DE3704756A1 - Verfahren zum einstellen der foerderleistung einer umwaelzpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ein­ stellen der Förderleistung einer durch einen Elektro­ motor mit veränderbarer Drehzahl antreibbaren im Rohr­ system einer Warmwasser-Heizungsanlage angeordneten Um­ wälzpumpe, mit welcher das von einem Heizkessel kommende Wasser durch in unterschiedlichen Räumen der Heizungsan­ lage befindliche Verbraucher gepumpt und über ein Rücklauf­ rohr zurück zum Heizkessel bewegt wird, bei welchem an einer Stelle im Rohrsystem ein die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers erfassendes Meßgerät angebracht wird das eine der Strömungsgeschwindigkeit proportionale elektrische Spannung liefert, die einem mit dem Elektromotor ver­ bundenen Regler zugeführt wird durch dessen Ausgangs­ größe die Drehzahl des Elektromotors veränderbar ist (DE-OS 35 08 049).

Heizungsanlagen gibt es in den unterschiedlichsten Größen­ ordnungen. Sie sind beispielsweise in Einfamilienhäusern, in Mietshäusern, in großen Bürohäusern oder auch bei Firmen mit einer Vielzahl von Gebäuden installiert. In Abhängig­ keit von der Größe der Heizungsanlage, die im wesentlichen von der Anzahl der Verbraucher bestimmt wird, ist die be­ nötigte Pumpenleistung zu bemessen. So reicht in vielen Fällen eine einzige Umwälzpumpe aus. Bei größeren Anlagen werden eine Hauptpumpe und zusätzliche Pumpen für einzelne Heizkreise eingesetzt. Die maximale Förderleistung wird stets so bemessen, daß alle in einer Anlage befindlichen Verbraucher auch dann ausreichend versorgt werden können, wenn sie gleichzeitig eingeschaltet sind. "Verbraucher" sind dabei beispielsweise Heizkörper, Flächenheizungen Wärmetauscher oder Klimaanlagen.

Die volle Pumpenleistung wird nur dann benötigt, wenn alle Verbraucher oder zumindest der größte Teil derselben einge­ schaltet sind. In den Zeiten - beispielsweise nachts oder in der wärmeren Jahreszeit -, in denen nur ein Teil der Verbraucher eingeschaltet ist, kann die Pumpenleistung ver­ mindert werden. Das gilt auch, wenn der von den Verbrauchern benötigte Bedarf beispielsweise über Thermostatventile ge­ drosselt wird. Wenn die Pumpe in diesen Fällen mit voller Leistung weiter fördert, kann es zu störenden Strömungsge­ räuschen im Rohrsystem der Heizungsanlage kommen. Außerdem hat die Pumpe dabei durchgehend den maximalen Energiebedarf mit entsprechend hohen Stromkosten.

Es sind daher Umwälzpumpen auf dem Markt erhältlich, deren Elektromotor in Stufen mit unterschiedlichen Drehzahlen an­ getrieben werden kann. Die Umschaltung kann mit entsprechen­ den Umschaltern von Hand oder auch automatisch mittels eines Zeitglieds wie einer Schaltuhr, durchgeführt werden. In beiden Fällen wird die Umschaltung nach Erfahrungswerten zeitabhängig vorgenommen. Eine Anpassung an die tatsächlich benötigte Förderleistung ist nicht möglich. So kann bei den bekannten Verfahren bzw. Anordnungen beispielsweise nicht erfaßt werden, wenn während der Vollastzeit eine größere Anzahl von Verbrauchern abgeschaltet oder während der Zeit mit verminderter Pumpenleistung eine größere Anzahl von Verbrauchern zugeschaltet wird. Insbesondere im zweiten Fall kann das sehr stören, da der Wärmebedarf insgesamt dann nicht befriedigt werden kann.

Mit dem bekannten Verfahren nach der eingangs erwähnten DE-OS 35 08 049 ist eine automatische Anpassung der Pumpen­ leistung an den jeweiligen Betriebszustand sichergestellt. Die Pumpenleistung wird bei diesem Verfahren nach Maßgabe der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rücklaufrohr verändert. Zum Antrieb der Umwälzpumpe wird ein Elektro­ motor verwendet der stufenweise auf mindestens zwei unter­ schiedliche Drehzahlen umschaltbar ist. Dieses Verfahren hat sich in der Praxis bewährt. Es erfordert jedoch für die Umschaltung auf die unterschiedlichen Drehzahlstufen einigen schaltungstechnischen Aufwand. Außerdem ist mit diesem Ver­ fahren eine kontinuierliche Anpassung der Förderleistung der Umwälzpumpe nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem bei geringem schaltungstechnischen Auf­ wand eine kontinuierliche Anpassung der Förderleistung der Umwälzpumpe einer Heizungsanlage an den Warmwasserbedarf möglich ist und mit dem weiterhin eine ausreichende Ver­ sorgung aller Verbraucher der Heizungsanlage bei allen Betriebszuständen sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs geschil­ derten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

• - daß zum Antrieb der Umwälzpumpe ein Elektromotor mit stufenlos regelbarer Drehzahl verwendet wird und
• - daß von dem Regler zur Regelung der Drehzahl bzw. der Förderleistung der Umwälzpumpe als Ausgangsgröße Span­ nungswerte geliefert werden, die zumindest im Bereich niedriger Spannungswerte bis etwa 60% der Maximalspan­ nung höher sind als die Spannungswerte, die der vorge­ gebenen Kennlinie der Umwälzpumpe entsprechen.

Durch die Verwendung eines stufenlos drehzahlregelbaren Elektromotors als Antrieb für die Umwälzpumpe ist eine kontinuierliche Anpassung der Förderleistung derselben an den jeweiligen Betriebszustand der Heizungsanlage gegeben. Der Regler regelt die Drehzahl des Elektromotors nach Maßgabe der vorher berechneten Kennlinie der Umwälz­ pumpe, welche den Gegebenheiten der Heizungsanlage ent­ spricht. Damit bei jedem Betriebszustand der Heizungsan­ lage eine ausreichende Versorgung mit Warmwasser sicherge­ stellt ist werden vom Regler zumindest im unteren Spannungs­ bereich, d. h. bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit im Rohrsystem, Spannungswerte geliefert, die über den Spannungs­ werten der Kennlinie liegen. In diesem Spannungsbereich würde die Umwälzpumpe mit niedriger Drehzahl und entsprechend niedriger Leistung arbeiten, da aufgrund der niedrigen Strö­ mungsgeschwindigkeit keine höhere Leistung erforderlich ist. Wenn dann durch Einschalten zusätzlicher Verbraucher schnell eine erhöhte Leistung benötigt wird könnte es geschehen daß die Umwälzpumpe nur sehr langsam und im Extremfall gar nicht hochläuft, weil die Strömungsgeschwindigkeit im Rohrsystem nur unwesentlich zunimmt. Diese Gefahr besteht beim vorliegen­ den Verfahren nicht, da der Regler zumindest im kritischen Bereich höhere Spannungswerte liefert. Der Umwälzpumpe wird also ein gegenüber der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit höherer Wert vorgetäuscht, so daß sie auch bei geringer Strömungsgeschwindigkeit ihre Leistung nicht zu weit er­ niedrigt. Beim Einschalten zusätzlicher Verbraucher steigt daher die Strömungsgeschwindigkeit sofort an und die Umwälz­ pumpe stellt sich schnell auf die geforderte Leistung ein.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Das Verfahren nach der Erfindung wird an Hand der Zeich­ nungen als Ausführungsbeispiel erläutert. In diesem Aus­ führungsbeispiel ist das Meßgerät im Rücklaufrohr angeordnet. Das ist für die Wirksamkeit der Vorrichtung die günstigste Stelle. Es kann aber beispielsweise auch im Vorlaufrohr an­ geordnet sein.

Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Heizungsanlage die mit dem Verfahren nach der Erfindung betrieben wird.

Fig. 2 und 3 Diagramme zur Durchführung des Verfahrens mit analogem Regelbetrieb.

Fig. 4 und 5 Diagramme zur Durchführung des Verfahrens mit einem von einem Rechner gesteuerten Regler.

Mit 1 ist ein in einem beliebigen Gebäude aufgestellter Heiz­ kessel bezeichnet an den über ein Rohrsystem im Gebäude an­ geordnete Verbraucher angeschlossen sind. Stellvertretend für eine beliebige Anzahl von Verbrauchern ist in Fig. 1 ein Ver­ braucher 2 eingezeichnet. Das Wasser der Warmwasser-Heizungs­ anlage wird entsprechend den eingezeichneten Pfeilen mittels einer Umwälzpumpe 3 - im folgenden kurz als "Pumpe" bezeichnet - über den Verbraucher 2 zurück zum Heizkessel 1 geführt. Die Pumpe 3 wird von einem drehzahlgeregelten Elektromotor ange­ trieben dessen Drehzahl stufenlos regelbar ist.

Im Rücklaufrohr der Heizungsanlage ist ein Meßgerät 4 ange­ ordnet, das die Strömungsgeschwindigkeit des zurückströmenden Wassers erfaßt und eine proportionale elektrische Gleichspan­ nung liefert. Solche Meßgeräte sind bekannt. Sie arbeiten bei­ spielsweise mittels Ultraschalls. Das Meßgerät 4 kann bei­ spielsweise eine Gleichspannung bis zu 10 V liefern die der maximalen Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rücklauf­ rohr entspricht wenn alle Verbraucher 2 der Heizungsanlage voll eingeschaltet sind. Die Wassermenge entspricht dabei 100%. Wenn die Wassermenge und damit auch die Strömungsge­ schwindigkeit um 10% zurückgeht, dann sinkt auch die vom Meßgerät 4 gelieferte Gleichspannung um 10%, also um 1 V.

An das Meßgerät 4 ist ein Regler 5 angeschlossen der auf der anderen Seite mit der Pumpe 3 bzw. mit deren Elektromotor verbunden ist. Zwischen dem Regler 5 und dem Elektromotor kann ein an sich bekannter Frequenz-Umrichter eingeschaltet sein, über den in Abhängigkeit von der vom Regler 5 gelie­ ferten Spannung die Drehzahl des Elektromotors geregelt wird.

Die Pumpe 3 hat eine Kennlinie K wie sie beispielsweise aus den Fig. 2 und 4 hervorgeht. Die Kennlinie K ist bekannt. Ihr Verlauf richtet sich nach der Größe bzw. Leistung der Pumpe 3, die nach den Gegebenheiten der Heizungsanlage - Größe Anzahl der Verbraucher - dimensio­ niert ist. Die Kennlinie K bzw. die derselben entsprechen­ den Spannungswerte nach den Fig. 3 und 5 werden dem Regler 5 aufgegeben. Die Pumpe 3 fördert in Abhängigkeit von ihrer Drehzahl n entsprechend der Kennlinie K eine bestimmte Wassermenge Q bis zu einer gegebenen Förderhöhe H (Fig. 2). Die jeweilige Drehzahl n der Pumpe 3 entspricht dabei einer Spannung U. Im gewählten Ausführungsbeispiel soll die maximale vom Regler 5 gelieferte Spannung U 10 V betragen. Sie entspricht der maximalen Drehzahl der Pumpe 3, also n = 100%. Diese Drehzahl (Leistung) der Pumpe 3 wird be­ nötigt, wenn alle oder nahezu alle Verbraucher 2 der Hei­ zungsanlage eingeschaltet sind, also mit warmem Wasser ver­ sorgt werden müssen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rücklaufrohr der Heizungsanlage ist dann sehr hoch, so daß das Meßgerät 4 die maximale Spannung von U = 10 V liefert.

Wird in der Heizungsanlage der größte Teil der Verbraucher 2 abgeschaltet dann sinkt die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rücklaufrohr. Die vom Meßgerät 4 gelieferte Span­ nung sinkt dann beispielsweise auf 1 V, wodurch die Dreh­ zahl der Pumpe 3 auf 10% der maximalen Drehzahl zurück­ geht (Fig. 3). Die Pumpe 3 liegt dann nahezu im etwa waage­ rechten Bereich der Kennlinie K (Fig. 2).

Wenn bei diesem Betriebszustand der Heizungsanlage wieder einige Verbraucher 2 eingeschaltet werden, dann steigt zwar die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rücklaufrohr geringfügig an. Dieser Anstieg reicht jedoch in vielen Fällen insbesondere bei großen Heizungsanlagen, nicht aus, um die Pumpe 3 auf die erforderliche Drehzahl (Leistung) zu bringen.

Dieser Nachteil wird mit dem Verfahren nach der Erfindung wie folgt behoben:

Der Regler 5 liefert an seinem Ausgang Spannungswerte die zumindest im Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeiten über den Spannungswerten der Kennlinie K liegen. In bevor­ zugter Ausführungsform liegen die vom Regler 5 gelieferten Spannungswerte bei jeder Strömungsgeschwindigkeit höher als die der Kennlinie K. Es ergibt sich dadurch eine Kennlinie R (Fig. 2 und 3), die oberhalb der Kennlinie K liegt. Durch den Regler 5 werden damit insbesondere im unteren Spannungs­ bereich Spannungswerte vorgegeben, mit denen der Pumpe 3 eine höhere Strömungsgeschwindigkeit vorgetäuscht wird, als sie tatsächlich vorhanden ist. Die Drehzahl (Leistung) der Pumpe 3 sinkt dadurch nie auf einen zu kleinen Wert ab. Wenn - ausgehend von sehr niedriger Strömungsgeschwindigkeit mit wenigen Verbrauchern - andere Verbraucher zugeschaltet werden kann die dadurch geforderte erhöhte Leistung der Pumpe 3 also sofort erbracht werden.

Das Verfahren ist mit der Kennlinie R auch dann erfolgreich, wenn die Pumpe 3 einmal ganz stillgelegt wird. Infolge des relativ schnellen Anstiegs der Kennlinie R läuft die Pumpe 3 bei Einschalten von Verbraucher 2 sicher und sofort hoch.

Der Abstand der Kennlinien K und R voneinander wird insbe­ sondere im unteren Spannungsbereich relativ groß gewählt so wie es aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht. Die Kennlinie R kann dabei etwa bei 40% bis 50% der Drehzahl n in einen nahezu waagerechten Ast übergehen, so daß die Drehzahl auch bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten nie unter 40% bis 50% des Maximalwerts absinkt. Auf diese Weise ist die aus­ reichende Versorgung aller Verbraucher 2 bei jedem Betriebs­ zustand der Heizungsanlage sichergestellt.

Wichtig für das geschilderte Verfahren ist, daß die Kenn­ linie R im unteren Spannungsbereich über der Kennlinie K liegt. Das gilt etwa bis zu 50% der maximalen Spannung U bzw. Drehzahl n der Pumpe 3. Bei höheren Spannungswerten kann die Kennlinie R ebenfalls über der Kennlinie K liegen, so wie es in den Fig. 2 bis 5 dargestellt ist. Das muß aber nicht sein, da hier die Drehzahl der Pumpe 3 ohnehin hoch genug ist. Der Abstand zwischen den beiden Kennlinien R und K soll im unteren Spannungs­ bereich auf jeden Fall deutlich größer als bei höheren Spannungen sein.

Die Fig. 2 und 3 zeigen einen möglichen Verlauf der Kennlinien R bei dem bei etwa 40% der Leistung bzw. Förderhöhe H die Leistung oder Drehzahl der Pumpe 3 etwa konstant bleibt. Die Kennlinien R haben dabei einen steilen Anstieg, von 0 beginnend. Ein besseres Regelverhalten mit zusätzlicher Energieeinsparung ergibt sich bei einem Verlauf der Kennlinien nach den Fig. 4 und 5. Der Anstieg ist hier nicht so steil und der Kennlinienverlauf ist gleich­ förmiger. Die Kennlinien der Fig. 4 und 5 lassen sich sehr ein­ fach einhalten wenn als Regler 5 ein mit einem Mikroprozessor ausgerüsteter Rechner eingesetzt wird. Es ist heute aber auch möglich den Kennlinienverlauf nach den Fig. 4 und 5 mit einem Analogregler zu fahren. Die Kennlinie R liegt in allen Fällen über der Kennlinie K und zwar im unteren Spannungsbereich recht deutlich.

Wie bereits erwähnt, wird das Meßgerät 4 am zweckmäßigsten im Rücklaufrohr des Rohrsystems einer Heizungsanlage angeordnet. An dieser Stelle ist die Strömung des Wassers am gleichmäßigsten und auch die Temperaturschwankungen sind hier am geringsten. Die erhaltenen Meßwerte sind daher besonders genau.

Bei Heizungsanlagen deren Verbraucher 2 mit Thermostatventilen ausgerüstet sind und die mit einer automatischen Nachtabsenkung arbeiten, ist es zweckmäßig, die Leistung der Pumpe 3 während der Dauer der Nachtabsenkung zu begrenzen. Das kann ebenfalls vom Regler 5 vorgenommen werden der während der Nachtabsenkung beispielsweise als obere Grenze Spannungswerte liefert, die 40% bis 50% der maximalen Spannung betragen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Einstellen der Förderleistung einer durch einen Elektromotor mit veränderbarer Drehzahl antreib­ baren, im Rohrsystem einer Warmwasser-Heizungsanlage an­ geordneten Umwälzpumpe, mit welcher das von einem Heiz­ kessel kommende Wasser durch in unterschiedlichen Räumen der Heizungsanlage befindliche Verbraucher gepumpt und über ein Rücklaufrohr zurück zum Heizkessel bewegt wird, bei welchem in dem Rücklaufrohr ein die Strömungsge­ schwindigkeit des Wassers erfassendes Meßgerät angebracht wird das eine der Strömungsgeschwindigkeit proportionale elektrische Spannung liefert die einem mit dem Elektro­ motor verbundenen Regler zugeführt wird, durch dessen Ausgangsgröße die Drehzahl des Elektromotors veränder­ bar ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zum Antrieb der Umwälzpumpe (3) ein Elektromotor mit stufenlos regelbarer Drehzahl verwendet wird und
• - daß von dem Regler (5) zur Regelung der Drehzahl bzw. der Förderleistung der Umwälzpumpe als Ausgangsgröße Spannungswerte geliefert werden die zumindest im Be­ reich niedriger Spannungswerte bis etwa 60% der Maximalspannung höher sind als die Spannungswerte, die der vorgegebenen Kennlinie (K) der Umwälzpumpe (3) entsprechen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß die vom Regler (5) gelieferten Spannungswerte bei jeder Strömungsgeschwindigkeit des Wassers höher sind als die Spannungswerte der Kennlinie (K) und daß der Abstand zwischen den vom Regler (5) gelieferten Spannungswerten und den Spannungswerten der Kennlinie (K) bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit größer ist als bei hoher Strö­ mungsgeschwindigkeit.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Regler (5) gelieferten Spannungswerte bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten auf einem nahezu konstanten Wert von etwa 50% der maximalen Spannung gehalten werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Regler (5) ein mit einem Mikro­ prozessor ausgerüsteter Rechner verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch ge­ kennzeichnet, daß die der Kennlinie (K) entsprechenden Spannungswerte dem Regler (5) aufgegeben werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einer Heizungsanlage mit Thermostat­ ventilen an den Verbrauchern (2) und automatischer Nacht­ absenkung die Drehzahl der Umwälzpumpe (3) während der Nachtabsenkung begrenzt wird.