DE19745143C1 - Verfahren zur Regelung der Förderleistung einer Heizwasserpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Förderlei­ stung einer Heizwasserpumpe, die eine Mehrzahl von Nutzwärme­ wandlungsstationen oder Wohnungsstationen für Warmwasser- und Heizwärmeerzeugung versorgt. Das Heizwasser wird in den Nutz­ wärmewandlungsstationen entweder für die Heizung aufbereitet oder erhitzt über einen Wärmetauscher Brauchwasser, wenn dieses abge­ fordert wird. "Verbrauchtes" Heizwasser läuft über einen Rück­ lauf zurück und wird von einer primären Wärmeerzeugungsquelle wieder erhitzt.

Bei der Modernisierung der Versorgung von Mehrfamilienhäusern mit Heizung und Warmwasser ist in den kommenden Jahren mit einem erheblichen Bedarf an Umrüstungen und Modernisierungen zu rech­ nen, da insbesondere Einzelfeuerstätten in Wohnungen (z. B. Gasö­ fen, Kohleöfen, Ölöfen) durch zentrale Systeme ersetzt werden sollen.

Bei herkömmlichen zentralen Nutzwärmeversorgungssystemen wird die Nutzwärme in einer Heizungszentrale erzeugt und über Lei­ tungsnetze zu den einzelnen Wohnungen geleitet. Dazu muß das Gebäude bei herkömmlichen Systemen von fünf Steigleitungen (Hei­ zungsvorlauf, Heizungsrücklauf, Warmwasser, Warmwasserzirkula­ tion, Kaltwasser) durchzogen werden, was bei Modernisierungs­ vorhaben einen erheblichen baulichen Aufwand und mithin hohe Kosten verursacht.

Demgegenüber haben die eingangs beschriebenen Systeme mit dezen­ tralen Nutzwärmewandlungsstationen erhebliche Vorteile. Hier wird das Heizwasser, das ebenfalls in einer Heizzentrale erhitzt wird, über zwei Steigleitungen (Vorlauf und Rücklauf) in die einzelnen Wohnungen verteilt und wieder zurückgeführt. In den Wohnungen befindet sich jeweils eine Nutzwärmewandlungsstation oder Wohnungsstation, die mit dem Heizwasser versorgt wird und daraus die Wohnungsheizungen versorgt und bei Bedarf über Wärme­ tauscher Warmwasser erzeugt. Es werden in derartigen Systemen also nur noch zwei Steigleitungen, neben der stets notwendigen Kaltwasserleitung, benötigt, was insbesondere bei Nachrüstungen eine erhebliche Vereinfachung bedeutet. Solche Nutzwärmewand­ lungsstationen sind zum Beispiel aus DE 295 20 793 U1 bekannt. In der Station sind mehrere Wärmetauscher vorgesehen, um Wärme aus dem Heizwasser aus dem Heizungsvorlauf auf Brauchwasser und auf Heizwasser in einem sekundären Heizwasserkreislauf für die Wohnung zu übertragen.

In solchen dezentralen Nutzwärmeversorgungssystemen werden Um­ wälzpumpen oder Heizwasserpumpen benötigt, um das Heizwasser zu verteilen und umzuwälzen. Zur Regelung der Drehzahl bzw. der Förderleistung von Umwälzpumpen in herkömmlichen Heizungssyste­ men gab es bisher verschiedene Verfahren, die jedoch bei Anwen­ dung in dezentralen Nutzwärmewandlungssystemen Nachteile hätten.

Es sind konstant laufende Umwälzpumpen für Heizungssysteme be­ kannt, die durchgängig mit einer konstanten Drehzahl und somit der gleichen Förderleistung laufen und nur von Hand gelegentlich dem mittleren jahreszeitlichen Bedarf angepaßt werden können. Da die Förderleistung auf den erwarteten Maximalbedarf ausgerichtet sein muß, läuft die Umwälzpumpe meist mit weit höherer Drehzahl als erforderlich und verbraucht so unnötigerweise Energie. Für dezentrale Nutzwärmewandlungssysteme wie oben beschrieben, wären konstant laufende Umwälzpumpen besonders nachteilig, da die Abforderung von Warmwasser in einer der Nutzwärmewandlungssta­ tionen einen kurzfristig erhöhten Bedarf an Heizwasser verur­ sacht, da zur Warmwasserbereitung kurzfristig relativ viel Heiz­ wasser benötigt wird. Um auf den maximalen erwarteten Bedarf bei einer Anlage mit einer Mehrzahl von Nutzwärmewandlungsstationen oder Wohnungsstationen vorbereitet zu sein, müßte eine konstant laufende Umwälzpumpe mit einer erheblich über der Grundlast liegenden Förderleistung arbeiten, um auf Bedarfsspitzen bei gleichzeitiger Warmwasseranforderung in mehreren Wohnungen vor­ bereitet zu sein. Eine solche konstant hohe Förderleistung ist jedoch aus Gründen des Energieverbrauchs nicht akzeptabel.

Daneben sind druckgesteuerte Umwälzpumpen bekannt, deren Dreh­ zahl abhängig vom Gegendruck des versorgten Leitungssystems variiert wird, wobei ein geringer Gegendruck einen hohen Heiz­ wasserbedarf zeigt, der mithin eine hohe Drehzahl erfordert, hingegen ein hoher Gegendruck eine geringe Heizwasserabnahme zeigt, so daß die Drehzahl der Pumpe niedrig gehalten werden kann. Aus DE 33 10 214 C2 ist ein Regelverfahren für eine Hei­ zungsanlage mit Fernheizwerk bekannt. Dabei wird eine primäre Regelung anhand des Differenzdrucks zwischen Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf ausgeführt, die die Heizwasserumwälzung in der Heizanlage bestimmt. Die Zufuhr von Heizwasser aus der Heizungs­ anlage zu den einzelnen Verbrauchern wird durch eine Sekundärre­ gelung ergänzt, die aufgrund der Differenz zwischen Außentempe­ ratur und Heizungsvorlauftemperatur eine Beimischung von vom Verbraucher zurückfließenden Heizrücklaufwasser zum Heizungsvor­ laufwasser vornimmt.

Ferner sind sogenannte ΔT-Regelungen für Heizungen bekannt. Ein solches Verfahren zur Regelung der Pumpendrehzahl aufgrund der Temperaturdifferenz ΔT zwischen Heizungsvorlauf und Heizungs­ rücklauf ist in DE 43 12 808 A1 für einen reinen Heizwasser­ kreislauf beschrieben. Es wird die Temperaturdifferenz zwischen Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf bestimmt und auf Grundlage dessen in einer vorgegebenen Abhängigkeit die Drehzahl der Um­ wälzpumpe eingestellt. Weiterhin ist nach diesem bekannten Ver­ fahren vorgesehen, die Leistung des Heizkessels in Abhängigkeit von der Soll-Temperatur des Heizungsvorlaufs zu steuern und die Drehzahl der Pumpe weiterhin so zu steuern, daß sich eine kon­ stante Differenz Δt einstellt. Diese bekannten Verfahren liefern für reine Heizwasserkreisläufe akzeptable Ergebnisse. Bei diesen Verfahren wird die Temperaturdifferenz zwischen Heizwasservor­ lauf und -rücklauf erfaßt und die Drehzahl der Umwälzpumpe ab­ hängig von der Temperaturdifferenz geregelt. Eine hohe Tempe­ raturdifferenz bedeutet, daß viel Heizwärme abgenommen wird und mithin eine höhere Förderleistung der Pumpe erforderlich ist, während bei kleinen Temperaturdifferenzen die Förderleistung zurückgenommen werden kann, da dem Heizwasser nur wenig Wärme entzogen worden ist. Solche ΔT-Regelungen sind zeitlich relativ träge, da sich eine erhöhte Abnahme oder Verbrauch von Heizwas­ ser erst zeigt, wenn am Rücklauf tatsächlich eine Temperaturer­ niedrigung eingetreten ist, was insbesondere bei größeren An­ lagen erst mit deutlicher Zeitverzögerung gegenüber dem tatsäch­ lichen momentanen Bedarf eintritt. Für reine Heizungsanlagen ist dies nicht problematisch, da hier eine gewisse Verzögerung bzw. eine zeitlich träge Einstellung auf eine Bedarfsänderung kaum auffällt. Auf langfristige Schwankungen oder Änderungen des Heizwasserbedarfs können ΔT-Regelungen gut reagieren. Bei den oben beschriebenen dezentralen Nutzwärmewandlungsstationen tre­ ten jedoch auch kurzfristige Bedarfssprünge durch Warmwasser­ zapfungen auf, so daß eine Umwälzpumpe mit reiner ΔT-Steuerung mit einer Grundförderleistung erheblich über dem eigentlichen Grundbedarf laufen müßte, um auf plötzliche Bedarfssprünge durch Warmwasserzapfungen vorbereitet zu sein.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Regelung der Förderleistung einer Heizwasserpumpe in einer An­ lage mit dezentralen Nutzwärmewandlungsstationen zu schaffen, das bei möglichst niedrigem Energieverbrauch der Heizwasserpumpe eine bedarfsgerechte Versorgung der Nutzwärmewandlungsstationen gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

In dem elfindungsgemäßen Verfahren wird die Heizwasserpumpe zur Versorgung einer Mehrzahl von Nutzwärmewandlungsstationen mit einer ΔT-Regelung betrieben, die im wesentlichen die Grundför­ derleistung der Pumpe im Hinblick auf langsame oder längerfri­ stige Schwankungen des Heizwasserbedarfs einstellt. Darüberhin­ aus wird ein Maß für momentane Anstiege in der Gesamtheizwas­ serabnahme in den Nutzwärmewandlungsstationen erfaßt und die Drehzahl der Heizwasserpumpe, wenn das Maß einen vorgegebenen Minimalwert übersteigt, in einer zweiten vorgegebenen Abhängig­ keit davon erhöht. Dieser zweite Regelmechanismus soll schnelle Bedarfsänderungen, die durch besonders starke oder gehäufte Warmwasserzapfungen in mehreren Nutzwärmewandlungsstationen auftreten können, erfassen und die Heizwasserpumpe schnell auf einen momentan erhöhten Heizwasserbedarf einstellen.

Ein Signal oder Maß für momentane Anstiege in der Gesamtheiz­ wasserabnahme kann z. B. erzeugt werden, indem in jeder Nutzwär­ mewandlungsstation ein Sensor vorhanden ist, der eine Warmwas­ serabnahme registriert und ein Signal zu einer zentralen Regel­ einheit für die Heizwasserpumpe sendet. In der zentralen Regel­ einheit werden dann die Signale aller Nutzwärmewandlungsstatio­ nen zusammengefaßt und daraus ein Signal erzeugt, das einen mo­ mentanen Anstieg in der Gesamtheizwasserabnahme in den Nutzwär­ mewandlungsstationen anzeigt oder repräsentiert und überwacht wird. Falls sich so ein plötzlicher Anstieg in der Gesamtheiz­ wasserabnahme zeigt, kann die Heizwasserpumpe in einer zweiten vorgegebenen Abhängigkeit von dem Anstiegssignal auf einen mo­ mentan erhöhten Bedarf eingestellt werden.

In einer alternativen Ausführungsform können momentane Anstiege in der Gesamtheizwasserabnahme erfaßt werden, indem die Strö­ mungsgeschwindigkeit des Heizwassers überwacht und bei Erfassung eines Anstiegs der Strömungsgeschwindigkeit oberhalb eines vor­ gegebenen Mindestwertes ein den Anstieg in der Gesamtheizwas­ serabnahme repräsentierendes Signal erzeugt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit ist ein Maß für die momentan aus dem System abgeforderte Heizwassermenge und repräsentiert insofern weitgehend verzögerungsfrei den momentanen Heizwasserbedarf. Diese Ausführungsform des Verfahrens ist insofern vorteilhaft, als keine Sensoren in den Nutzwärmewandlungsstationen benötigt werden und ferner keine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Nutzwärmewandlungsstationen und der zentralen Regel­ vorrichtung benötigt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels in den Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Heizwasseranlage mit de­ zentralen Nutzwärmewandlungsstationen in einer ersten Ausfüh­ rungsform zeigt;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung wie Fig. 1 für eine zweite Ausführungsform zeigt;

Fig. 3 ein Diagramm zeigt, das die abgeforderte Wärmemenge als Funktion der Zeit in einem beispielhaften Verlauf darstellt.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Heiz- und Warmwas­ serversorgungsanlage mit einer zentralen Heizquelle 1 bis 5 die mehrere Nutzwärmewandlungsstationen oder Wohnungsstationen 10, 20, z. B. in einem Mehrfamilienhaus versorgt. Die zentrale Heiz­ quelle weist eine primäre Wärmequelle 4, z. B. einen Ölbrenner, eine Pumpe 2 und einen Zwischentank 3 für erwärmtes Heizwasser auf. An den Zwischenspeicher 3 ist eine Heizwasserpumpe 1 ange­ schlossen, die über einen Heizwasservorlauf 8 die einzelnen Nutzwärmewandlungsstationen 10, 20 mit Heizwasser versorgt.

In jeder Wohnung befindet sich eine Nutzwärmewandlungsstation 10, 20. Die Nutzwärmewandlungsstation 10 bzw. 20 regulieren einerseits den Druck des Heizwassers, um anschließend die Heiz­ körper 11 bzw. 21 in der Wohnung zu speisen; andererseits ist in jeder Nutzwärmewandlungsstation 10 bzw. 20 zur Warmwasserberei­ tung Heizwasser ein Wärmetauscher (nicht gezeigt) vorhanden, in dem das Heizwasser angeliefertes Kaltwasser erwärmt, wenn an den Armaturen 12 bzw. 22 in der Wohnung Warmwasser gezapft wird.

Die Nutzwärmewandlungsstationen 10, 20 können einen recht kom­ pakten Aufbau haben und brauchen beispielsweise weit weniger Platz als herkömmliche Boiler oder Warmwasserspeicher.

Das aus den Nutzwärmewandlungsstationen 10, 20, entweder nach Durchlaufen der Heizkörper 11, 21 oder nach Durchlaufen der Wärmetauscher, wieder abfließende Heizwasser gelangt über einen Heizwasserrücklauf 9 zurück in den Zwischenspeicher 3, womit der Heizwasserkreislauf geschlossen ist. Ferner ist eine Kaltwasser­ leitung 7 vorhanden, die die einzelnen Nutzwärmewandlungsstatio­ nen 10, 20 mit Wasser versorgt.

Die Heizwasserpumpe 1 ist, wie auch die Pumpe 2 zwischen Wärme­ quelle 4 und Zwischenspeicher 3 mit einer Steuereinheit 5 ver­ bunden, die die Drehzahl der Pumpen einstellt. An die Steuer­ einheit 5 sind, lediglich schematisch angedeutete Temperatursen­ soren 18 und 19 angeschlossen, die die Heizwassertemperatur im Heizwasservorlauf 8 und im Heizwasserrücklauf 9 abfühlen. Die Temperaturdifferenz ist ein Maß für den Wärmeverbrauch in den Wohnungen und wird dazu verwendet, die Drehzahl der Pumpe 1 dem Wärmebedarf entsprechend einzustellen. Zu diesem Zweck ist in der Steuereinheit 5 eine erste vorgegebene Abhängigkeit gespei­ chert, die die Zieldrehzahl als Funktion der gemessenen Tempera­ turdifferenz angibt. Eine solche ΔT-Regelung hat den Vorteil, daß sie die tatsächliche Wärmeabnahme zur Regelung verwendet. Andererseits ist die Regelung recht träge, da einige Zeit ver­ geht, bis eine Wärmeabnahme sich in einer niedrigeren Temperatur im Heizwasserrücklauf 9 zeigt, so daß die ΔT-Regelung auf schnelle Bedarfsänderungen nicht reagieren kann. Für reine Hei­ zungsanlagen ist dies nicht problematisch, im vorliegenden Fall einer zusätzlichen dezentralen Warmwasserbereitung ebenfalls aus dem Heizwasserkreislauf ist das Zeitverhalten aber eher kri­ tisch, da Warmwasserzapfungen in den Wohnungen zum einen einen relativ hohen momentanen Heizwasserbedarf bedeuten und zum ande­ ren Zeitverzögerungen bei der Bereitstellung des Warmwassers unerwünscht sind.

Fig. 3 zeigt einen Graph, in dem die insgesamt abgenommene Wärme in einer Anlage wie der in Fig. 1 dargestellten gegen die Zeit aufgetragen ist. Dargestellt ist eine relativ konstante Grundwärmeabnahme Q₀, die im wesentlichen die Wärmeabnahme der Heizungen 11, 21 widerspiegelt. Außerdem sind Wärmeabnahmen durch Warmwasserzapfungen dargestellt. Wie zu erkennen ist, bedeuten Warmwasserzapfungen sprunghafte Änderungen der Wärme­ abnahme, die, falls zufällig mehrere Zapfungen in verschiedenen Wohnungen zusammenfallen, einen erheblichen Sprung des Wärmebe­ darfs auslösen, wie dies in der dargestellten dritten Zapfung der Fall ist. Würde die Heizwasserpumpe dauernd so weit über dem Grundbedarf laufen, daß solche Bedarfssprünge aufgefangen werden könnten, wäre die Förderleistung der Heizwasserpumpe im zeitli­ chen Mittel viel zu hoch und die Heizwasserpumpe hätte einen unnötig hohen Energieverbrauch.

Gemäß der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung sind die einzelnen Nutzwärmewandlungsstatio­ nen 10, 20 mit Sensoren (nicht gezeigt) für Warmwasserzapfungen versehen, die ihre Signale bei erfolgter Warmwasserzapfung über Leitungen 14, 24 an die Steuereinheit 5 weitergeben. In der Steuereinheit 5 werden die Signale zusammengefaßt und überwacht, und falls sich ein Anstieg des momentanen Heizwasserbedarfs auf Grund von Warmwasserzapfungen zeigt, der oberhalb einer vorgege­ benen Schwelle liegt, so wird die Drehzahl in einer zweiten vorgegebenen Abhängigkeit von dem erfaßten Anstieg erhöht. In Fig. 3, die einen beispielhaften Verlauf der Wärmeabnahme als Funktion der Zeit zeigt, bedeuten z. B. die Zapfungen Z1 und Z2 noch keinen so erheblichen Bedarfssprung, daß die Drehzahl der Heizwasserpumpe 1 erhöht werden müßte; diese Zapfungen können noch aus der Grundförderleistung bedient werden. Bei der dritten Zapfung Z3 liegt der Anstieg über dem vorgegebenen Schwellen­ wert, nämlich um ΔQ über der Grundwärmeabgabe Q₀, und es wird eine von dem Anstieg abhängige Erhöhung der Drehzahl der Heiz­ wasserpumpe vorgenommen.

In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird die Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers überwacht, um momentane Anstiege in der Gesamtheizwasserabnahme zu erfassen. Eine dafür geeignete Heizanlage ist in Fig. 2 gezeigt, die der in Fig. 1 gezeigten entspricht, mit Ausnahme der Tatsache, daß keine Sen­ soren in den Nutzwärmewandlungsstationen 10, 20 und demzufolge auch keine elektrischen Verbindungsleitungen 14, 24 wie in Fig. 1 vorhanden sind. Statt dessen ist eine Strömungsmeßeinrichtung 6 im Heizwasserrücklauf 9 vorgesehen, die ein die Strömungsge­ schwindigkeit repräsentierendes Signal an die Steuereinheit 5 weiterleitet. Die Steuereinheit 5 ist dazu ausgelegt, das die Strömungsgeschwindigkeit repräsentierende Signal zu überwachen und Anstiege zu erfassen. Auch in diesem Fall wird, wenn ein Anstieg oberhalb eines Schwellenwertes gefunden wird, die Dreh­ zahl der Heizwasserpumpe 1 in Abhängigkeit von dem gefundenen Anstieg erhöht.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung der Förderleistung einer Heizwasser­ pumpe (5), die in einer zentralen primären Wärmequelle (4) erwärmtes Heizwasser in einem Kreislauf, an den eine Mehr­ zahl von dezentralen Nutzwärmewandlungsstationen (10, 20) für Warmwassererzeugung und Heizwärmeerzeugung angeschlossen sind, umwälzt, wobei
die Temperaturdifferenz zwischen Heizwasservorlauf (8) und Heizwasserrücklauf (9) erfaßt und die Drehzahl der Heizwas­ serpumpe mit wachsender Temperaturdifferenz in einer ersten vorgegebenen Abhängigkeit erhöht wird, und
ein momentane Anstiege in der Gesamtheizwasserabnahme in den Nutzwärmewandlungsstationen (10, 20) repräsentierendes Si­ gnal erfaßt und die Drehzahl der Heizwasserpumpe, wenn das Signal einen vorgegebenen Minimalwert übersteigt, mit wach­ sendem Signal in einer zweiten vorgegebenen Abhängigkeit erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in jeder Nutzwärmewand­ lungsstation ein Sensor vorhanden ist, der bei Warmwasser­ zapfungen ein Signal abgibt, das zu einer zentralen Steuer­ einheit (5) der Heizwasserpumpe (1) geleitet wird, um aus den Signalen aller Nutzwärmewandlungsstationen (10, 20) das momentane Anstiege in der Gesamtheizwasserabnahme repräsen­ tierende Signal zu bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das momentane Anstiege in der Gesamtheizwasserabnahme repräsentierende Signal durch Überwachung der Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers im Heizwasservorlauf (8) oder Heizwasserrücklauf (9) gewonnen wird und bei Erfassung eines Anstiegs der Strömungsgeschwin­ digkeit oberhalb eines vorgegebenen Mindestwertes die Dreh­ zahl der Heizwasserpumpe abhängig von dem erfaßten Anstieg erhöht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite vorgegebene Abhängigkeit eine zeitlich begrenzte Erhöhung der Drehzahl-bewirkt.

5. Regelvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
Mitteln, die die Temperaturdifferenz zwischen Heizwasservor­ lauf (8) und Heizwasserrücklauf (9) erfassen und eine Erhö­ hung der Drehzahl der Heizwasserpumpe mit wachsender Tempe­ raturdifferenz in einer ersten vorgegebenen Abhängigkeit veranlassen, und
Mitteln, die ein momentane Anstiege in der Gesamtheizwasser­ abnahme in den Nutzwärmewandlungsstationen repräsentierendes Signal erfassen und eine Erhöhung der Drehzahl der Heizwas­ serpumpe, wenn das Signal einen vorgegebenen Minimalwert übersteigt, mit wachsendem Signal in einer zweiten vorgege­ benen Abhängigkeit veranlassen.

6. Regelvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Mittel, die ein momentane Anstiege in der Gesamtheizwasserabnahme in den Nutzwärmewandlungsstationen repräsentierendes Signal erfas­ sen, Sensoren in jeder der Nutzwärmewandlungsstationen um­ fassen, die Warmwasserzapfungen erfassen und ein entspre­ chendes Signal zur zentralen Steuereinheit (5) übertragen.

7. Regelvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Mittel, die ein momentane Anstiege in der Gesamtheizwasserabnahme in den Nutzwärmewandlungsstationen repräsentierendes Signal erfas­ sen, eine Meßeinrichtung für die Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers im Heizwasservorlauf (8) und Auswerteein­ richtungen umfassen, die Anstieg der Strömungsgeschwindig­ keit oberhalb eines vorgegebenen Wertes erfassen.