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Die Erfindung betrifft ein Steuersystem zum Schalten der Pumpe in Kleinanlagen-Warmwasser-Zirkulationssystemen nach DVGW-Arbeitsblatt W 551, d.h., vornehmlich in Ein- und Zweifamilienhäusern, welches optimalen Kompromiss von Energieeffizienz und hygienischen Anforderung bildet.
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Stand der Technik
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Es sind verschiedene Möglichkeiten bzw. Geräte zur Steuerung der Warmwasser Zirkulationspumpen bekannt:
- (a) Manuelle Aktivierung der Pumpe durch Taster bzw. Schalter. In der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2004 000 118 U1 wird eine ,Mikroprozessorgesteuerte Funkfernschaltung für Warmwasser-Zirkulationspumpe' beschrieben, die durch eine Funk-Fernbedienung und einen entsprechenden Funkkontakt betrieben wird. In der DE 201 14 693 U1 werden beleuchtete Wippschalter in jeder Etage bzw. Wohnung als Aktivator genutzt.
- (b) Erfassung einer kurzzeitigen Warmwasserentnahme durch Druck-, Strömungs- bzw. Thermosensoren, und darauffolgende Aktivierung der Pumpe für einen festgelegten Zeitraum. In der DE 20 2004 021 425 U1 wird z.B. ein kalorimetrischer Strömungswächter verwendet.
- (c) Erfassung der Bewegung vor der Entnahmestelle durch IR-Bewegungsmelder. In der DE 297 02 704 U1 wird als Nachteil beschrieben, dass jede Bewegung zur Aktivierung der Pumpe führt, auch wenn kein Wasser entnommen wird.
- (d) Aktivierung der Pumpe nach einem zeitlichen Profil, welches durch einen Lernprozess bei der Erfassung der Warmwasserentnahme angepasst werden kann, wie es in DE 197 34 361 beschrieben ist.
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Die Lösungen (a) und (b) bedingen eine aktive Benachrichtigung durch den Nutzer und aufgrund der notwendigen Pumpzeit einen Wartezeitraum bis zum Eintreffen des Warmwassers an der Entnahmestelle.
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In der Patentschrift
DE 101 28 444 B4 wird eine Anordnung und ein Verfahren zur bedarfsgerechten automatischen Steuerung der Pumpe vorgeschlagen, die das Signal des Thermosensors mit Größenkomparator, Spitzenwertspeicher, Differenzierer und Mikroprozessor auf Entnahmeereignisse testet und diese nach Wichtung fortlaufend in einen Speicher einträgt. Aufgrund dieser gespeicherten Werte erfolgt eine Vorhersage eines Ereignisses, wobei die Pumpe bereits früher aktiviert ist, damit das Warmwasser mit Speichertemperatur zum erwarteten Ereigniszeitpunkt an der Entnahmestelle bereitsteht. Diese Lösung hat den Nachteil, dass das Warmwasser im Fall eines nicht eintretenden Ereignisses in der Regel bis zur Mitte des Zirkulationssystems gepumpt ist, so dass bei mehrfacher Aktivierung der Pumpe die Zirkulationsleitung trotz Sperrzeit übermäßig erwärmt wird. Außerdem werden vorhersehbare Unregelmäßigkeiten, wie z.B. Feiertage nicht berücksichtigt. Im Abschnitt [0026] der Schrift wird beschrieben, dass eine langsame Impulsfolge zur Zwangseinschaltung der Pumpe in - nicht genauer definierten - größeren Zeitabständen generiert wird, um das Faulen des Wassers im Rohrsystem bei längeren Stillstandzeiten zu verhindern'.
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Im
EP 2 031 313 B1 wird eine Zirkulationspumpe beschrieben, deren Schaltungsanordnung der
DE 101 28 444 B4 im Wesentlichen entspricht, und im Pumpengehäuse integriert ist.
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Alle recherchierten Lösungen sind vor längerer Zeit publiziert bzw. in die Produktion überführt worden. Einige Einschätzungen bzgl. des gerätetechnischen Aufwandes sowie der Realisierbarkeit verschiedener Lösungsansätze sind überholt.
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Erfindung
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Ziel der Erfindung ist ein Steuersystem, das einen optimierten Kompromiss zwischen hygienischen Anforderungen, Energieeffizienz und Komfort gewährleistet, und die folgenden Eigenschaften haben soll:
- • Die Inbetriebnahme des Steuersystems erfolgt ohne Eingriff in die vorhandene Sanitär-Installation.
- • Nutzung der installierten Pumpe bei stark reduzierter durchschnittlicher Leistungsaufnahme.
- • Die Wassertemperaturen an den Entnahmestellen sollen hinreichend genau abgeschätzt und eingestellt werden können.
- • Das Wasser im Zirkulationssystem soll ,quasi dynamisch', d.h., nahezu ständig in Bewegung sein, um einen hygienischen Betrieb zu ermöglichen. Die Temperatur des Wassers in der Zirkulationsleitung soll in diesem Betriebszustand minimiert werden.
- • Hygiene-Spülungen des Zirkulationssystems sollen mit der höchstmöglichen Temperatur synchronisiert mit den Heizereignissen des Warmwasserspeichers erfolgen.
- • Im Regelfall soll das System ohne aktiven Nutzereingriff arbeiten.
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Im Gegensatz zu den zitierten Lösungen, bei denen die Pumpe nur nach einem tatsächlichen oder prognostizierten Auslöseereignis aktiviert wird, setzt die erfindungsgemäße Steuerung diese in einen, durch Pulsweitenmodulation (PWM) kontrollierten ,quasi dynamischen' Zustand. Hierbei wird die Pumpe zyklisch für einen kurzen Zeitraum tw aktiviert und bleibt hierauf für einen bestimmten Zeitraum ta ausgeschaltet, wobei das Zirkulationssystem selbst als Integrator dient. Wird die Arbeitszeit tw des PWM-Zyklus auf
festgelegt, wobei td die Durchlaufzeit im stetigen Pumpbetrieb und n eine Ganzzahl ist, ergibt sich für die getaktete Gesamtdurchlaufzeit tdg = n * (tw+ ta), die somit um n * ta gegenüber td erhöht ist. Dies entspricht der Verringerung des mittleren Förderstromes, wie es in modernen Zirkulationspumpen durch Drehzahlregelung erreicht wird.
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Zur Berechnung des Temperaturverlaufes wird die physikalische Gleichung benutzt:
wobei Te die Endtemperatur der Erwärmung, Tu die Umgebungstemperatur und τ die Abkühl-Zeitkonstante ist. Für die Zeit t lässt sich mit der PWM-Zyklusanzahl i - gezählt vom Ausgangspunkt Warmwasserspeicher - schreiben:
und mit (1) kann transformiert werden:
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Mit i = n lassen sich somit die Rücklauftemperatur, mit i = n/2 die Temperatur am Anfang der Zirkulationsleitung und über eine Abschätzung die Temperaturen an den Entnahmestellen mit hinreichender Genauigkeit bestimmen.
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Wenn keine Warmwasser-Entnahme, z.B. in den Nachtstunden, erfolgt, lassen sich Durchlaufzeit und Abkühl-Zeitkonstante τ ermitteln.
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Die Temperatur des Systems und der Betrag des Anstieges der Abkühlkurve (2) ist nahe dem Warmwasserspeicher am größten. Deshalb soll der Vorlauf-Temperatursensor im Rohrsystem in einer gewissen Entfernung vom Warmwasserspeicher angebracht werden, um ein Entnahmeereignis durch die dabei auftretende Temperaturerhöhung sicher feststellen zu können.
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Die durchschnittliche Leistungsaufnahme der Pumpe verringert sich im PWM-Betrieb um den Faktor des Tastverhältnis gegenüber ihrer Nennleistung.
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Dieses Prinzip bedingt zur Minimierung der Temperaturwelligkeit eine kurze Zykluszeit, so dass mehr als 1.000 Schaltvorgänge pro Tag erforderlich sein können.
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Ausführungsbeispiel
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Der prinzipielle Aufbau des Steuersystems ist in 1 schematisch dargestellt. Kernstück des Systems ist das Steuergerät [4], welches, von einem Microcontroller [4a] gesteuert, über den Wechselspannungsschalter [4b] den Motor [5] der Zirkulationspumpe an- bzw. ausschaltet. [4d] ist ein effizientes Schaltnetzteil zur Spannungsversorgung des Gerätes. Die Thermosensoren [1] bis [3] werden vom Microcontroller [4a] gesteuert und deren Signale ausgewertet. In diesem Beispiel handelt es sich um preiswerte kalibrierte Digitalsensoren im Edelstahlrohr, die mit einer Halteklammer unter der Isolation an den Rohren befestigt werden. Dies gewährleistet einen guten thermischen Kontakt zum Rohr auf der einen, und eine gute Umweltisolation auf der anderen Seite.
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Wie in Absatz [012] erwähnt, ist die Schalthäufigkeit hoch. Elektromechanische Relais mit einer begrenzten mechanischen Lebenszeit sind für diese Anzahl ungeeignet - es können nur elektronische oder, wie hier in der Ausführung, optoelektronische Relais verwendet werden.
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Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist die Nutzung eines dritten Thermosensors [3] im Warmwasserspeicher-Heizkreis. Dies ermöglicht, dass eine Systemspülung mit der maximalen Wassertemperatur durchgeführt und eine Fehlinterpretation des Heizereignisses als mögliche Warmwasser-Entnahme ausgeschlossen werden kann. Hygieneprogramme der Anlage können sicher erkannt werden, so dass für die gesamte Zeitdauer des Programmes das Zirkulationssystem gespült werden kann.
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Eine weitere Ausgestaltung ist die Erweiterung des Systems durch einen oder mehrere Funk-Präsenzsensoren (in 1 [6a] und [6b]) und die Einführung einer entsprechenden Funkeinheit im Steuergerät [4c]. Die Erkennung der Präsenz eines Nutzers wird dem Steuergerät mittels geeignetem Funkprotokoll mitgeteilt, löst jedoch nicht sofort eine Pumpschaltung aus. Die Erkennung des Entnahmeereignisses über den Vorlauf-Thermosensor ist aufgrund der thermischen Trägheit des Rohrsystems immer zeitverzögert, und kann auch fehlerhaft sein. Durch die Kombination der Informationen von Präsenz- und Thermosensoren lassen sich Entnahmeereignisse sicher feststellen. Die Funk-Präsenzsensoren besitzen Identifikationsnummern, die bei jedem Funkvorgang dem Steuergerät mitgeteilt werden. Durch Zuordnung der Funksensoren, z.B. manuell über eine entsprechende Eingabeeinheit, zu den Warmwasser-Entnahmestellen, lässt sich der tatsächliche Entnahmeort mit hoher Wahrscheinlichkeit bestimmen. Vorteilhaft kann das System mit Luftdrucksensoren in Steuergerät und Funksensoren, deren Messwerte während eines Funkvorganges übertragen werden, ausgestattet sein, so dass die Zuordnung automatisch über eine barometrische Höhendifferenz-Berechnung erfolgen kann. Als weitere vorteilhafte Ausführung können die Funk-Präsenzsensoren mit Detektoren ausgestattet sein, die nicht nur in der Lage sind, die reine Präsenz, sondern auch die Entfernung dieser zum Sensor zu bestimmen. Damit kann eine einfache Gestensteuerung implementiert werden, um dem Steuergerät Fernsteuerbefehle zu senden, wie z.B. ,Pumpe, bis Wasser an Entnahmestelle ist', um bei Wasserentnahme die Warmwasserspeichertemperatur zu erhalten, oder ,Ereignis ignorieren'.
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Eine weitere sinnvolle Ausgestaltung ist die Implementierung einer Echtzeituhr (RTC). Mit dieser ist die Ereignisstatistik genauer zu führen, die Wochentagerkennung anhand von Ereignissen kann entfallen, und die Vorhersage von Feiertagen wird ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202004000118 U1 [0002]
- DE 20114693 U1 [0002]
- DE 202004021425 U1 [0002]
- DE 29702704 U1 [0002]
- DE 19734361 [0002]
- DE 10128444 B4 [0004, 0005]
- EP 2031313 B1 [0005]
