EP1148302A2 - Verfahren zum Regeln der Entnahmetemperatur von Brauchwasser - Google Patents

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EP1148302A2 EP01890113A EP01890113A EP1148302A2 EP 1148302 A2 EP1148302 A2 EP 1148302A2 EP 01890113 A EP01890113 A EP 01890113A EP 01890113 A EP01890113 A EP 01890113A EP 1148302 A2 EP1148302 A2 EP 1148302A2
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    • F24D19/1066—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for the combination of central heating and domestic hot water
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    • F24H15/345—Control of fans, e.g. on-off control
    • F24H15/35—Control of the speed of fans

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating the removal temperature of domestic water heated on the secondary side in a heat exchanger, which heat exchanger on the primary side in a via a heat source, in particular a buffer memory, leading, with a speed controllable Circulation pump equipped heating circuit is integrated, after the one PID controller the pump drive depending on the comparison of the measured secondary outlet temperature of the heat exchanger as actual value with a controls the specified setpoint.
  • the pump drive control has been continuous from zero to Nominal speed not possible. It is necessary to have a secondary flow, to recognize hot water withdrawal, for which purpose flow switch, differential pressure meter, Water clocks and The like. Serve, and the circulation pump in the primary circuit switch off as long as there is no secondary flow and only switch on when such a flow occurs, i.e. process water is removed. If the circulation pump is switched on, then the regulation takes place the pump drive in a speed range of approx. 30 to 100% of the nominal speed, to the energy input into the heat exchanger for the production of domestic hot water to influence.
  • the invention is therefore based on the object of a method of the beginning Specify the type described, which is a reliable function in a rational manner and sensitive regulation of the tap temperature of service water.
  • the invention solves this problem in that the PID controller with a Controller stage equipped for zero speed and the pump drive via the entire speed range is only controlled as a function of the actual setpoint comparison being, in the case of the speed level zero and a recognizable temperature gradient the outlet temperature of the I part of the PID controller in its Home position is reset.
  • An electronic PID controller comprises three control sections, the proportional section to reinforce the difference between the actual and setpoint, the integral part for Compensate for the control deviation remaining through the proportional part and the Differential part for influencing the reaction of the controller output depending the steepness of the gradient of the actual value.
  • In practice is a regulation up to the speed level zero e.g. B. 5% of the nominal speed understood.
  • the detection of a secondary flow in the heat exchanger and the speed level for the controller Zero introduced so that due to the secondary outlet temperature always measured of the heat exchanger a constant readiness for Domestic hot water delivery exists and also for keeping the Outlet temperature is taken care of. After completion of hot water withdrawal the outlet temperature at the heat exchanger is on the secondary side The setpoint increases, which causes the controller to reduce the pump speed. Here but an increase in the actual value remains without drawing off hot water, the pump drive is finally controlled to zero speed and the circulation pump is stopped.
  • the controller turns the pump speed according to the actual setpoint comparison increase again until the specified temperature is reached, which again leads to a certain increase in the outlet temperature in a row the finite heat transfer rate and the inertia of the temperature measurement leads.
  • the excess of the outlet temperature i.e. the actual value
  • a PID controller recognizes as a control deviation, which makes full use of the integral part, so that the integral part does not because of the possible reduction in speed below zero speed, its negative Lowered the value to the maximum.
  • the outlet temperature quickly drops below the setpoint, but since the integral part has a deep negative value, despite the high differential part of the actual value only very slowly adjusted to the setpoint become. To avoid this, therefore, when a corresponding occurs Gradient of the outlet temperature of the integral part is returned to its basic position, whereby the regulator returns to normal the time required is eliminated. A quick adjustment is therefore when hot water is withdrawn guaranteed.
  • the controller output can also be exceeded when exceeded a temperature threshold that is higher than the setpoint due to the actual value be turned off, preferably the temperature about 1-3 ° C above Setpoint.
  • a temperature threshold that is higher than the setpoint due to the actual value be turned off, preferably the temperature about 1-3 ° C above Setpoint.
  • the actual value increases because of the then the lack of flow slowly, which also increases the pump speed is slowly approaching zero and there is a pump back in the heating circuit hot storage medium in the buffer memory and thus for mixing the lower cold storage medium with the hot storage medium, so a stripping in the buffer tank would come. This is done by switching off the Controller output and thus switching off the circulation pump avoided, if the temperature falls below the temperature threshold again to Switching on the controller or the pump leads.
  • the control behavior can be reduced due to the lower controller and pump dynamics can be improved. You can also reduce the risk of calcification due to the lower temperatures in the heat exchanger.
  • a domestic hot water system 1 comprises a heating circuit 2 with a Buffer memory 3 and a circulation pump 4 controllable in their speed and a process water circuit 5 with a process water inlet 6 and a process water outlet 7, with a heat exchanger 8 on the primary side in the heating circuit 2 and is integrated on the secondary side in the hot water circuit 5 and if necessary Domestic hot water is heated using the instantaneous water heater principle.
  • a PID controller 9 which drives the pump 10 depending on the comparison of the outlet temperature on the secondary side of the heat exchanger 8 is controlled as an actual value with a predetermined target value.
  • a temperature sensor 11 in the outlet area of the process water outlet the heat exchanger 8 reads the corresponding temperature values in the controller 9 a.
  • the pump drive 10 is over the entire speed range of Speed level zero to the nominal speed without detection of a flow controlled by the hot water circuit 5 from the controller 9, so that both a standby state in the heat exchanger 8 also results in the removal temperature the process water can be kept constant within narrow limits Elimination of controller inertia due to the saturation drift of the integral part this integral part at zero speed and at a certain temperature gradient the outlet temperature is reset to the basic position.
  • a thermal mixer 12 can be placed in the heating circuit 2 with a bypass line 13 bridging the buffer store 3 be so that the primary side inlet temperature of the heat exchanger 8 a certain maximum value is limited.

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Abstract

Zum Regeln der Entnahmetemperatur von sekundärseitig in einem Wärmetauscher (8) erwärmtem Brauchwasser, welcher Wärmetauscher (8) primärseitig in einem über eine Wärmequelle (3), insbesondere einen Pufferspeicher, führenden, mit einer in ihrer Drehzahl steuerbaren Umwälzpumpe (4) ausgestatteten Heizkreis eingebunden ist, steuert ein mit einer Reglerstufe für die Drehzahl Null ausgestatteter PID-Regler (9) den Pumpenantrieb (10) in Abhängigkeit vom Vergleich der gemessenen sekundärseitigen Austrittstemperatur des Wärmetauschers (8) als Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert an. Um eine aufwandsarme und doch feinfühlige Regelung zu erreichen, wird der Pumpenantrieb (10) über den gesamten Drehzahlbereich nur in Abhängigkeit vom Ist-Sollwertvergleich angesteuert, wobei im Falle der Drehzahlstufe Null und eines erkennbaren Temperaturgradienten der Austrittstemperatur der I-Teil des PID-Reglers in seine Grundstellung zurückversetzt wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln der Entnahmetemperatur von sekundärseitig in einem Wärmetauscher erwärmtem Brauchwasser, welcher Wärmetauscher primärseitig in einem über eine Wärmequelle, insbesondere einen Pufferspeicher, führenden, mit einer in ihrer Drehzahl steuerbaren Umwälzpumpe ausgestatteten Heizkreis eingebunden ist, nach dem ein PID-Regler den Pumpenantrieb in Abhängigkeit vom Vergleich der gemessenen sekundärseitigen Austrittstemperatur des Wärmetauschers als Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert ansteuert.
Zur Brauchwarmwassererzeugung ist es bekannt, das Brauchwasser sekundärseitig über einen Wärmetauscher im Durchlauferhitzerprinzip zu erwärmen, welcher Wärmetauscher durch einen Primärkreis mit Umwälzpumpe und Wärmequelle, beispielsweise einem mit heißem Heizungswasser befüllten Pufferspeicher, wärmebeaufschlagt wird, wobei der Energieeintrag in den Wärmetauscher von der primärseitigen Durchflußmenge und damit von der Drehzahl der Umwälzpumpe abhängt. Zur Regelung bzw. Konstanthaltung der Brauchwassertemperatur wird die Brauchwasseraustrittstemperatur am Wärmetauscher als Istwert gemessen und über einen PID-Regler (Proportional-Integral-Differentialregler) mit dem gewünschten Sollwert verglichen und dementsprechend die Umwälzpumpe in ihrer Drehzahl gesteuert. Da die Regler eine bestimmte Dynamik besitzen und demnach die Pumpendrehzahl nur in einem begrenzten Bereich ordnungsgemäß variieren können, wobei vor allem im unteren Drehzahlbereich eine empfindliche Überreaktion bei der Regelung zustande käme, ist bisher die Pumpenantriebssteuerung durchgehend von Null bis zur Nenndrehzahl nicht möglich. Es ist notwendig, einen sekundärseitigen Durchfluß, also eine Warmwasserentnahme zu erkennen, wozu Strömungsschalter, Differenzdruckmesser, Wasseruhren u. dgl. dienen, und die Umwälzpumpe im Primärkreis abzuschalten, so lange es keinen sekundärseitigen Durchfluß gibt und erst dann einzuschalten, wenn ein solcher Durchfluß auftritt, also Brauchwasser entnommen wird. Ist die Umwälzpumpe eingeschaltet, erfolgt dann die Regelung des Pumpenantriebes in einem Drehzahlbereich von ca. 30 bis 100 % der Nenndrehzahl, um den Energieeintrag in den Wärmetauscher zur Brauchwarmwassererzeugung zu beeinflussen. Dieses Verfahren bringt allerdings nur eine geringe Regelgenauigkeit mit sich, reagiert langsam auf sekundärseitige Durchflußmengenänderungen und führt zu einem hohen Rücklauf in den Pufferspeicher mit der Gefahr von Durchmischungen innerhalb des Speichers. Zur Erklärung wird bemerkt, daß große Volumenstromänderungen, wie sie bei einer Erhöhung der Drehzahl aus dem Abschaltzustand auf mindestens 30 % der Nenndrehzahl auftreten, wegen der thermischen Trägheit der Komponenten eine Thermostatfunktion mit hoher Hysterese ergeben. Bei einem entsprechenden Einschalten der Pumpe aufgrund der Wärmeverluste durch die Isolierung wird rasch ein hohes Temperaturniveau im Wärmetauscher erreicht. Es ergeben sich dadurch erhöhte Bereitschaftsverluste und es dauert einige Zeit bis das Energieniveau im Wärmetauscher unter die Solltemperatur gesunken ist, wonach wieder wegen der Systemträgheit eine "Temperaturlücke", also eine Wasserabgabe unter der Solltemperatur auftritt. Nach einer "Einseifpause" bei Handwasch- und Badeeinrichtungen kann anderseits wieder eine Übertemperatur im abgegebenen Brauchwasser, die sogar mit einer Verbrühungsgefahr verbunden ist, auftreten. Dazu kommt noch der Aufwand für die Durchflußerkennung sowie die Störanfälligkeit der entsprechenden Einrichtungen und Geräte und deren Ansprechträgheit.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, das auf rationelle Weise ein funktionssicheres und feinfühliges Regeln der Entnahmetemperatur von Brauchwasser erlaubt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der PID-Regler mit einer Reglerstufe für die Drehzahl Null ausgestattet und der Pumpenantrieb über den gesamten Drehzahlbereich nur in Abhängigkeit vom Ist-Sollwertvergleich angesteuert wird, wobei im Falle der Drehzahlstufe Null und eines erkennbaren Temperaturgradienten der Austrittstemperatur der I-Teil des PID-Reglers in seine Grundstellung zurückversetzt wird.
Ein elektronischer PID-Regler umfaßt drei Regelteile, den Proportionalteil zur Verstärkung der Differenz zwischen Ist- und Sollwert, den Integralteil zum Ausgleichen der durch den Proportionalteil bleibenden Regelabweichung und den Differentialteil zur Beeinflussung der Reaktion des Reglerausganges in Abhängigkeit von der Steilheit des Gradienten des Istwertes. Dadurch gleicht der Integralteil langfristig die vom Proportionalteil bleibenden Regelabweichungen aus und der Differentialteil führt bei einer raschen Änderung des Istwertes zu einer Überreaktion des Reglers, um die Regelwirkung zu beschleunigen. In der Praxis wird unter einem Heranregeln an die Drehzahlstufe Null auch eine Regelung bis z. B. 5 % der Nenndrehzahl verstanden.
Erfindungsgemäß wird auf die Erkennung eines sekundärseitigen Durchflusses im Wärmetauscher verzichtet und dafür beim Regler die Drehzahlstufe Null eingeführt, so daß aufgrund der immer gemessenen sekundärseitigen Austrittstemperatur des Wärmetauschers ein ständiger Bereitschaftsaufwand zur Brauchwarmwasserabgabe besteht und zudem für eine Konstanthaltung der Austrittstemperatur gesorgt ist. Nach der Beendigung einer Warmwasserentnahme wird sekundärseitig die Austrittstemperatur am Wärmetauscher über den Sollwert steigen, wodurch der Regler die Pumpendrehzahl vermindert. Da aber ohne Brauchwasserentnahme eine Überhöhung des Istwertes bestehen bleibt, wird der Pumpenantrieb schließlich bis zur Drehzahlstufe Null angesteuert und die Umwälzpumpe stillgesetzt. Sinkt die Austrittstemperatur aufgrund von Wärmeverlusten, wird der Regler die Pumpendrehzahl entsprechend dem Ist-Sollwertvergleich wieder erhöhen, bis die vorgegebene Temperatur erreicht ist, was neuerlich zu einer gewissen Überhöhung der Austrittstemperatur in Folge der endlichen Wärmeübertragungsgeschwindigkeit und der Trägheit der Temperaturmessung führt. Die Überhöhung der Austrittstemperatur, also des Istwertes, während des Bereitschaftszustandes erkennt ein PID-Regler als Regelabweichung, die den Integralteil voll ausnützt, so daß der Integralteil wegen der nicht möglichen Reduzierung der Drehzahl unter die Drehzahlstufe Null, seinen negativen Wert bis zum Maximum absenkt. Wird dann Brauchwasser entnommen, kommt es zwar rasch zu einem Absinken der Austrittstemperatur unter den Sollwert, aber da der Integralteil einen tiefen negativen Wert aufweist, würde trotz des hohen Differentialteils der Istwert dem Sollwert nur sehr langsam angeglichen werden. Um dies zu vermeiden, wird daher bei Auftreten eines entsprechenden Gradienten der Austrittstemperatur der Integralteil in seine Grundstellung zurückversetzt, wodurch die vom Regler zum Wiederereichen des Normalzustandes benötigte Zeit wegfällt. Ein rasches Ausregeln ist daher bei Brauchwasserentnahme gewährleistet.
Erfindungsgemäß kann außerdem der Reglerausgang bei Überschreiten einer dem Sollwert gegenüber erhöhten Temperaturschwelle durch den Istwert abgeschaltet werden, wobei vorzugsweise die Temperatur etwa 1-3 °C über dem Sollwert liegt. Am Ende einer Warmwasserentnahme steigt der Istwert wegen des dann fehlenden Durchflusses nur langsam an, wodurch auch die Pumpendrehzahl nur langsam gegen Null geht und es im Heizkreis zu einem Rückpumpen heißen Speichermediums in den Pufferspeicher und damit zu einem Vermischen des unteren kalten Speichermediums mit dem heißen Speichermedium, also einer Entschichtung im Pufferspeicher käme. Dies wird durch das Abschalten des Reglerausganges und damit das Abschalten der Umwälzpumpe vermieden, wobei ein Unterschreiten der Temperaturschwelle durch den Istwert wieder zum Einschalten des Reglers bzw. der Pumpe führt.
Wird die primärseitige Eintrittstemperatur des Wärmetauschers durch einen im Heizkreis eingebundenen thermischen Mischer auf einen vorbestimmbaren Höchstwert begrenzt, kann das Regelverhalten in Folge der geringeren Regler- und Pumpendynamik verbessert werden. Außerdem läßt sich die Verkalkungsgefahr aufgrund der geringeren Temperaturen im Wärmetauscher verringern.
In der Zeichnung ist das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise anhand eines Anlagenschemas veranschaulicht.
Eine Brauchwarmwasseranlage 1 umfaßt einen Heizkreis 2 mit einem Pufferspeicher 3 und einer in ihrer Drehzahl steuerbaren Umwälzpumpe 4 sowie einen Brauchwasserkreis 5 mit einem Brauchwasserzulauf 6 und einem Brauchwasserablauf 7, wobei ein Wärmetauscher 8 primärseitig in den Heizkreis 2 und sekundärseitig in den Brauchwasserkreis 5 eingebunden ist und bedarfsweise Brauchwasser im Durchlauferhitzerprinzip erwärmt. Zur Regelung der Entnahmetemperatur des Brauchwassers gibt es einen PID-Regler 9, der den Pumpenantrieb 10 in Abhängigkeit vom Vergleich der sekundärseitigen Austrittstemperatur des Wärmetauschers 8 als Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert ansteuert. Ein Temperaturfühler 11 im Austrittsbereich des Brauchwasserablaufes aus dem Wärmetauscher 8 liest die entsprechenden Temperaturwerte in den Regler 9 ein. Der Pumpenantrieb 10 wird über den gesamten Drehzahlbereich von Drehzahlstufe Null bis zur Nenndrehzahl ohne Erkennung eines Durchflusses durch den Brauchwasserkreis 5 vom Regler 9 angesteuert, so daß sich sowohl ein Bereitschaftszustand im Wärmetauscher 8 ergibt als auch die Entnahmetemperatur des Brauchwassers in engen Grenzen konstant halten läßt, wobei zur Beseitigung der Reglerträgheit aufgrund der Sättigungsdrift des Integralteiles dieser Integralteil bei Drehzahlstufe Null und bei einem bestimmten Temperaturgradienten der Austrittstemperatur in die Grundstellung zurückversetzt wird.
Zur Verbesserung des Regelverhaltens und zur Vermeidung von Verkalkungen im Wärmetauscher 8 kann in den Heizkreis 2 ein thermischer Mischer 12 mit einer dem Pufferspeicher 3 überbrückenden Umgehungsleitung 13 eingebaut sein, so daß die primärseitige Eintrittstemperatur des Wärmetauschers 8 auf einen bestimmten Höchstwert begrenzt wird.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Regeln der Entnahmetemperatur von sekundärseitig in einem Wärmetauscher (8) erwärmtem Brauchwasser, welcher Wärmetauscher (8) primärseitig in einem über eine Wärmequelle (3), insbesondere einen Pufferspeicher, führenden, mit einer in ihrer Drehzahl steuerbaren Umwälzpumpe (4) ausgestatteten Heizkreis eingebunden ist, nach dem ein PID-Regler (9) den Pumpenantrieb (10) in Abhängigkeit vom Vergleich der gemessenen sekundärseitigen Austrittstemperatur des Wärmetauschers (8) als Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß der PID-Regler (9) mit einer Reglerstufe für die Drehzahl Null ausgestattet und der Pumpenantrieb (10) über den gesamten Drehzahlbereich nur in Abhängigkeit vom Ist-Sollwertvergleich angesteuert wird, wobei im Falle der Drehzahlstufe Null und eines erkennbaren Temperaturgradienten der Austrittstemperatur der I-Teil des PID-Reglers (9) in seine Grundstellung zurückversetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reglerausgang bei Überschreiten einer dem Sollwert gegenüber erhöhten Temperaturschwelle durch den Istwert abgeschaltet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die primärseitige Eintrittstemperatur des Wärmetauschers (3) durch einen im Heizkreis eingebundenen thermischen Mischer (12) auf einen vorbestimmbaren Höchstwert begrenzt wird.
EP01890113A 2000-04-19 2001-04-12 Verfahren zum Regeln der Entnahmetemperatur von Brauchwasser Expired - Lifetime EP1148302B1 (de)

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