DE4312150A1 - Verfahren zum Einstellen der Förderleistung einer Umwälzpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einstellen der Förderleistung einer Umwälzpumpe, die durch einen drehzahlgeregelten Elektromotor antreibbar und im Rohrsystem einer Temperieranlage angeordnet ist, bei welchem die Drehzahl des Elektromotors von einem Regler geregelt wird, dem eine der Strömungsgeschwindigkeit eines im Rohrsystem der Temperieranlage bewegten Mediums proportionale elektrische Spannung als Eingangsgröße zugeführt wird und bei welchem der Regler als Ausgangsgröße zur Regelung der Drehzahl des Elektromotors elektrische Spannungswerte liefert, die bei jeder Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Rohrsystem höher sind als die Spannungswerte, die der eingeprägten und berechneten Rohrnetzkennlinie der Temperieranlage entsprechen, so daß die Umwälzpumpe nach Maßgabe einer oberhalb der Rohrnetzkennlinie liegenden, den erhöhten Spannungswerten entsprechenden Regelkennlinie betrieben wird (EP-PS 0 279 939).

"Temperieranlage" im Sinne der Erfindung können eine Warmwasser-Heizungsanlage oder auch eine Kühlanlage sein. In beiden Fällen wird ein Medium als Wärmeträger oder Kälteträger zu Wärmetauschern geführt, von denen Wärme einerseits und Kälte andererseits abgegeben wird. Die Mechanismen zum Betrieb dieser Temperieranlagen sind die gleichen. Der Einfachheit halber wird im folgenden die Heizungsanlage als Temperieranlage berücksichtigt. Das im Rohrsystem fließende Medium ist also Wasser.

Heizungsanlagen gibt es in den unterschiedlichsten Größenordnungen. Sie sind beispielsweise in Einfamilienhäusern, in Mietshäusern, in Schulen, in großen Bürohäusern oder auch bei Firmen mit einer Vielzahl von Gebäuden installiert. In Abhängigkeit von der Größe der Heizungsanlage, die im wesentlichen von der Anzahl der Verbraucher bestimmt wird, ist die benötigte Förderleistung zu bemessen. Die Umwälzpumpe - im folgenden kurz "Pumpe" genannt - wird in ihrer Leistung stets so ausgewählt, daß alle in einer Heizungsanlage befindlichen Verbraucher auch dann ausreichend mit Wärme versorgt werden können, wenn sie gleichzeitig eingeschaltet sind. "Verbraucher" sind dabei beispielsweise Heizkörper, Flächenheizungen, Wärmetauscher oder Klimaanlagen.

Die volle Förderleistung wird nur dann benötigt, wenn alle Verbraucher oder zumindest der größte Teil derselben eingeschaltet sind bzw. ist. In Zeiten - beispielsweise nachts oder in der wärmeren Jahreszeit -, in denen nur ein Teil der Verbraucher eingeschaltet ist, kann die Förderleistung vermindert werden. Das gilt auch, wenn der von den Verbrauchern benötigte Bedarf beispielsweise über Thermostatventile gedrosselt wird. Wenn die Pumpe in diesen Fällen mit voller Drehzahl (Leistung) weiter fördert, besteht dauernd ein hoher Energiebedarf mit entsprechend hohen Stromkosten. Außerdem sind dann störende Strömungsgeräusche im Rohrsystem der Heizungsanlage nicht zu vermeiden.

Mit dem bekannten Verfahren nach der eingangs erwähnten EP-PS 0 279 939 ist eine automatische Anpassung der Pumpendrehzahl an den jeweiligen Betriebszustand einer Heizungsanlage sichergestellt. Die Pumpendrehzahl wird bei diesem Verfahren nach Maßgabe der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohrsystem der Heizungsanlage verändert. Zum Antrieb der Pumpe wird ein Elektromotor verwendet, dessen Drehzahl stufenlos regelbar ist. Dadurch ist eine kontinuierliche Anpassung der Förderleistung der Pumpe an den jeweiligen Betriebszustand der Heizungsanlage gegeben. Der Regler regelt die Drehzahl des Elektromotors grundsätzlich nach Maßgabe der bekannten Rohrnetzkennlinie, welche den Gegebenheiten der Heizungsanlage entspricht. Damit bei jedem Betriebszustand der Heizungsanlage eine ausreichende Versorgung der Verbraucher mit Wärme sichergestellt ist, werden vom Regler aber Spannungswerte geliefert, die über den entsprechenden Spannungswerten der Rohrnetzkennlinie liegen. Der Pumpe werden dadurch gegenüber den der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Spannungswerten höhere Spannungswerte zugeführt, so daß eine ausreichende Versorgung aller Verbraucher der Heizungsanlage mit Wärme bei jedem Betriebszustand derselben sichergestellt ist. Dieses Verfahren hat sich in der Praxis bewährt. Es kann aber zu einem unnötig hohen Verbrauch an Heizungsenergie führen, wenn ein Teil der Verbraucher beispielsweise wegen Sonneneinstrahlung oder anderer Fremdwärme gedrosselt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs geschilderte Verfahren so weiterzubilden, daß es bei jedem Drosselzustand der Verbraucher der Heizungsanlage mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

• - daß dem Regler als weitere Regelgrößen die am Gebäude, in dem sich die Heizungsanlage befindet, herrschende Außentemperatur und die Vorlauftemperatur des Wassers im Rohrsystem aufgegeben werden und
• - daß die Vorlauftemperatur vom Regler ständig auf Werte eingestellt wird, bei welchen die Pumpe mit optimalem Wirkungsgrad betrieben wird.

Dieses Verfahren arbeitet stets mit bestem Wirkungsgrad. Die Heizungsanlage wird weiterhin nach Maßgabe der Regelkennlinie betrieben, deren Spannungswerte über den Spannungswerten der Rohrnetzkennlinie liegen. Die ausreichende Versorgung aller Verbraucher mit Wärme bleibt also bei jedem Betriebszustand der Heizungsanlage erhalten. Zusätzlich wird die Vorlauftemperatur des Wassers durch den Regler auf Werte eingestellt, die dazu führen, daß die Pumpe ständig in einem vorgegebenen Drehzahlbereich betrieben wird, in dem sie ihren optimalen Wirkungsgrad hat. Das Verfahren arbeitet somit adaptiv. Es führt durch den Regler zu einer ständigen Selbstoptimierung. Die entsprechende Heizungsanlage wird also immer unter optimalen Bedingungen betrieben.

Die Vorlauftemperatur wird vom Regler beispielsweise automatisch abgesenkt, wenn einige Verbraucher gedrosselt werden. Das kann beispielsweise geschehen, wenn einige Räume eines Gebäudes durch Sonneneinstrahlung zusätzlich erwärmt werden, so daß entweder von Hand oder automatisch durch Thermostatventile der Zustrom von warmem Wasser zu den Verbrauchern in diesen Räumen gedrosselt wird. Das bewirkt einen Abfall der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohrsystem der Heizungsanlage und führt nach Maßgabe der Regelkennlinie zu einer niedrigeren Drehzahl der Pumpe. Die Pumpe könnte dadurch in einen ungünstigeren Drehzahlbereich gelangen. Damit das nicht geschehen kann, wird die Vorlauftemperatur abgesenkt. Wegen der dadurch verminderten Wärmezufuhr werden die Ventile aller Verbraucher der Heizungsanlage etwas mehr geöffnet. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohrsystem erhöht sich dementsprechend wieder und die Pumpe gelangt wieder in ihren optimalen Drehzahlbereich. Die Wärmeversorgung der nicht durch Sonneneinstrahlung zusätzlich erwärmten Räume bleibt ständig erhalten, da die denselben zugeführte Wärmemenge unverändert bleibt. Alle Verbraucher der Heizungsanlage werden ständig mit ausreichender Wärme versorgt. Es wird jedoch gegebenenfalls wegen einer geringeren Vorlauftemperatur weniger Heizungsenergie benötigt. Da die Pumpe außerdem immer in dem Drehzahlbereich betrieben wird, in dem sie ihren besten Wirkungsgrad hat, sind deren Betriebskosten minimiert.

Verbessert kann das Verfahren noch durch die Berücksichtigung der Rücklauftemperatur des Wassers im Rohrsystem werden. Sie wird gemessen und ebenfalls dem Rechner aufgegeben. Wenn dann eine bestimmte Differenz zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur als Sollvorgabe eingestellt wird, kann der beschriebene Prozeß der Selbstoptimierung noch beschleunigt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Das Verfahren nach der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen als Ausführungsbeispiel erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Heizungsanlage mit Heizkessel.

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Heizungsanlage mit Fernwärmeversorgung.

Fig. 3 eine Regelkurve zum Betreiben einer Heizungsanlage.

Fig. 4 ein Diagramm mit Außentemperatur und Vorlauftemperatur.

Die Heizungsanlage nach Fig. 1 wird mit einem Heizkessel 1 betrieben. Alle Verbraucher 2 der Heizungsanlage sind durch ein Kästchen dargestellt. "Verbraucher 2" können beispielsweise - wie schon weiter oben erwähnt - Heizkörper, Flächenheizungen, Wärmetauscher, Klimaanlagen oder - wie bereits eingangs erwähnt - insbesondere auch Kühlanlagen sein. Zur Bewegung des Wärmeträgers "Wasser" im Rohrsystem der Heizungsanlage ist eine Pumpe 3 vorgesehen, die von einem drehzahlgeregelten Elektromotor 4 angetrieben wird. Im Rohrsystem ist ein Mischventil 5 angeordnet, das von einem drehzahlgeregelten Elektromotor 6 verstellbar ist. Zur Heizungsanlage gehört ein Regler 7, durch welchen die Drehzahl des Elektromotors 4 und damit die Drehzahl der Pumpe 3 geregelt wird.

Dem Regler 7 werden von einem Meßgerät 8 Werte zugeführt, die der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohrsystem proportional sind. Dazu wird mit einer geeigneten Sonde beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers direkt erfaßt. Das Meßgerät 8 liefert vorzugsweise der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers proportionale Spannungswerte. Dem Regler 7 werden außerdem die mittels eines Fühlers 9 gemessene Außentemperatur AT, die mittels eines Fühlers 10 gemessene Vorlauftemperatur VT und die mittels eines Fühlers 11 gemessene Rücklauftemperatur RT aufgegeben.

Die Außentemperatur AT wird an dem Gebäude gemessen, in dem die Heizungsanlage installiert ist. Vorzugsweise an dessen Nordseite. Vorlauftemperatur VT und Rücklauftemperatur RT sind die Temperaturen des Wärmeträgers Wasser vor dem Durchtritt durch die Verbraucher 2 einerseits und nach dem Verlassen der Verbraucher 2 andererseits.

In Fig. 3 ist die Förderhöhe H über der Fördermenge Q einer Heizungsanlage aufgetragen. Das Diagramm zeigt die Rohrnetzkennlinie K einer Heizungsanlage, die nach herkömmlichen Methoden ermittelt, insbesondere berechnet werden kann. Sie endet im 100%-Punkt mit maximaler Förderhöhe und maximaler Fördermenge. Nach diesem Punkt wird vom Anlagenbauer die Pumpe 3 ausgesucht, die für den Betrieb der Heizungsanlage verwendet werden soll. Ihre Kennlinie für 100% Leistung (n = 100%), mit der Drehzahl n, ist in Fig. 3 mit eingezeichnet.

Die Heizungsanlage wird nach Maßgabe einer Regelkennlinie R betrieben, deren Werte bei jedem Betriebszustand der Heizungsanlage höher sind als die Werte der Rohrnetzkennlinie K. Das Meßgerät 8 liefert in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohrsystem beispielsweise Spannungswerte zwischen 0 und 10 V, die beispielsweise einer Strömungsgeschwindigkeit bzw. einer Fördermenge von 0 bis 100% entsprechen. Diese Spannungswerte entsprechen der Rohrnetzkennlinie K. Sie werden dem Regler 7 als Eingangsgrößen zugeführt.

Der Regler 7 liefert als Ausgangsgrößen Spannungswerte, die nach Maßgabe der Regelkennlinie R höher als die ihm zugeführten Eingangsgrößen sind. Es wird damit durch den Regler 7 eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohrsystem vorgetäuscht, als sie tatsächlich herrscht. Die Drehzahl der Pumpe 3 sinkt daher bei einer Drosselung von Verbrauchern 2 weniger stark ab, als wenn die Heizungsanlage nach der Rohrnetzkennlinie K gefahren würde. Die ausreichende Versorgung aller Verbraucher 2 der Heizungsanlage ist durch den Betrieb entsprechend der Regelkennlinie R auf diese Weise bei jedem Betriebszustand sichergestellt.

Die Pumpe 3 wird zweckmäßig in einem Drehzahlbereich betrieben, in dem sie mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet. Dieser Drehzahlbereich kann zwischen 50% und 75% der maximalen Drehzahl liegen. Die optimale Drehzahl der Pumpe wird oft vom Hersteller derselben angegeben. Sie liegt beispielsweise bei 70% der maximalen Drehzahl, so wie es in Fig. 3 eingetragen ist. Die Fördermenge Q an warmem Wasser liegt dann beispielsweise bei 50% der maximalen Fördermenge.

Solange sich die Wärmeverhältnisse in der Heizungsanlage nicht ändern, läuft die Pumpe 3 mit optimalem Wirkungsgrad mit 70% ihrer maximalen Drehzahl. Die Vorlauftemperatur VT ist dann entsprechend der aus Fig. 4 ersichtlichen Kennlinie T in Abhängigkeit von der Außentemperatur AT eingestellt.

Wenn in diesem Zustand der Heizungsanlage ein Teil der Verbraucher 2 gedrosselt wird, beispielsweise wegen Sonneneinstrahlung, wird die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohrsystem geringer. Das wird vom Meßgerät 8 registriert. Die Drehzahl der Pumpe 3 würde nach Maßgabe der Spannungswerte entsprechend Regelkennlinie R gesenkt werden. Die Pumpe 3 würde dann in einen ungünstigeren Drehzahlbereich gelangen.

Um das zu vermeiden, wird die Vorlauftemperatur VT durch den Regler 7 abgesenkt. Das geschieht über eine Verstellung des Mischventils 5 mittels des Motors 6. Die Kennlinie T wird dadurch in die in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnete Position verschoben. Die den Verbrauchern 2 zugeführte Wärmemenge wird dementsprechend vermindert und die Temperatur in allen Räumen der Heizungsanlage sinkt. Dementsprechend werden alle Ventile etwas mehr geöffnet. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohrsystem erhöht sich aus diesem Grund, so daß die Drehzahl der Pumpe 3 wieder erhöht wird. Nach dieser Maßgabe wird die Vorlauftemperatur VT durch den Regler 7 solange verändert, bis die Pumpe 3 mit der Drehzahl läuft, bei der sie ihren optimalen Wirkungsgrad hat. Da diese Drehzahl dem Regler 7 aufgegeben ist, adaptiert derselbe die Heizungsanlage jederzeit auf optimale Betriebsbedingungen. Im vorliegenden Fall arbeitet die Pumpe 3 mit möglichst geringem Energiebedarf und die Heizungsanlage mit vermindertem Heizenergiebedarf.

Wenn die geschilderte Sonneneinstrahlung fortfällt, wird die Vorlauftemperatur VT durch den Regler 7 automatisch wieder entsprechend der Kennlinie T eingestellt. In Fällen mit erhöhtem Wärmebedarf kann die Vorlauftemperatur VT durch den Regler 7 auch erhöht werden. Die Kennlinie T wird dann entsprechend der in Fig. 4 strichpunktiert eingezeichneten Lage verschoben.

Um die Einstellung neuer, stabiler Bedingungen in der Heizungsanlage noch zu beschleunigen, kann zusätzlich die dem Regler 7 aufgegebene Rücklauftemperatur RT ausgenutzt werden.

Dazu kann dem Regler 7 beispielsweise eine Differenz von 20°C vorgegeben werden, die zwischen Vorlauftemperatur VT und Rücklufttemperatur RT einzuhalten ist. Das kann über eine Verstellung des Mischventils 5 dann gegebenenfalls schneller erreicht werden, wenn die Vorlauftemperatur VT vorübergehend stärker erhöht oder abgesenkt wird.

Eine bestimmte Differenz zwischen Vorlauftemperatur VT und Rücklufttemperatur RT kann auch dann mit Vorteil eingesetzt werden, wenn die Heizungsanlage aus der Nachtabsenkung in den Tagesbetrieb umgeschaltet wird. Um die gewünschte Tagestemperatur möglichst schnell zu erreichen, kann auch dann die Vorlauftemperatur VT so lange stark erhöht werden, bis die vorgegebene Temperaturdifferenz von beispielsweise 20°C und damit die gewünschte Temperatur in der Heizungsanlage erreicht ist.

Das Verfahren nach der Erfindung ist unabhängig davon, wie die Wärme für den Wärmeträger Wasser erzeugt wird. Wenn die Heizungsanlage gemäß Fig. 2 mit Fernwärme F versorgt wird, funktioniert ihr Betrieb grundsätzlich ebenso, wie bei einer Heizungsanlage mit Heizkessel 1 gemäß Fig. 1. Die Erfassung der Rücklauftemperatur RT durch den Fühler 11 kann hier vorteilhaft dazu ausgenutzt werden, daß kein zu heißes Wasser an die Zentrale der Fernwärmeversorgung zurückgeleitet wird. Wenn die Rücklauftemperatur RT beispielsweise über 60°C liegt, dann wird vom Regler 7 ein Motor 12 angesteuert, der ein Ventil 13 schließt. Das heiße Wasser wird dann über den Bypass 14 zurück zum Mischventil 5 geleitet.

Claims (6)

1. Verfahren zum Einstellen der Förderleistung einer Umwälzpumpe, die durch einen drehzahlgeregelten Elektromotor antreibbar und im Rohrsystem einer Temperieranlage angeordnet ist, bei welchem die Drehzahl des Elektromotors von einem Regler geregelt wird, dem eine der Strömungsgeschwindigkeit eines im Rohrsystem der Temperieranlage bewegten Mediums proportionale elektrische Spannung als Eingangsgröße zugeführt wird und bei welchem der Regler als Ausgangsgröße zur Regelung der Drehzahl des Elektromotors elektrische Spannungswerte liefert, die bei jeder Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Rohrsystem höher sind als die Spannungswerte, die der eingeprägten und berechneten Rohrnetzkennlinie der Temperieranlage entsprechen, so daß die Umwälzpumpe nach Maßgabe einer oberhalb der Rohrnetzkennlinie liegenden, den erhöhten Spannungswerten entsprechenden Regelkennlinie betrieben wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß dem Regler (7) als weitere Regelgrößen die am Gebäude, in dem sich die Temperieranlage befindet, herrschende Außentemperatur (AT) und die Vorlauftemperatur (VT) des Mediums im Rohrsystem aufgegeben werden und
• - daß die Vorlauftemperatur (VT) vom Regler (7) ständig auf Werte eingestellt wird, bei welchen die Umwälzpumpe (3) mit optimalem Wirkungsgrad betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (3) durch Einstellung der Vorlauftemperatur (VT) ständig in einem Bereich zwischen 50% und 75% ihrer maximalen Drehzahl betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (3) ständig bei etwa 70% ihrer maximalen Drehzahl betrieben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler (7) zusätzlich die Rücklauftemperatur (RT) des Mediums im Rohrsystem aufgegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlauftemperatur (VT) bei erhöhter Drehzahl der Umwälzpumpe (3) solange auf einem erhöhten Niveau gehalten wird, bis sich eine vorgegebene Temperaturdifferenz zwischen Vorlauftemperatur (VT) und Rücklauftemperatur (RT) eingestellt hat.

6. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Betrieb einer Warmwasser-Heizungsanlage.