DE19907509A1 - Verfahren zur Regelung einer Fernwärmtherme und Regelsystem zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Fernwärmetherme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Regelsystem zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 4 und 5.

Bekannte Verfahren zur Regelung von Fernwärmethermen arbeiten beispielsweise mit einer reinen Rücklauftemperaturbegrenzung, bei der die Durchflußmenge im Primärkreis in Abhängigkeit der Temperatur des Warmwassers im Sekundärkreis erfolgt. Durch die Zeit, welche das Wasser vom Kaltwassereintritt zum Warmwasseraustritt des Wärmetauschers benötigt, sowie die Reaktionszeit des Temperatursensors besitzt ein solches System einen Zeitversatz, durch den der Regelvorgang potentiell schwingungsfähig ist. Zur Dämpfung der Schwingungsneigung muß die Regelcharakteristik abgeflacht werden, was allerdings zu einer ungenauen Regelung führt. Es sind auch Systeme bekannt, welche mit einer reinen Mengenregelung arbeiten. Diese Systeme können für eine bestimmte Vorlauftemperatur im Primärkreis auf eine gewünschte Warmwassertemperatur eingestellt werden. Bei unterschiedlichen Vorlauftemperaturen resultieren allerdings unterschiedliche Warmwassertemperaturen im Sekundärkreis.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von Maßnahmen, durch welche eine präzise Regelung der Fernwärmetherme erzielt wird, das heißt, daß bei variablen Mengen, Temperaturen und Druckdifferenzen im Primärkreis und der Kaltwassertemperatur im Sekundärkreis bei vorgegebener Entnahmemenge die Temperatur des Warmwassers möglichst konstant gehalten wird.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß Maßnahmen zur Nichtlinearisierung der Regelcharakteristik getroffen werden, indem die Regelcharakteristik für geringe sekundärseitige Durchflußmengen gegenüber der Regelcharakteristik für größere sekundärseitige Durchflußmengen geändert wird und dadurch die Schwingungsneigung der Regelung reduziert wird. Durch Verwendung zweier Führungsgrößen, nämlich die Temperatur und die Warmwassermenge ist eine genauere Anpassung an die Wärmeübertragungscharakteristik und somit eine präzisere Regelung möglich. Dadurch resultiert ein hoher Wirkungsgrad und eine maximale Nutzung der zur Verfügung stehenden Wärme wodurch eine niedrige Temperatur im Rücklaufkreis von üblicherweise 20°C oder sogar unter 15°C resultiert. Durch die Veränderung der Regelcharakteristik kann eine Anpassung der Regelcharakteristik erreicht und die Schwingungsneigung reduziert werden. Vorteilhafterweise wird die Warmwassermenge durch die Druckdifferenz in der Kaltwasserleitung des Sekundärkreises und die Warmwassertemperatur durch einen Temperatursensor im Warmwasseraustritt des Wärmetauschers erfaßt.

Gemäß einer Verfahrensvariante wird die Regelcharakteristik für geringe sekundärseitige Durchflußmengen abgeflacht. Dadurch bewirken geringe sekundärseitige Mengenänderungen geringere primärseitige Mengenänderungen als bei großen sekundärseitigen Mengenänderungen. Durch die resultierende Nichtlinearität der Regelcharakteristik sinkt die Schwingungsneigung des Gesamtsystems. Der selbe Effekt könnte auch durch eine Erhöhung der Steilheit der Kennlinie für größere Durchflußmengen erzielt werden.

Wenn der Heizkreislauf nach der Entnahme des Warmwassers sofort wieder geschlossen wird, können die Verluste weiter reduziert werden. Normalerweise entstehen durch Kriechströme bei einer Rücklauftemperaturbegrenzung Verluste. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist eine solche Rücklauftemperaturbegrenzung nicht erforderlich, da durch den hohen Wirkungsgrad der Anlage die Rücklauftemperatur sehr niedrig ist. Das in der Anlage befindliche restliche Warmwasser verteilt sich, so daß eine schnelle Abkühlung des Systems erfolgt und dadurch die Gefahr einer Verkalkung gebannt wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Regelsystems zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, das sich durch eine möglichst präzise Regelung und durch einen möglichst einfachen Aufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Kaltwasserleitung des Sekundärkreises eine Drossel angeordnet ist, und daß zur Regelung des Mengenreglers im Primärkreis die Drossel mit dem Mengenregler zur Übertragung der an der Drossel auftretenden Druckdifferenz verbunden ist, und daß die Drossel und bzw. oder der Mengenregler eine nichtlineare Regelcharakteristik aufweist. Durch diese Konstruktion kann das oben erwähnte Verfahren zur Regelung einer Fernwärmetherme effizient und relativ einfach realisiert werden.

Alternativ zu der oben genannten Konstruktion kann die Drossel auch in der Warmwasserleitung des Sekundärkreises angeordnet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die gewünschte Nichtlinearität der Regelcharakteristik dadurch erzielt, daß die Drossel einen Eingangsraum und einen Ausgangsraum zur Anordnung im Sekundärkreis des Wärmetauschers aufweist, wobei für einen Druckausgleich zwischen Eingangsraum und Ausgangsraum ein Ventil angeordnet ist, wobei das Ventil zur Erzielung einer nichtlinearen Regelcharakteristik der Drossel zumindest ein Loch, eine Bohrung od. dgl. zur Verbindung des Eingangsraums mit dem Ausgangsraum aufweist. Diese Maßnahme stellt sicher, daß bei kleinen sekundärseitigen Mengen ein teilweiser Druckausgleich stattfindet, was einer Verflachung der Charakteristik des Mengenreglers bei kleinen sekundärseitigen Durchflußmengen entspricht.

Vorteilhafterweise ist der Mengenregler als Membranventil ausgebildet mit zwei Anschlußstutzen zur Verbindung mit der Drossel und zwei Anschlußstutzen zur Anordnung im Primärkreis der Fernwärmetherme, wobei zwischen den Anschlußstutzen ein Ventil angeordnet ist, das durch die zwischen den Anschlußstutzen zur Verbindung mit der Drossel herrschenden Druckdifferenz über eine zwischen den Anschlußstutzen angeordnete Membran verschiebbar ist. Dies ist eine relativ einfache und robuste Realisierung eines Mengenreglers gemäß der vorliegenden Erfindung.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Darin zeigen

Fig. 1 schematisch die Funktion des erfindungsgemäßen Regelsystems einer Fernwärmetherme,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Drossel des Regelsystems gemäß Fig. 1 in seitlicher Schnittbilddarstellung,

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform des Mengenreglers des Regelsystems gemäß Fig. 1 in seitlicher Schnittbilddarstellung,

Fig. 4 eine Prinzipskizze einer anderen Ausführungsform der Drossel des Regelsystems gemäß Fig. 1 in seitlicher Schnittbilddarstellung, und

Fig. 5 eine Prinzipskizze einer anderen Ausführungsform des Mengenreglers des Regelsystems gemäß Fig. 1 in seitlicher Schnittbilddarstellung.

Fig. 1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Regelsystem der Fernwärmetherme bestehend aus einem Wärmetauscher 1, der z. B. als Plattenwärmeüberträger ausgeführt sein kann, mit einem Primärkreis und einem Sekundärkreis. Der Primärkreis wird durch den Vorlauf VL und den Rücklauf RL gebildet, welche an das Fernwärmenetz angeschlossen werden. Der Sekundärkreis ist durch die Kaltwasserleitung KW und die Warmwasserleitung WW gebildet. Im Rücklauf RL sind aufeinanderfolgend zwei Regelventile, und zwar ein Temperaturbegrenzer 2 und ein Mengenregler 9 angeordnet, welche als Führungsgrößen einerseits die Strömung und andererseits die Wassertemperatur T verwenden. Die Wassertemperatur T wird mit Hilfe eines Temperatursensors 34 am Anschluß der Warmwasserleitung WW am Wärmetauscher 1 gemessen. Der Wärmetauscher 1 muß so ausgelegt sein, daß er bei möglichst geringem primärseitigen Druckabfall über die ganzen zur Verfügung zu stellenden Mengen- und Temperaturbereichen so durchströmt wird, daß der Verlauf des Verhältnisses von Vorlaufmenge zu Warmwassermenge (Wärmeüberträgercharakteristik) stetig ist. In der Kaltwasserleitung KW befindet sich weiters ein Rückschlagventil 6 und ein Schmutzfänger 4 sowie ein Sicherheitsventil 5. In jeder Leitung des Primär- und des Sekundärkreises ist je ein Absperrventil 8 vorgesehen. In der Rücklaufleitung RL des Primärkreises ist noch eine Entlüftung 7 angeordnet.

Durch die Mengenregelung mit Hilfe des Mengenreglers 9 erfolgt eine Vorregelung auf die erforderliche Vorlaufmenge. Die Mengenregelung erfolgt durch eine in der Kaltwasserleitung KW befindliche Drossel 3 welche als Differenzdruckgeber, z. B. als federbelastetes Ventil ausgebildet ist. Die Drossel 3 liefert die Druckdifferenz Δp, welche die Regelgröße für den Mengenregler 9 darstellt. Über zwei Leitungen L1 und L2 wird die in der Drossel auftretende Druckdifferenz Δp an den Mengenregler 9 geliefert. Öffnet der Verbraucher den Warmwasserhahn, dann wird die Drossel 3 durch die sich einstellende Druckdifferenz Δp aufgedrückt und der Mengenregler 9 durch diese Druckdifferenz Δp geregelt.

Durch die mit Hilfe des Temperatursensors 34 am Warmwasseraustritt WW des Wärmetauschers 1 gemessene Temperatur T wird der Temperaturbegrenzer 2 gesteuert. Kühlt das Warmwasser WW ab, so öffnet der Temperaturbegrenzer 2, bei hoher Temperatur schließt der Temperaturbegrenzer 2. Da die Regelstrecke einen Zeitversatz hat, nämlich jene Zeit, die das Wasser braucht, um vom Eintritt in den Wärmetauscher 1 zum Austritt zu gelangen und die Reaktionszeit des Thermostaten, ist der Regelvorgang potentiell schwingungsfähig. Durch das Herstellen einer ausreichend niedrigen Druckdifferenz im Temperaturbegrenzer 2 durch die möglichst gute Anpassung des Mengenreglers 9 erfolgt eine Dämpfung dieser Schwingungen, wegen der Nichtlinearität des Gesamtkennlinienverlaufes (Soll-Isttemperaturdifferenz zu primärseitigem Mengendurchsatz).

Durch die Verwendung von zwei getrennten Regelventilen 2, 9 ist es möglich, beide Parameter, nämlich die Temperatur T und die Warmwassermenge Q, getrennt einzustellen und so eine genauere Anpassung an die Wärmeüberträgercharakteristik zu gewährleisten. Es ist dabei für die Funktion des Regelsystems irrelevant, ob der Temperaturbegrenzer 2 und der Mengenregler 9 im Rücklauf RL oder Vorlauf VL des Primärkreises angeordnet sind.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführung der Drossel 3 in seitlicher Schnittbilddarstellung wiedergegeben. Die als Differenzdruckgeber aufgebaute Drossel 3 besitzt ein Gehäuse 10 mit einem Eingangsraum 11 und einem Ausgangsraum 12, welche in Richtung des Pfeiles A vom Kaltwasser des Sekundärkreises durchströmt werden. Ein Ventil 13 ist auf einer Ventilstange 14 geführt, welche unter dem Einfluß einer das Ventil in die Schließstellung drückenden Feder 15 steht. Das Ventil 13 ist schräg gegen die Strömungsrichtung angeordnet und schließt mit der Mittelachse des Gehäuses 10 einen Winkel α ein, welcher etwa 45° beträgt. Die zylindrische Wand des Ventils 13 ist mit zwei diametral gegenüberliegenden Löchern 16 versehen, welche an der Innenseite der Zylinderwand des Ventils 13 in den Eingangsraum 11 des Gehäuses 10 mündet, während die Löcher 16 ausgangsseitig mit dem Ausgangsraum 12 in Verbindung steht. Öffnet der Verbraucher den Warmwasserhahn, sinkt der Druck im Eingangsraum 11 des Gehäuses 10 der Drossel 3 und da der Druck im Ausgangsraum 12 größer ist, wird das federbelastete Ventil 13 durch die Druckdifferenz Δp zwischen Eingangsraum 11 und Ausgangsraum 12 gegen den Druck der Feder 15 gedrückt, so daß sich der Ventilkolben 13 vom Ventilsitz 19 abhebt und den Durchfluß gedrosselt freigibt. Der Druck im Eingangsraum 11 des Gehäuses 10 wird über die Leitung L1 (siehe Fig. 1) zum Stutzen 17' unter Druck im Ausgangsraum 12 über einen Stutzen 18 zu einem korrespondierenden Stutzen 18' des Mengenreglers 9 übertragen.

Durch die Löcher 16 wird die an sich steile Kennlinie des Regelventils bei kleinen sekundärseitigen Durchflußmengen in Abhängigkeit des definierten Durchmessers der Löcher 16 verflacht. Durch die Löcher 16 erfolgt bei kleinen sekundärseitigen Mengen ein teilweiser Druckausgleich, so daß kleine sekundärseitige Mengenänderungen kleinere primärseitige Mengenänderungen bewirken als bei großen sekundärseitigen Mengenänderungen, weil bei starken Druckdifferenzen der relative Anteil des Druckausgleiches kleiner ist. Dadurch wird erreicht, daß die Kennlinie des Mengenreglers 9 sich an die Kennlinie des Wärmetauschers 1 anpaßt, und die zur Regelung der Temperatur über den Temperaturbegrenzer 2 notwendigen Druckdifferenzen über den gesamten Regelbereich annähernd konstant bleiben. Die Löcher 16 sind außerdem für einen vollständigen Druckausgleich bei geschlossenem Warmwasserhahn notwendig. Ist der Druckausgleich erfolgt, so schließt die Feder des Mengenreglers 9 den Primärkreis. Dies erfolgt schon bei ausreichend kleiner Sekundärmenge. Zu beachten ist allerdings, daß bei verschiedenen Vorlauftemperaturen die Anpassung an die Charakteristik verschieden gut erfolgt, so daß da die höchsten Vorlauftemperaturen die geringsten Vorlaufinengen bedingen und die Mengenanpassung nur eine Begrenzung nach oben bedingt, die beste Anpassung nur bei den niedrigsten Vorlauftemperaturen erfolgen kann.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Mengenregler 9 als Membranventil. Die auftretende Druckdifferenz Δp zwischen dem Eingangsraum 11 und dem Ausgangsraum 12 der Drossel 3 (siehe Fig. 2), wird über die Anschlußstutzen 17 und 18 der Drossel und über Leitungen L1 und L2 an die Anschlußstutzen 17' und 18' des Mengenreglers 9 weitergegeben. Zwischen diesen Anschlußstutzen 17' und 18' ist zwischen zwei Tellern 21, 22 eine Membran 20 eingespannt. Entsprechend der Druckdifferenz Δp verschiebt sich die durch eine Feder 30 belastete und normalerweise in Schließstellung des Ventils 23 gehaltene Ventilstange 24 indem der Druck am Anschlußstutzen 17' auf den Teller 21 und der Druck am Anschlußstutzen 18' auf den Teller 22 der Membran 20 einwirkt. Die Membranteller 21, 22 sind mit der Ventilstange 24 zwischen dem Ventilkopf 25 und einer Schraubenmutter 26, weiche an einem Gewindeteil 28 aufgeschraubt ist, eingespannt. Weiters befindet sich am Gehäuse 27 ein Anschlag 29 für die Ventilstange 24. Durch die Verschiebung der federbelasteten Ventilstange 24 des Ventiltellers 23 in Abhängigkeit der Druckdifferenz Δp wird die im Rücklauf RL primärseitige Durchflußmenge der Therme geregelt. Die Flüssigkeit im Rücklauf RL des Primärkreises fließt durch den Mengenregler 9 in Richtung des Pfeiles X. Die Durchflußmenge zwischen den Anschlußstutzen 32 und 33' welche in den Primärkreis des Fernwärmenetzes eingeschaltet werden, hängt von der Stellung des Ventiltellers 23 gegenüber dem Ventilsitz 31 ab, welche eine Funktion des Öffnungsweges des Mengenreglers 9 ist. Durch entsprechende Dimensionierung und Formgebung des Mengenreglers 9 ergibt sich für jede Spaltweite am Ventilsitz 31 bei einer definierten Druckdifferenz Δp ein definierter Durchsatz in Richtung des Pfeiles X.

Fig. 4 zeigt eine gegenüber Fig. 2 etwas abgeänderte und vereinfacht dargestellte Variante einer Drossel 3 mit einem Eingangsraum 11 und einem Ausgangsraum 12, welche in Richtung der Pfeile A und B vom Kaltwasser des Sekundärkreises durchströmt werden, abhebt und den Durchfluß gedrosselt freigibt. Die Druckdifferenz Δp zwischen Eingangsraum 11 und Ausgangsraum 12 wird über die Anschlußstutzen 17 und 18 an den Mengenregler 9 übertragen. Zur Verflachung der Kennlinie des Regelventils werden der Eingangsraum 11 und der Ausgangsraum 12 durch ein Loch 16 miteinander verbunden, wodurch bei kleinen sekundärseitigen Durchflußmengen ein teilweiser Druckausgleich stattfindet.

Fig. 5 zeigt eine gegenüber Fig. 3 etwas abgeänderte und vereinfacht dargestellte Variante eines Mengenreglers 9. Die an der Drossel 3 zwischen dem Eingangsraum 11 und dem Ausgangsraum 12 auftretende Druckdifferenz Δp wird an die Anschlußstutzen 17' und 18' des Mengenreglers 9 übertragen und entsprechend der Druckdifferenz Δp die Ventilstange 24 verschoben und somit die in Richtung des Pfeiles X fließende primärseitige Durchflußmenge der Therme geregelt.

Eine Anpassung der Regelcharakteristik könnte auch auf andere Methoden, wie zum Beispiel durch eine nichtlineare Federcharakteristik der Ventilfeder der Drossel 3 und bzw. oder des Mengenreglers 9 erzielt werden. Durch die Nichtlinearität des Gesamtkennlinienverlaufs erfolgt eine Dämpfung der Schwingungen und somit eine präzise Regelung.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung einer Fernwärmetherme unter Verwendung eines Wärmetauschers, der über einen Primärkreis an das Fernheizwerk angeschlossen ist und über einen Sekundärkreis mit dem Verbraucher verbunden ist, wobei die Durchflußmenge im Primärkreis in Abhängigkeit der Menge und Temperatur des durch den Verbraucher entnommenen Warmwassers geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Maßnahmen zur Nichtlinearisierung der Regelcharakteristik getroffen werden, indem die Regelcharakteristik für geringe sekundärseitige Durchflußmengen gegenüber der Regelcharakteristik für größere sekundärseitige Durchflußmengen geändert wird und dadurch die Schwingungsneigung der Regelung reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelcharakteristik für geringe sekundärseitige Durchflußmengen abgeflacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkreislauf nach der Entnahme des Warmwassers sofort wieder geschlossen wird.

4. Regelsystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend einen Wärmetauscher (1) der über einen Primärkreis (VL, RL) an das Fernheizwerk angeschlossen ist und über einen Sekundärkreis (KW, WW) mit dem Verbraucher verbunden ist, wobei im Primärkreis (VL, RL) ein Temperaturbegrenzer (2) und ein Mengenregler (9) angeordnet sind, wobei der Temperaturbegrenzer (2) mit einem die Temperatur (T) des Warmwassers (WW) erfassenden Temperatursensor (34) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kaltwasserleitung (KW) des Sekundärkreises (KW, WW) eine Drossel (3) angeordnet ist, und daß zur Regelung des Mengenreglers (9) im Primärkreis (VL, RL) die Drossel (3) mit dem Mengenregler (9) zur Übertragung der an der Drossel (3) auftretenden Druckdifferenz (Δp) verbunden ist, und daß die Drossel (3) und bzw. oder der Mengenregler (9) eine nichtlineare Regelcharakteristik aufweist.

5. Regelsystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend einen Wärmetauscher (1) der über einen Primärkreis (VL, RL) an das Fernheizwerk angeschlossen ist und über einen Sekundärkreis (KW, WW) mit dem Verbraucher verbunden ist, wobei im Primärkreis (VL, RL) ein Temperaturbegrenzer (2) und ein Mengenregler (9) angeordnet sind, wobei der Temperaturbegrenzer (2) mit einem die Temperatur (T) des Warmwassers (WW) erfassenden Temperatursensor (34) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Warmwasserleitung (WW) des Sekundärkreises (KW, WW) eine Drossel (3) angeordnet ist, und daß zur Regelung des Mengenreglers (9) im Primärkreis (VL, RL) die Drossel (3) mit dem Mengenregler (9) zur Übertragung der an der Drossel (3) auftretenden Druckdifferenz (Δp) verbunden ist, und daß die Drossel (3) und bzw. oder der Mengenregler (9) eine nichtlineare Regelcharakteristik aufweist.

6. Regelsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (3) einen Eingangsraum (11) und einen Ausgangsraum (12) zur Anordnung im Sekundärkreis des Wärmetauschers (1) aufweist, wobei für einen Druckausgleich zwischen Eingangsraum (11) und Ausgangsraum (12) ein Ventil (13) angeordnet ist, wobei das Ventil (13) zur Erzielung einer nichtlinearen Regelcharakteristik der Drossel (3) zumindest ein Loch (16), eine Bohrung od. dgl. zur Verbindung des Eingangsraums (11) mit dem Ausgangsraum (12) aufweist.

7. Regelsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mengenregler (9) als Membranventil ausgebildet ist mit zwei Anschlußstutzen (17', 18') zur Verbindung mit der Drossel (3) und zwei Anschlußstutzen (32, 33) zur Anordnung im Primärkreis der Fernwärmetherme, wobei zwischen den Anschlußstutzen (32, 33) ein Ventil angeordnet ist, das durch die zwischen den Anschlußstutzen (17', 18') zur Verbindung mit der Drossel (3) herrschenden Druckdifferenz (Δp) über eine zwischen den Anschlußstutzen (17', 18') angeordnete Membran (20) verschiebbar ist.