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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum energieoptimierten Betrieb einer Pumpe, wobei die Pumpe einen elektromotorischen Antrieb umfasst und die Soll-Förderhöhe in Abhängigkeit des Volumenstroms entlang einer voreingestellten Regelkennlinie geregelt wird.
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Die Regelung von Pumpen entlang einer vorgegebenen Regelkennlinie ist hinlänglich bekannt. Eine solche Regelkennlinie kann beispielsweise die Soll-Förderhöhe der Pumpe in Abhängigkeit eines weiteren Parameters, insbesondere dem Volumenstrom der Pumpe definieren. Eine häufig eingesetzte Regelkennlinie ist beispielsweise eine Konstantdruckkennlinie oder eine Proportionaldruckkennlinie. Letztere definiert die Soll-Förderhöhe der Pumpe proportional zum Volumenstrom.
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Die vorgenannte Proportionaldruckregelung kommt regelmäßig bei Umwälzpumpen im Heizungsbereich zum Einsatz, die zur Versorgung von Radiatorheizungen im geschlossenen Heizkreislauf dienen. Ein konkretes Beispiel einer solchen Regelkennlinie ist in 1 zu sehen, die ein QH-Diagramm mit dem Volumenstrom auf der Abzisse und der Förderhöhe, insbesondere dem Differenzdruck, auf der Ordinate zeigt. Die eingezeichnete lineare Regelkennlinie sieht vor, dass die einzuregelnde Soll-Förderhöhe der Pumpe proportional mit dem Volumenstrom zunimmt. Der Einsatz einer solchen linearen Regelkennlinie ist gerade bei Heizkreisläufen mit thermostatgesteuerten Heizkörpern sinnvoll. Die Thermostatventile der einzelnen Heizkörper steuern durch ihren Öffnungsgrad den Volumenstrom im Heizkreislauf, wobei ein höherer Volumenstrom gleichzeitig zu einer Zunahme der Rohrleitungsverluste führt: Für die Überwindung der ansteigenden Rohrleitungsverluste muss die Pumpe eine höhere Förderhöhe bereitstellen. Bei geringeren Volumenströmen hingegen sinken die Rohrleistungsverluste im System, weshalb eine reduzierte Förderhöhe ausreichend ist. Durch eine solche Proportionaldruckregelkennlinie lässt sich die Pumpe energieeffizient betreiben.
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Allerdings ist die mögliche Energieeinsparung durch eine solche Proportionaldruckregelung noch nicht ausgereizt. Insbesondere bei einem Pumpenbetrieb mit sehr geringem Volumenstrom, insbesondere bei einem Volumenstrom gen Null, besteht noch Optimierungsbedarf. Der angesprochene Betriebszustand liegt beispielsweise dann vor, wenn die einzelnen Thermostatventile der Heizkörper vollständig schließen und kein bzw. ein nur sehr geringer Volumenstrom im System benötigt wird. Entsprechend der Proportionaldruckkennlinie gemäß 1 arbeitet die Pumpe jedoch auch bei geringen Volumenströmen mit einer gewissen Förderhöhe gegen die geschlossenen Ventile, wodurch unnötig Energie verbraucht wird.
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Es wird daher nach einem optimierten Ansatz gesucht, um den Leistungsbedarf der Pumpe insbesondere im Bereich geringer Volumenströme zu optimieren. Ein möglicher Lösungsansatz ist beispielsweise aus der
EP 2 663 774 B1 bekannt. Gemäß der dort offenbarten Regelstrategie wird für einen Betriebszustand der Pumpe, bei diesem der geförderte Volumenstrom unterhalb eines Referenzwertes liegt, von der vordefinierten Pumpenkennlinie abgewichen und stattdessen eine der Hauptregelung überlagerte künstliche Absenkung der ausgewiesenen Soll-Förderhöhe der Kennlinie erzwungen. Dabei wird unabhängig vom aktuellen Volumenstrom, der geringer als der Referenzwert ist, eine kontinuierliche Absenkung der Förderhöhe so lange vorgenommen, bis ein definierter Minimalwert für die Soll-Förderhöhe erreicht wird. Demzufolge wird für alle Volumenströme kleiner dem Referenzwert die Pumpe mit der minimalen Förderhöhe betrieben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen alternativen Lösungsweg für die energieoptimierte Regelung einer Pumpe aufzuzeigen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine neuartige voreingestellte Regelkennlinie zu definieren, die gegenüber einer konventionellen Proportionaldruckregelkennlinie im Bereich kleiner Volumenströme modifiziert ist. Dabei umfasst die neuartige Regelkennlinie für einen Bereich Q>QGrenz einen linearen Verlauf, der vorzugsweise dem Verlauf einer konventionellen Proportionaldruckregelkennlinie entspricht oder zumindest ähnlich dazu ist. Für einen Bereich Q<QGrenz wird jedoch vom linearen Verlauf abgewichen und stattdessen ein alternativer Kurvenverlauf vorgeschlagen, der gerade für geringe Förderströme eine Energieeinsparung der Pumpe ermöglicht. Die Regelkennlinie definiert bevorzugt den Differenzdruck der Pumpe gegenüber dem Volumenstrom, wobei jedoch auch der Absolutdruck als Sollwertgröße denkbar ist. Der Bereich Q<QGrenz ist kleiner als der Kurvenbereich Q>QGrenz, insbesondere deutlich kleiner, bspw. um einen Faktor zwischen 2 und 100, insbesondere zwischen 50 und 100 kleiner.
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Idealerweise wird für den Bereich Q<QGrenz der Regelkennlinie ein Kurvenverlauf vorgeschlagen, der die Soll-Förderhöhe der Regelkennlinie gegenüber einem theoretisch fortgesetzten linearen Kurvenverlauf reduziert, insbesondere deutlich reduziert, sodass in diesem Wertebereich für den Förderström Q eine gegenüber einer konventionellen linearen Regelkennlinie verringerte Soll-Förderhöhe eingestellt wird. Anders als im Stand der Technik wird dadurch für jeden Wert Q<QGrenz ein individueller Sollwert für die Förderhöhe definiert. Auch wird durch die direkte Sollwert-Vorgabe eine schnellere Regelung bzw. Reduzierung der Soll-Förderhöhe erzielt.
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Der Kurvenverlauf für den Wertebereich Q<QGrenz kann idealerweise einer Kurvenfunktion höherer Ordnung entsprechen, insbesondere einer Kurvenfunktion dritter Ordnung. Die gesamte Regelkennlinie setzt sich dann aus einem linearen Kurvenverlauf zusammen, an den sich für Werte Q<QGrenz ein Kurvenverlauf dritter Ordnung anschließt.
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Idealerweise wird im Bereich Q<QGrenz auf eine kubische Kurve, insbesondere eine kubische Parabel zurückgegriffen, wodurch die Soll-Förderhöhe unmittelbar ab dem Wert QGrenz deutlich abgesenkt wird, sodass in diesem Bereich frühzeitig eine nennenswerte Energieeinsparung möglich ist.
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Da sich durch die zusammengesetzte Kurve eine sprunghafte Änderung im Bereich QGrenz einstellen kann, kann es zweckmäßig sein, einen geglätteten Übergang mittels Kurvenfusion zu schaffen. Denkbar sind hier beispielsweise die Anwendung einer Gewichtungsfunktion oder die Definition eines Splines im Übergangsbereich bei QGrenz, sodass ein hartes Umschalten zwischen den beiden unterschiedlichen Kurventypen der Regelkennlinie etwas abgeschwächt wird.
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Der Wert QGrenz liegt idealerweise im Wertebereich zwischen 1% und 10% des maximalen Volumenstroms der Pumpe, vorzugsweise im Bereich zwischen 3% und 7% des maximalen Volumenstroms der Pumpe. Dadurch wird deutlich, dass das Verfahren bzw. die modifizierte Proportionaldruckkennlinie insbesondere im Arbeitsbereich mit sehr geringen Volumenströmen zum Einsatz kommt, insbesondere bei der Anwendung als Heizungsumwälzpumpe für einen Systemzustand mit geschlossenen bzw. nahezu geschlossenen Thermostatventilen der einzelnen Heizkörper.
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Wie bereits vorstehend angedeutet wurde, kommt das erfindungsgemäße Verfahren idealerweise bei der Regelung einer Heizungsumwälzpumpe zur Anwendung, insbesondere in einem geschlossenen Heizungssystem mit ein oder mehreren Heizkörpern, die mit selbstregulierenden Thermostatventilen ausgestattet sind, wodurch sich der Rohrwiderstand innerhalb des Heizungssystems dynamisch ändern kann.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Pumpe, insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe, mit elektrischem Antrieb und wenigstens einer Steuerung, die konfiguriert ist, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen. Dementsprechend zeichnet sich die Pumpe durch die selben Vorteile und Eigenschaften aus, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
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Zuletzt betrifft die Erfindung eine Steuerung für eine Pumpe, insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe, wobei die Steuerung erfindungsgemäß konfiguriert ist zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Anmeldung.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften des Verfahrens sollen nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden, das anhand der Figuren beschrieben wird. Es zeigen:
- 1: eine konventionelle Regelkennlinie zur Proportionaldruckregelung einer Heizungsumwälzpumpe und
- 2: die erfindungsgemäß modifizierte Proportionaldruckkennlinie zur Regelung einer Heizungsumwälzpumpe.
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Wie bereits einleitend angedeutet wurde, werden konventionelle Heizungsumwälzpumpen üblicherweise mit sogenannten Proportionaldruckregelkennlinien (s. 1) betrieben. Derartige Regelkennlinien definieren eine zu erreichende Soll-Förderhöhe H, insbesondere den Soll-Differenzdruck, in Abhängigkeit des aktuellen Volumenstroms Q. Die Pumpe regelt somit in Abhängigkeit des aktuell vorliegenden Volumenstroms Q im Heizungssystem die Drehzahl derart ein, sodass die gewünschte Soll-Förderhöhe H gemäß der Kennlinie erreicht wird.
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Insbesondere bei geringem Volumenstrom, beispielsweise bei geschlossenen Thermostatventilen der Heizkörper, arbeitet die Pumpe gegen die geschlossenen Ventile zur Erreichung der nach der linearen Proportionaldruckkennlinie definierten Soll-Förderhöhe H. Dadurch wird unnötig Energie verbraucht. Gemäß der Erfindung wird nun vorgeschlagen, eine solche konventionelle Proportionaldruckregelkennlinie insbesondere für den Bereich mit geringen Volumenströmen zu modifizieren, um dadurch gezielt den Energieverbrauch in diesem Arbeitsbereich und Systemzustand zu reduzieren. Ein Beispiel für eine solch erfindungsgemäß modifizierte Regelkennlinie ist in der 2 dargestellt.
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Hierbei wird die Soll-Förderhöhe H (bspw. Differenzdruck) auf der Ordinate in Abhängigkeit des aktuell vorliegenden Volumenstroms Q (Abszisse) fest vorgegeben. Die erfindungsgemäß modifizierte Regelkennlinie lässt sich in zwei unterschiedliche Arbeitsbereiche unterteilen. Der Arbeitsbereich 4 stellt den konventionellen Betriebsbereich mit normaler Proportionaldruckregelung dar, d. h. die gewünschte Soll-Förderhöhe H wird in diesem Betriebszustand proportional ansteigend mit dem Volumenstrom Q fest vorgegeben. Der lineare Kennlinienverlauf endet bei dem Grenzwert QGrenz. Dort ändert sich der lineare Kurvenverlauf in einen kubischen Kurvenverlauf (Bereich 3), sodass die gewünschte Soll-Förderhöhe H ab einem Betriebsbereich Q<QGrenz deutlich gegenüber einem hypothetischen linearen Verlauf reduziert wird. Die Pumpe regelt in diesem Betriebsbereich auf eine deutlich reduzierte Soll-Förderhöhe H ein, was mit einer Reduktion der gefahrenen Pumpendrehzahl einhergeht, die wiederrum zu einer deutlichen Leistungseinsparung führt.
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Der Übergang zwischen dem kubischen Kurvenverlauf 3 und dem linearen Kurvenverlauf 4 kann optional durch den Ansatz von Kurvenfusion geglättet werden, um ein hartes Umschalten zwischen den beiden Kurventypen im Regelungsbetrieb zu vermeiden. Möglich kann dies beispielsweise durch eine Gewichtungsfunktion für den Bereich um QGrenz bzw. durch die Integration von zusätzlichen Splines beim Übergang zwischen kubischer Kurvenform 3 und linearer Kurvenform 4 sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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