störende Geräusche im Wohnraum soweit wie möglich unterdrückt werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betrieb einer Umwälzpumpe vorgeschlagen, bei dem die Pumpensteuerung den aktuell eingestellten Betriebspunkt der Pumpensteuerung dahingehend modifiziert, um die Geräuschemission der Pumpe zu reduzieren. Bei der Umwälzpumpe handelt es sich typischerweise um eine Kreiselpumpe. Die Pumpenregelung legt zunächst die notwendige Stellgröße für die Motordrehzahl in Abhängigkeit der erforderlichen Soll-Förderhöhe fest. Im Anschluss wird der zunächst definierte Betriebspunkt durch die Pumpensteuerung auf resultierende Geräuschemission der Pumpe geprüft und bei Bedarf eine Anpassung des Betriebspunktes ausgeführt, um die Geräuschemission der Pumpe zu reduzieren. Es kommt demzufolge zu einer geringfügigen Verschiebung des Pumpenbetriebspunktes.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Pumpensteuerung die Drehzahl für den bestimmten Betriebspunkt der Pumpe modifiziert, um die Geräuschemission zu reduzieren. In der Regel wird die Drehzahl erhöht. Besonders bevorzugt wird diese soweit erhöht, bis sich die gewünschte Geräuschemission einstellt bzw. sich eine ausreichende Reduzierung der Betriebslautstärke ergibt. Eine Anhebung der Drehzahl ist zweckmäßig, da hierdurch weiterhin eine ausreichende Soll-Förderhöhe gewährleistet ist. Der durch die Drehzahlerhöhung bedingte höhere Energieverbrauch wird im Hinblick auf eine verringerte Geräuschemission in Kauf genommen.
Für die Bewertung der Geräuschemission im aktuellen Betriebspunkt ist es besonders vorteilhaft, wenn die Pumpensteuerung Zugriff auf wenigstens ein akustisches Referenzkennfeld hat, das eine Zuordnung der Geräuschemission der Pumpe zu einer Vielzahl an unterschiedlichen Betriebspunkten umfasst. Aus dem Kennfeld kann die Pumpensteuerung demzufolge die theoretische Geräuschemission für den jeweiligen Betriebspunkt entnehmen. Diese Vorgehensweise ist sinnvoll, da sich die tatsächliche Geräuschemission in der Praxis nicht oder nur unter enormen Aufwand messen lässt oder aber die Integration einer geeigneten Sensorik wirtschaftlich unpraktikabel ist. Eine Lösung mit direkter Messung der Geräuschemission durch eine integrierte Sensorik soll durch die Erfindung jedoch nicht ausgeschlossen sein.
Das akustische Referenzfeld soll vorzugsweise innerhalb eines lokalen Speichers der Pumpensteuerung hinterlegt sein. Denkbar ist auch der Zugriff auf einen externen Speicher mittels geeigneter Kommunikationsschnittstelle.
Auf Grundlage des akustischen Referenzkennfeldes kann die Pumpensteuerung die resultierende Geräuschemission der Pumpe abschätzen und - sofern diese als zu hoch eingestuft wird, bspw. über einem definierbaren Grenzwert liegt - durch Drehzahlanhebung eine Verbesserung der Geräuschemission bewirken. Besonders bevorzugt wird die Drehzahl der Pumpe solange angehoben, bis ein Betriebspunkt des akustischen Referenzkennfeldes mit geringerer bzw. ausreichend niedriger Geräuschemission erreicht wird.
Denkbar ist es, wenn das akustische Referenzkennfeld ausschliesslich oder vorwiegend Betriebspunkte mit ungünstiger Geräuschemission enthält. In diesem Fall nimmt die Pumpensteuerung eine Modifikation der Drehzahl nur dann vor, wenn der ursprünglich eingestellte Betriebspunkt mit einem im Referenzkennfeld enthaltenen Betriebspunkt übereinstimmt.
Das benötigte akustische Referenzkennfeld wird beispielsweise vom Hersteller der Pumpe mithilfe einer Referenzpumpe ermittelt und vor Auslieferung der Pumpen in einem lokalen Speicher der Pumpensteuerung hinterlegt. Da es in der Praxis oftmals zu Fertigungstoleranzen und damit zu Abweichungen des Betriebsverhaltens zwischen einzelnen Pumpen gleicher Baureihen kommen kann, spiegelt das verwendete akustische Referenzkennfeld das tatsächliche akustische Verhalten der jeweiligen Pumpe unter Umständen nur unzureichend wieder. Auch können die vorliegenden Montagebedingungen am Einsatzort der Pumpe Einfluss auf die Genauigkeit des Referenzkennfeldes haben.
Um der Pumpensteuerung einen Indikator für die Genauigkeit des akustischen Referenzkennfeldes hinsichtlich des realen akustischen Verhaltens der Pumpe an die Hand zu geben, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Pumpensteuerung Zugriff auf ein sogenanntes Vergleichsreferenzkennfeld hat, das für eine Vielzahl an Betriebspunkten der Pumpe eine vom Betriebspunkt abhängige und messbare Pumpenbetriebsgröße darstellt. Diese Pumpenbetriebsgröße lässt sich im laufenden Pumpenbetrieb messtechnisch exakt erfassen. Abweichungen der gemessenen Pumpenbetriebsgröße zur enthaltenen Pumpenbetriebsgröße des Vergleichsreferenzkennfeldes im jeweiligen Betriebspunkt dienen als Indikator für eine mögliche Abweichung bzw. Verschiebung des akustischen Referenzkennfeldes vom realen akustischen Verhalten der Pumpe.
Als geeignete Betriebsgröße erweist sich die Messung der Beschleunigung des geförderten Mediums und/oder des angetriebenen Pumpenlaufrades und/oder des Pumpengehäuses. Die Beschleunigung lässt sich mittels eines geeigneten Sensors der Pumpe messtechnisch entweder unmittelbar oder mittelbar anhand anderweitiger Messgrößen ableiten. Wird die Beschleunigung des Pumpengehäuses gemessen, so sollte diese möglichst in unmittelbarer Nähe zum Pumpenlaufrad erfasst werden.
Die Höhe des Differenzwertes zwischen gemessener Beschleunigung und Referenzbeschleunigung ist ein Hinweis auf eine Verschiebung der akustischen Referenzkennlinie von der realen akustischen Kennlinie der Pumpe im laufenden Pumpenbetrieb. Der Grad der Verschiebung wird von der Pumpensteuerung bei der Modifikation des Betriebspunktes, d.h. der Anhebung der Pumpendrehzahl berücksichtigt.
Wie bereits vorstehend erläutert wurde, wird durch die Verfahrensausführung eine Optimierung der Geräuschemission erreicht, aufgrund der Drehzahlerhöhung jedoch auf Kosten eines höheren Energieverbrauchs. Um hier dem Verbraucher die Entscheidung für die Priorisierung zwischen Energiebilanz und Geräuschemission zu überlassen, kann die Verfahrensausführung mittels eines Eingabeelementes vom Verbraucher manuell aktiviert oder deaktiviert werden. Denkbar ist es auch, die Verfahrensausführung an bestimmte äußere Umstände zu koppeln, beispielsweise an die Tageszeit oder an eine sonstige automatische Anlagensteuerung einer Heizungsanlage.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die vorliegende Aufgabe auch durch eine Umwälzpumpe, insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe, mit einer entsprechenden Pumpensteuerung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst. Für die Umwälzpumpe ergeben sich dementsprechend dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie bereits vorstehend bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
Bei der Umwälzpumpe handelt es sich typischerweise um eine Kreiselpumpe. Die erfindungsgemäße Umwälzpumpe umfasst vorzugsweise einen geeigneten Sensor zur Erfassung der Pumpenbetriebsgröße des Vergleichsreferenzkennfeldes, insbesondere einen Beschleunigungssensor, der an geeigneter Position am Pumpengehäuse angebracht ist und die erfahrene Beschleunigung des Fördermediums und/oder des Laufrades während des Pumpenbetriebs erfasst. Wird die Beschleunigung des Pumpengehäuses gemessen, so sollte diese möglichst in unmittelbarer Nähe zum Pumpenlaufrad erfasst werden, d.h. der Sensor sollte in unmittelbarer Nähe zum Laufrad am Pumpengehäuse angebracht sein.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

1: ein exemplarisches akustisches Referenzkennfeld der erfindungsgemäßen Umwälzpumpe mit unterschiedlichen Betriebspunkten und
2: eine Skizze zur Verdeutlichung des Prinzips des Schleichbetriebes der erfindungsgemäßen Umwälzpumpe.

Die vorliegende Erfindung schlägt die Implementierung eines Schleichbetriebes für eine Heizungsumwälzpumpe vor. Diese Funktion kann der Endverbraucher über ein zugängliches Drehrad der Pumpe bei Bedarf aktivieren.
Für die Umsetzung des Schleichbetriebs bzw. die entsprechende Implementierung innerhalb einer Pumpensteuerung wird noch während der Entwicklungsphase der Umwälzpumpe deren akustische Emission in unterschiedlichen Betriebspunkten auf einem geeigneten Prüfstand erfasst. Sinnvoll ist die Verwendung einer Referenzpumpe für die Erzeugung der Referenzkennfelder. Auf dem Prüfstand werden viele Betriebspunkte angefahren und die Betriebslautstärke der Referenzpumpe in den jeweiligen Betriebspunkten erfasst. Die Zuordnung zwischen Betriebspunkten und Lautstärkewerten wird als Matrix gespeichert und im Folgenden als akustisches Referenzkennfeld bezeichnet.
1 zeigt ein exemplarisches Beispiel für das erzeugte akustische Referenzkennfeld. Jeder Betriebspunkt der Pumpe ist durch den Förderstrom Q und die zugehörige Förderhöhe H der Pumpe definiert. Die beispielhaft gemessenen Betriebspunkte sind in der Diagrammdarstellung durch die eingezeichneten kreisrunden Punkte gekennzeichnet. Die in diesen Betriebspunkten aufgenommene Geräuschemission der Pumpe wird durch unterschiedliche Graufärbung der Punkte gemäß der rechts in der Darstellung angegebenen Graustufenskala angegeben.
Mithilfe des aufgezeichneten akustischen Verhaltens der Pumpe werden besonders ungünstige Betriebspunkte detektiert und in der Pumpensteuerung hinterlegt. Wenn während des Pumpenbetriebs der Schleichbetrieb aktiviert ist, wird die Pumpe die hinterlegten kritischen Betriebspunkte nicht anfahren. Dies geschieht durch Erhöhen der Drehzahl, bis ein akustisch günstigerer Betriebspunkt erreicht wird.
Die Auswirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen nachfolgend anhand von zwei exemplarischen Betriebspunkten der 1 erläutert werden. Befindet sich die Pumpe beispielsweise im Betriebspunkt BP1a, der ausweislich der dargestellten Graustufe des Betriebspunktes ein akustisch ungünstiger Betriebspunkt ist, wird die Drehzahl der Pumpe solange erhöht, bis der Betriebspunkt BP1b erreicht ist, der sich gegenüber dem Betriebspunkt BP1a durch eine geringere Geräuschemission der Pumpe auszeichnet. Hierdurch wird zwar der Energieverbrauch der Umwälzpumpe leicht erhöht, dies jedoch im Hinblick auf die reduzierte Geräuschemission in Kauf genommen. Analog dazu lässt sich die erfindungsgemäße Modifikation des Betriebspunkt BP2a in Richtung des neuen Betriebspunktes BP2b betrachten.
Das vorgestellte Verfahren setzt voraus, dass die Pumpe ihr akustisches Verhalten in jedem Betriebspunkt genau kennt. Allerdings kann sich das reale akustische Kennfeld einer konventionellen Pumpe im Vergleich zur Referenzpumpe leicht verschieben. Dies ist auf Fertigungs- und Montagetoleranzen zurückzuführen. Damit die Pumpe in der Lage ist, den Einfluss dieser Toleranzen auf ihr akustisches Kennfeld selbstständig zu ermitteln, wird der Einsatz eines Beschleunigungssensors am Pumpengehäuse vorgeschlagen, der die erfahrene Beschleunigung des Pumpengehäuses erfasst.
Im Rahmen der Referenzmessungen für das akustische Referenzkennfeld wird neben diesem zusätzlich ein weiteres Vergleichsreferenzkennfeld aufgezeichnet, das die Signale des Beschleunigungssensors in Abhängigkeit der angefahrenen Betriebspunkte darstellt. Im Folgenden wird dieses zusätzliche Kennfeld als Referenzkennfeld Beschleunigung bezeichnet.
Während des Betriebs kann die kommerzielle Pumpe dann die Daten ihres Beschleunigungssensors mit dem Referenzkennfeld Beschleunigung vergleichen. Aus der Verschiebung zwischen gemessener Beschleunigung und der Beschleunigung des Referenzkennfeldes Beschleunigung lässt sich auch auf eine Verschiebung zwischen akustischem Referenzkennfeld und realem (nicht messbarem) akustischen Kennfeld schließen.
2 zeigt exemplarisch diese Vorgehensweise. Das Bezugszeichen 10 kennzeichnet hierbei die Referenzpumpe. Mithilfe der Referenzpumpe 10 wird durch Testfahrten ein akustisches Referenzkennfeld 11 aufgezeichnet. Sogleich wird ein Referenzkennfeld Beschleunigung 12 ermittelt, wobei anschließend mögliche Korrelationen zwischen den beiden unterschiedlichen Referenzkennfeldern 11, 12 festgestellt werden. Diese Informationen werden dann im lokalen Speicher der kommerziellen Pumpen 20 bereitgehalten, sodass die jeweilige Pumpensteuerung der kommerziellen Pumpen 20 diese für die Ausführung des Verfahrens verwenden kann. Mithilfe des integralen Beschleunigungssensors wird das reale Beschleunigungskennfeld 13 ermittelt und mit seinem Referenzkennfeld 12 verglichen. Die daraus erzielbaren Erkenntnisse werden ebenfalls herangezogen, um Abweichungen des akustischen Referenzkennfeldes 11 von dem tatsächlich in der Praxis vorliegenden Kennfeld 14 der Pumpe 20 zu bestimmen. Auf Grundlage dieses Vorgehens kann für die jeweilige kommerzielle Pumpe 20 im Pumpenbetrieb die ausgegebene Geräuschemission der Pumpe hinreichend genau ermittelt werden und dementsprechend eine Anpassung der Steuerung erfolgen.
Aufgrund des geringfügigen erhöhten Energieverbrauchs ist der Schleichbetrieb, d.h. die Verfahrensausführung als Standardeinstellung deaktiviert, kann jedoch durch entsprechende Nutzereingabe im Bedarfsfall aktiviert werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Umwälzpumpe, insbesondere einer Heizungsumwälzpumpe, mit einem drehzahlvariablen Pumpenantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung den aktuellen Betriebspunkt der Pumpe modifiziert, um die Geräuschemission der Pumpe zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung die Drehzahl modifiziert, um die Geräuschemission zur reduzieren, insbesondere die Drehzahl erhöht, vorzugsweise so weit erhöht, bis sich die gewünschte Geräuschemission einstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung Zugriff auf wenigstens ein akustisches Referenzkennfeld hat, vorzugsweise auf ein innerhalb eines Speichers der Pumpensteuerung hinterlegtes akustisches Referenzkennfeld, wobei das akustische Referenzkennfeld für eine Vielzahl an Betriebspunkten der Pumpe die jeweilige Geräuschemission der Pumpe darstellt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das akustische Referenzkennfeld vorwiegend hinsichtlich der Geräuschemission ungünstige Betriebspunkte umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung die Drehzahl des aktuell vorliegenden Betriebspunktes der Pumpe so lange anhebt, bis ein akustisch günstigerer Betriebspunkt erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung Zugriff auf wenigstens ein Vergleichsreferenzkennfeld hat, das für eine Vielzahl an Betriebspunkten der Pumpe eine vom Betriebspunkt abhängige messbare Pumpenbetriebsgröße darstellt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Pumpenbetriebsgröße um die Beschleunigung des Fördermediums und/oder Pumpenlaufrades und/oder des Pumpengehäuses handelt, die mittels eines geeigneten Sensors der Pumpe messbar ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung im jeweiligen Betriebspunkt die messbare Pumpenbetriebsgröße des Vergleichsreferenzkennfeldes unmittelbar oder mittelbar erfasst und mit dem im Vergleichsreferenzkennfeld angegebenen Wert der Pumpengröße des vorliegenden Betriebspunktes vergleicht, insbesondere die Differenz berechnet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung anhand der berechneten Differenz die Verschiebung zwischen gespeichertem akustischen Referenzkennfeld und tatsächlichem akustischen Referenzkennfeld der Pumpe bestimmt und bei der Modifikation des Betriebspunktes der Pumpe berücksichtigt.
Umwälzpumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe, mit einer Pumpensteuerung, die für die Ausführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Umwälzpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe wenigstens einen Beschleunigungssensor umfasst, insbesondere einen am Pumpengehäuse montierten Beschleunigungssensor, wobei der Sensor der Pumpensteuerung im Pumpenbetrieb aktuelle Messwerte bezüglich der erfassten Beschleunigung des Fördermediums und/oder Pumpenlaufrades und/oder des Pumpengehäuses im jeweiligen Betriebspunkt mitteilt.