DE19854773A1 - Prüfstand für Wärmeerzeuger, insbesondere für gasbetriebene Durchlauferhitzer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Prüfstand für Wärmeerzeuger, insbesondere für gasbetriebene Durchlauferhitzer (10), bei dem die Wärmelast von außen über eine virtuelle Testumgebung stimuliert wird, wobei die virtuellen Zustandsgrößen, wie z. B. Massenstrom und Temperatur eines Heizkreises (HK) über mindestens eine Hardware-Schnittstelle (11A-11G) in physikalische Zustandgrößen umgewandelt und an den Wärmeerzeuger (10) herangeführt werden. Es wird vorgeschlagen, daß als Hardware-Schnittstelle (11B) ein Heizkreis (HK) vorgesehen ist, der über eine Wärmetauscher-Einheit (22) mit einem Kühlkreis (KK) verbunden und mit einer vom Wärmeerzeuger (10) unabhängigen Heizvorrichtung (52) versehen ist. Mit der Emulation derartiger Heizkreise kann das Verhalten eines Wärmeerzeugers unter realen Bedingungen getestet werden; aufwendige Feldtestversuche fallen weg bzw. können erheblich reduziert werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Prüfstand für Wärmeerzeuger, insbesondere für gasbetriebene Durchlauferhitzer nach der Gattung des Hauptanspruchs. Heutige Prüfstände für Wärmeerzeuger sind dafür ausgelegt, die Qualität und das Betriebsverhalten eines Wärmeerzeugers im stationären Betrieb zu ermitteln. In der Praxis werden die Wärmeerzeuger allerdings im dynamischen Betrieb eingesetzt. Wärmeerzeuger können somit im Labor nicht für den eigentlichen Einsatzzweck getestet werden. Erst wenn der Wärmeerzeuger als Produkt fertiggestellt ist, werden sie in Form von Feldtests auf ihre Eignung bzw. Betriebstauglichkeit hin getestet.

Es ist weiterhin bekannt, auf verschiedenen technischen Gebieten sogenannte Emulatoren bzw. Emulator-Prüfstände einzusetzen, bei denen im Gegensatz zu reinen Simulationsvorgängen das in einem Rechner hinterlegte numerische Modell mit realen Komponenten, die technische Systeme beschreiben, kommuniziert bzw. zusammenwirkt. So ist beispielsweise aus dem Aufsatz: "An emulator for testing HVAC-systems and their control and energy management systems. In: 3rd international conference on system simulation in buildings, Liege December 1990", bekannt, zur Emulation von Heizkesseln Wärmetauscher einzusetzen, die dazu dienen, die Wärmelast eines in einem Gebäude installierten Heizkörper-Wasserkreislauf darzustellen, wobei das Gebäude mit Hilfe eines numerischen Modells auf dem Rechner simuliert wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß eine Kopplung des thermischen Verhaltens eines zu beheizenden Gebäudes an das Betriebsverhalten des Wärmeerzeugers möglich wird. Aus dem Betriebsverhalten des Wärmeerzeugers können Rückschlüsse für eine weitere Optimierung des Wärmeerzeugers gezogen werden, so daß auf aufwendige Feldtestversuche verzichtet werden kann. Mit Hilfe der neben dem Kühlkreis vorgesehenen zusätzlichen Heizvorrichtung können auch solche Betriebszustände dynamisch nachgebildet werden, bei denen von der virtuellen Testumgebung ein plötzlicher Temperaturanstieg in der Rücklauftemperatur des Heizwassers signalisiert wird.

Durch die Merkmale der Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch möglich.

Eine weitere Verbesserung der Rücklauf-Temperaturregelung des Heizkreises wird erreicht, wenn durch den Einbau einer hydraulischen Weiche der in dem abgetrennten Teil des Heizkreises mit Hilfe einer Pumpe umlaufende Volumenstrom geregelt werden kann. Versuche haben gezeigt, daß die Rücklauf-Temperaturregelung bei kleinen Massenströmen ins Schwingen gerät. Die Menge des im abgetrennten Teil des Heizkreises umgewälzten Wassers ist dabei mindestens doppelt so groß, wie die Heizwassermenge, die von der im Wärmeerzeuger angeordneten Umwälzpumpe aus diesem Heizkreis gefördert wird.

Die Umwälzpumpe ist in vorteilhafter Weise als Naßläufer ausgebildet, die im Gegensatz zu einer Trockenläufer-Um­ wälzpumpe kleinere Abmessungen aufweist, billiger und geräuschärmer ist und in vorteilhafter Weise Wärme an das Heizwasser abgibt, so daß die Leistung der erfindungsgemäßen zusätzlichen Heizeinrichtung kleiner gewählt werden kann.

Das im Rücklauf des Heizkreises vorgesehene Stellventil regelt in vorteilhafter Weise den zum Wärmeerzeuger gelangenden Heizwasser-Volumenstrom bzw. bestimmt den hydraulischen Widerstand des simulierten Heizungsnetzes.

Die im Heizkreis vorgesehene zusätzliche Heizvorrichtung ist in vorteilhafter Weise als ein in die Heizkreis-Rohr­ leitung einschraubbarer Stabheizkörper ausgebildet. Ein liegender Einbau des Stabheizkörpers in die Heizkreis-Rohr­ leitung hat den Vorteil, daß Probleme beim Entlüften des Heizkreises vermieden werden. Alternativ zum liegenden Einbau des Stabheizkörpers ist es auch möglich, den Stabheizkörper so anzuordnen, daß seine elektrischen Anschlüsse nach unten weisen.

Der Gesamtaufbau des Prüfstands für den Wärmeerzeuger zeichnet sich dadurch aus, daß die Simulation beliebiger Einsatzumgebungen mit Hilfe eines Simulationsrechners erfolgt, der über eine Signalverarbeitungs-Einheit und dem Heizkreis als eine Hardware-Schnittstellen-Einheit mit dem Wärmeerzeuger in Verbindung steht. Eine zwischen dem Simulationsrechner und der Signalverarbeitungs-Einheit zwischengeschaltete Meßstand-Kontrolleinheit hat den Vorteil, daß der Meßstand auch unabhängig vom Simulationsrechner betrieben werden kann und daß die Rechenleistung für die Simulation nicht durch die Rechenleistung für die Teststandkontrolle beeinträchtigt wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt die schematische Ausführung eines Emulator-Test- bzw. Prüfstandes, Fig. 2 den Aufbau eines Heizkreis-Emulators und Fig. 3 Temperaturverläufe im Heizkreis.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt den generellen Aufbau eines Emulator-Prüf­ standes für einen Wärmeerzeuger 10, der in diesem Fall als ein gasbetriebener Durchlauferhitzer ausgebildet ist. Der Wärmeerzeuger 10 ist über verschiedene Hardware-Schnitt­ stellen 11A bis 11G mit einer Signalverarbeitungs-Ein­ heit 12 und über eine Meßstand-Kontrolleinheit 14 mit einem Simulationsrechner 16 verbunden. Mit Hilfe der Hardware-Schnittstellen 11A bis G lassen sich verschiedene Emulationsformen realisieren, wie z. B. 11A - das Reglersignal für die Bestimmung der Brennerleistung des Wärmeerzeugers, 11B - die Rücklauftemperatur und der Volumenstrom bzw. Druck im Heizwasser-Kreislauf, 11C - die Brauchwassertemperatur, wenn der Wärmeerzeuger gleichzeitig der Brauchwasserbereitung dient, 11D - Temperatur, Druck und Feuchtegehalt der Verbrennungsluft, 11E - Temperatur und Druck im Kamin bzw. die Abgastemperatur, 11AF - Zu­ standsparameter des für die Verbrennung zugeführten Gases und 11G - Parameter, die den Aufstellungsort des Wärmeerzeugers definieren.

Während die Daten aus der Meßstand-Kontrolleinheit 14 den Hardware-Schnittstellen 11A bis G über einen Digital/Analog-Wandler 12A der Signalverarbeitungs-Einheit 12 zugeführt werden, werden die vom Wärmeerzeuger 10 über eine Meßwert-Aufnahme-Sensorik 1B ausgelesenen Zustandsparameter des Heizgeräts über einen Analog/Digital-Wand­ ler 12B der Signalverarbeitungseinheit 12 und über die Meßstand-Kontrolleinheit 14 dem Simulationsrechner 16 zugeführt. Die Simulation läuft für einen Zeitschritt, wobei die am Prüfstand einzustellenden physikalischen Größen vom Simulationsprogramm in einer Kommunikationsdatei (outfile.dat) abgelegt werden. Die Meßstand-Kontrolleinheit 14 liest die Datei aus und regelt mittels entsprechender Regel- und Meßtechnik die Sollgrößen (z. B. Wasserdruck, Wassertemperatur, Volumenströme, Regelsignale) am zu überprüfenden Wärmeerzeuger ein. Die Reaktion des Wärmeerzeugers wird von der Meßwert-Aufnahme-Sensorik 18 aufgenommen, verarbeitet und als Zahlenwerte in einer zweiten Kommunikations-Datei (infile.dat) abgespeichert. Diese Datei wird von der Simulation geöffnet und weiterverwertet, sobald die Wartezeit bis zum nächsten Simulationszeitschritt abgelaufen ist.

Der Datenaustausch zwischen dem Simulationsrechner 16 und der Meßstand-Kontrolleinheit 14 erfolgt über ein ASCII-File, welches jederzeit einsichtig ist. Die Schnittstelle ist somit klar definiert und kontrollierbar, das realisierte Konzept nicht an vorgegebene Soft- oder Hardware gebunden. Die Simulation des Zeitsystems erfolgt mit Hilfe des Simulationsprogramms TRNSYS.

Im folgenden wird die für die Heizkreis-Emulation notwendige Hardware-Schnittstelle IIB anhand der Fig. 2 näher beschrieben. Der an den Wärmeerzeuger 10 angeschlossene Heizkreis HK weist eine Vorlauf-Leitung 20 auf, die zu einer Wärmetauscher-Einheit 22 führt, von der eine Rücklauf-Leitung 24 zum Wärmeerzeuger 10 zurückführt. An die Wärmetauscher-Einheit 22 ist ein Kühlkreis KK angeschlossen, mit dessen Hilfe die vom Simulationsrechner 16 vorgegebene Wärmelast nachgebildet werden kann. Für eine entsprechende Steuerung des Kühlkreislaufs sind in einer Vorlauf-Leitung 26 als wesentliche Bauelemente zur Bestimmung bzw. Einstellung des Kühlkreislaufs ein Drucksensor 28, ein Volumenstrommesser 30, ein Volumenstrom-Drosselventil 32 und ein Temperatursensor 34 angeordnet. In einer Rücklaufleitung 36 des Kühlkreises KK sind ebenfalls ein Temperatursensor 38 und ein Drucksensor 40 angeordnet.

Als wesentliche Bauteile zur Konditionierung des im Heizkreises HK umlaufenden Heizungswassers sind in der vom Wärmeerzeuger 10 ausgehenden Vorlauf-Leitung 20 ein Temperatursensor 42, ein Drucksensor 44, eine als Naßläufer ausgebildete Umwälzpumpe 46 und ein in Strömungsrichtung gesehen hinter der Umwälzpumpe 46 vorgesehener zweiter Temperatursensor 48 angeordnet. In der Rücklauf-Leitung 24 befindet sich in Strömungsrichtung gesehen hinter der Wärmetauscher-Einheit 22 ein dritter Temperatursensor 50, dem eine vom Wärmeerzeuger 10 unabhängig betreibbare Heizvorrichtung 52 folgt. Die Heizvorrichtung 52 ist als Stabheizkörper ausgebildet und in die Rücklauf-Leitung 24 des Heizkreises HK eingeschraubt. Mit der Heizvorrichtung 52, wie später noch näher beschrieben wird, ist es möglich, die Rücklauftemperatur des Heizungswassers anzuheben. Hinter der Heizvorrichtung 52 ist ein vierter Temperatursensor 54 angeordnet, dem ein Volumenstrommesser 56, ein Heizwasser-Volumenstrom-Drosselventil 58, ein Drucksensor 60 und ein fünfter Temperatursensor 62 folgen. Zwischen der Vorlauf-Leitung 20 und der Rücklauf-Leitung 24 ist weiterhin eine Bypass-Leitung 66 mit einem Bypass-Ven­ til 68 angeordnet. Die Brenngasversorgung für den gasbetriebenen Durchlauferhitzer 10 erfolgt über eine Gasleitung 70, in der ein Volumenstrommesser 72, ein Drucksensor 74 und ein Temperatursensor 76 angeordnet sind.

Die Heizkreis-Emulation findet auf folgende Art und Weise statt: Die vom Simulationsrechner 16 vorgegebene bzw. errechnete Wärmelast des simulierten Gebäudes wird mit Hilfe des Kühlkreises KK und der daran angeschlossenen Wärmetauscher-Einheit 22 dem Heizkreis HK aufgeprägt, wodurch sich in der Rücklauf-Leitung 24 des Heizkreises HK eine den realen Einsatzbedingungen entsprechende Rücklauftemperatur einstellt. Der Heizwasser-Volumenstrom bzw. der hydraulische Widerstand des simulierten Heiznetzes wird im Prüfstand mit Hilfe des Volumenstrom-Drosselventils 32 eingestellt. Durch die in der Rücklauf-Leitung 24 angeordnete Heizvorrichtung 52 kann ein Temperaturanstieg des Heizungswassers in der Rücklauf-Leitung 24 des Heizkreises HK nachgebildet werden. Ein derartiger Zustand kann dann auftreten, wenn der Fall simuliert wird, daß die Wärmeanforderung des Gebäudes plötzlich abnimmt, d. h. wenn z. B. die Wärmezufuhr zu den im Gebäude angeordneten Heizkörpern reduziert bzw. unterbrochen wird, indem die an den Heizkörpern angeordneten Thermostatventile sich schliessen bzw. geschlossen werden.

Versuche haben gezeigt, daß die Rücklauftemperatur-Regelung bei kleinen Masseströmen ins Schwingen gerät. Durch den Einbau der Bypassleitung 66, die als hydraulische Weiche fungiert, kann dieses Schwingungsverhalten beseitigt werden, wenn der Volumenstrom des durch die Bypassleitung 66 gebildeten Konditionierkreises mit Hilfe der Umwälzpumpe 46 erhöht wird. Die Erhöhung des umlaufenden Volumenstromes in diesem Konditionierkreis beeinflußt nicht den Volumenstrom der Heizwassermenge, die über die Rücklauf-Lei­ tung 24 zum Wärmeerzeuger 10 führt, da die in dem Wärmeerzeuger 10 angeordnete Umwälzpumpe (nicht dargestellt) den entsprechend des simulierten Heiznetzes erforderlichen bzw. sich einstellenden Rücklauf-Vo­ lumenstrom ansaugt. Die Menge des in dem Konditionierkreis umgewälzten Heizwassers ist dabei mindestens doppelt so groß, wie die maximale Fördermenge, die durch die im Wärmeerzeuger 10 direkt angeordnete Umwälzpumpe gefördert werden kann. Wie Fig. 3 zeigt, konnte mit Hilfe der Heizvorrichtung 52 und der Bypassleitung 66 eine Verbesserung der Rücklauftemperatur-Re­ gelung des Heizkreises erreicht werden. In beiden Abbildungen stellen Kurve a den Temperaturverlauf des Heizwassers im Heizkreis HK, Kurve b die simulierte Rücklauftemperatur des Heizwassers sowie Kurve c die im Heizkreis HK real nachgebildete Rücklauftemperatur dar. In der oberen Abbildung sind die Temperaturverläufe im Heizkreis HK ohne eine zusätzliche Heizeinrichtung und ohne eine Bypassleitung dargestellt. Wie ersichtlich ist, weichen die Kurvenverläufe b und c, d. h. die real nachgebildete Rücklauftemperatur des Heizkreises HK von der simulierten Rücklauftemperatur ab. Im Gegensatz dazu, stimmen die Kurvenverläufe b und c in der unteren Abbildung nahezu überein, wobei, wie bereits beschrieben, der Heizkreis HK mit einer Heizvorrichtung 52 und einer Bypassleitung 66 ausgestattet ist.

Claims (8)

1. Prüfstand für Wärmeerzeuger, insbesondere für gasbetriebene Durchlauferhitzer, bei dem die Wärmelast von außen über eine virtuelle Testumgebung simuliert wird, wobei die virtuellen Zustandsgrößen, wie z. B. Massenstrom und Temperatur eines Heizkreises über mindestens eine Hardware-Schnittstelle in physikalische Zustandsgrößen umgewandelt und an den Wärmeerzeuger herangeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Hardware-Schnittstelle ein Heizkreis (HK) vorgesehen ist, der über eine Wärmetauscher-Einheit (22) mit einem Kühlkreis (KK) verbunden und mit einer vom Wärmeerzeuger unabhängigen Heizvorrichtung (52) versehen ist.

2. Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Vorlauf (20) und dem Rücklauf (24) des Heizkreises (HK) als Bypass zum Wärmeerzeuger (10) eine Bypassleitung (66) vorgesehen ist, wobei in dem vom Wärmeerzeuger (10) abgetrennten Teil des Heizkreises (HK) eine Umwälzpumpe (46) angeordnet ist, die den Volumenstrom im abgetrennten Teil des Heizkreises (HK) regelt.

3. Prüfstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (46) als Naßläufer ausgebildet ist.

4. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Rücklauf (24) des Heizkreises (HK) ein Volumenstrom-Drosselventil (58) vorgesehen ist, das den Heizwasser-Volumenstrom bzw. den hydraulischen Widerstand des simulierten Heizungsnetzes einstellt.

5. Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Heizvorrichtung als ein in den Heizkreis (HK) einschraubbarer Stabheizkörper (52) ausgebildet ist.

6. Prüfstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabheizkörper (52) im Heizkreis (HK) liegend oder mit den Anschlüssen nach unten, angeordnet ist.

7. Prüfstand für Wärmeerzeuger nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Simulation beliebiger Einsatzumgebungen mit Hilfe eines Simulationsrechners (16) erfolgt, der über eine signalverarbeitungs-Einheit (12) und dem Heizkreis (HK) als eine Hardware-Schnittstellen-Einheit (11B) mit dem Wärmeerzeuger (10) in Verbindung steht.

8. Prüfstand für Wärmeerzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßstand-Kontrolleinheit (14) zwischen dem Simulationsrechner (16) und der signalverarbeitungs-Einheit (12) geschaltet ist.