EP2057419A1 - Verfahren zum betrieb eines rohrnetzes - Google Patents
Verfahren zum betrieb eines rohrnetzesInfo
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- EP2057419A1 EP2057419A1 EP07786679A EP07786679A EP2057419A1 EP 2057419 A1 EP2057419 A1 EP 2057419A1 EP 07786679 A EP07786679 A EP 07786679A EP 07786679 A EP07786679 A EP 07786679A EP 2057419 A1 EP2057419 A1 EP 2057419A1
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Rohrnetzes, insbesondere Heizungsrohrnetzes mit mehreren dezentralen Pumpen, insbesondere die je einem Wärmeübertrager zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung der Rohrnetzeigenschaften von einer insbesondere zentralen Recheneinheit die zum Erzielen eines bei jedem Wärmeübertrager gewünschten und/oder geforderten Massenstromes erforderliche Drehzahl für jede dezentrale Pumpe berechnet wird und wenigstens an einen Teil der dezentralen Pumpen die jeweils berechnete Drehzahlstellgröße übermittelt wird.
Description
Verfahren zum Betrieb eines Rohrnetzes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Rohrnetzes mit mehreren dezentralen Pumpen, insbesondere die je einem Wärmeübertrager zugeordnet sind.
Unter einem Wärmeübertrager werden allgemein alle Anordnungen verstanden, mittels denen Wärme aufgenommen wird (zu Kühlzwecken) oder abgegeben wird (zu Heizzwecken). Beispielsweise sind hiervon Heizkörper (Radiatoren) und Flächen-Wärmeübertrager umfasst, wie sie z.B. bei Fußbodenheizungen oder Kühlflächen vorkommen.
Hierbei wird weiterhin unter der Zuordnung einer dezentralen Pumpe zu einem Wärmeübertrager verstanden, dass je eine Pumpe, insbesondere eine Pumpe alleine pro Wärmeübertrager vorgesehen ist, um für den Fluidfluss durch den Wärmeübertrager zu sorgen. Hierbei kann eine dezentrale Pumpe unmittelbar räumlich bei einem Wärmeübertrager angeordnet sein, wie es von der Anordnung üblicher Thermostatventile bekannt ist, also beispielsweise im Vorlauf, oder auch im Rücklauf. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Eine dezentrale Pumpe kann irgendwo in einem Teilnetz eines Rohrnetzes angeordnet sein, in dem sich wenigstens eine dezentrale Pumpe und der zugeordnete Wärmeübertrager befinden. Somit können z.B. alle dezentralen Pumpen aller Wärmeübertrager auch räumlich zentral angeordnet sein, z.B. in der Nähe eines Wärmeerzeugers, beispielsweise im Keller eines Gebäudes.
Im Stand der Technik sind allgemein Verfahren zum Betrieb von Rohrnetzen bekannt. Es kann sich hierbei z.B. um Heizungsrohrnetze handeln, z.B. um ein Gebäude zu beheizen. Ein solches Heizungsrohrnetz umfasst dabei üblicherweise eine Vielzahl von Wärmeübertragern sowie wenigstens einen Wärmeerzeuger, z.B. einen Heizkessel, um ein Heizmedium, wie üblicherweise Wasser, zu erhitzen und dieses sodann durch das Heizungsrohrnetz zirkulieren zu lassen. Hierbei ist es im Stand der Technik im Wesentlichen bekannt, für die Zwecke der Zirkulation eine, gegebenenfalls mehrere zentrale Pumpen, insbesondere in der Nähe der Heizungsanlage einzusetzen und die Durchflussmengenregulierung bezüglich jedes einzelnen, in einem Gebäude vorgesehenen Wärmeübertragers anhand von Stellventilen, insbesondere Thermostatventilen, vorzunehmen.
In anderen Anwendungen ist man auf diesem Gebiet dazu übergegangen, statt der einzelnen, jeweils einem Wärmeübertrager zugeordneten Stellventilen, dezentrale Pumpen einzusetzen, die jeweils einem Wärmeübertrager zugeordnet sind und beispielsweise unmittelbar oder in örtlicher Nähe zu einem Vorlauf- oder auch einem Rücklaufstutzen eines jeden Wärmeübertragers. Eine solche Pumpe kann auch nur hydraulisch einem Wärmeübertrager zugeordnet sein und z.B. räumlich zentral und entfernt von einem Wärmeübertrager, insbesondere mit anderen Pumpen angeordnet sein. Eine derartige dezentrale Pumpe übernimmt hierbei die Einstellung des Massenstroms, der in jedem Wärmeübertrager gewünscht ist, durch Änderung der jeweiligen Förderdrehzahl.
Hierbei kann gegebenenfalls eine zentrale Pumpe, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, vollständig in Entfall kommen oder eine zentrale Pumpe wirkt ergänzend in Verbindung mit den einzelnen dezentralen Pumpen. Mit Bezug auf Heizungsrohrnetze betrifft die Erfindung eine solche Ausführung, wo statt Thermostatventilen den Wärmeübertragern jeweils dezentrale Pumpen, insbesondere jedem Wärmeübertrager eine dezentrale Pumpe zugeordnet ist.
Die Erfindung ist nicht auf das Gebiet der Beheizung von Gebäuden beschränkt, sondern betrifft z.B. jegliche Art von Rohrnetzanwendungen, wie z.B.
Verfahrenstechnik oder die Klimatisierung, d.h. neben Heiz- auch Kühlanwendungen, bei denen es vorgesehen sein kann, ein Kühlmittel durch ein Rohrnetz zirkulieren zu lassen und auch hier mittels dezentraler Pumpen, die jeweils einem Kühlkörper, z.B. einem Wärmeübertrager in einer Lüftungsanlage, zugeordnet sind, einen gewünschten Massenstrom einzustellen.
Bei diesen Anwendungen ist das Maß der Beheizung bzw. der Kühlung eines Raums abhängig von dem jeweiligen Massenstrom, der an einem entsprechenden Heiz- bzw. Kühlkörper gegeben ist.
So ist es für eine Raumtemperaturregelung beispielsweise bekannt, mittels Raumtemperatursensoren die aktuelle Raumtemperatur zu erfassen und eine Regelung des Massenstroms einer jeden dezentralen Pumpe vorzunehmen, um eine gewünschte Raumtemperatur zu erreichen. Ist also beispielsweise die aktuelle Raumtemperatur geringer als eine gewünschte Raumtemperatur, so wird eine dezentrale Pumpe ihre Drehzahl bei einer Beheizungsanwendung erhöhen, um einen höheren Energieeintrag in den Raum zu erhalten.
Analog würde bei einer Kühlung des Raums, für den Fall, dass die tatsächliche Raumtemperatur höher ist als die gewünschte Raumtemperatur der Massenstrom erhöht, um eine stärkere Kühlung zu erreichen.
Es wird somit zusammengefasst eine dezentrale Regelung vorgenommen, bei der in / bei jeder der dezentralen Pumpen Soll- und Isttemperatur verglichen und anhand dieses Vergleichs der Massenstrom beispielsweise durch eine Drehzahlregelung angepasst wird, insbesondere wobei ein einzustellender Massenstrom derart vorgegeben wird, dass die Solltemperatur innerhalb eines gewünschten Zeitraumes erreicht wird. So erfolgt in jeder Raum- bzw. Gebäudeeinheit, in der eine dezentrale Pumpe einem Heiz- oder Kühlkörper zugeordnet ist, eine eigenständige Regelung des jeweiligen Massenstroms durch eine dezentrale Pumpe, um so die gewünschte Soll-Temperatur unter Berücksichtigung der aktuellen Ist-Temperatur zu erreichen.
Für eine solche Regelung sind üblicherweise den dezentralen Pumpen jeweils Sensoren zur Bestimmung des Massenstromes zugeordnet. Ein solches Rohrnetz umfasst somit eine Vielzahl von dezentralen Sensoren. Es ist ebenso möglich Information über den Massenstrom aus den elektrischen Betriebsparametern der dezentralen Pumpen zu berechnen. Derartige Pumpen, bei denen die hydraulischen Größen aus gemessenen elektrischen Größen bestimmt werden können, werden auch als beobachtbare Pumpen bezeichnet.
Bei der Verwendung dezentraler Pumpen und einer dezentralen Massenstromregelung ist weiterhin das Problem bekannt, dass bei einer Änderung eines Massenstroms bei einer dezentralen Pumpe automatisch auch die Massenströme von anderen dezentralen Pumpen beeinflusst werden können, die sich in demselben Rohrnetz befinden, so dass die Änderung einer Massenstromvorgabe in einem Raum, um z.B. andere Heiz- oder Kühlbedingungen zu erfüllen, sich automatisch auch auswirken können auf die Heiz- oder Kühlbedingungen in anderen Räumen.
Aufgrund dieser möglichen gegenseitigen Beeinflussungen werden daher bei einer Änderung eines Massenstroms bei einer dezentralen Pumpe auch bei anderen dezentralen Pumpen automatisch dezentrale Regelungen vorgenommen, um die Beeinflussung zu kompensieren und die gewünschten Beheizungs- bzw. Kühlungsbedingungen in anderen Räumen wiederherzustellen bzw. beizubehalten. Es kann somit vorkommen, dass in einem Rohrnetz mit einer Vielzahl von dezentralen Pumpen ein schwingendes System entsteht, welches eine gewisse Einschwingzeit benötigt, um nach der Änderung eines Betriebsparameters an einer oder mehreren dezentralen Pumpen auch für die übrigen Pumpen die neuen Betriebsparameter einzuregeln, um die bisherigen Betriebsbedingungen an den übrigen Pumpen beizubehalten.
Es ist somit nachteilig bei den bekannten jeweiligen dezentralen Regelungen, dass aufgrund der gegenseitigen Beeinflussungen und der notwendigen
Rückkopplungen der Regelparameter ein derartiges betriebenes System zum einen träge ist, insbesondere hinsichtlich des Erreichens des eingeregelten richtigen Massenstromes und somit hinsichtlich der Raumtemperaturregelung und zum anderen für ein solches System ein hoher Regelaufwand betrieben werden muss.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, für ein Rohrnetz jeglicher Art mit dezentralen Pumpen ein Betriebsverfahren bereitzustellen, bei dem ein solches Rohrnetz mit einer Vielzahl von dezentralen Pumpen, insbesondere die jeweils Heiz- oder Kühlkörpern zugeordnet sind, zuverlässiger und insbesondere schneller betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass unter Berücksichtigung der Rohrnetzeigenschaften von einer insbesondere zentralen Recheneinheit die zum Erzielen eines bei jedem Wärmeübertrager gewünschten und/oder geforderten Massenstromes erforderliche Drehzahl für jede dezentrale Pumpe berechnet wird und wenigstens an einen Teil der dezentralen Pumpen von der insbesondere zentralen Recheneinheit die jeweils berechnete Drehzahlstellgröße übermittelt wird.
Wesentlicher Kerngedanke der Erfindung ist es, von der bislang im Stand der Technik bekannten dezentralen Regelung bei jeder einzelnen Pumpe Abstand zu nehmen, bei der sich jede dezentrale Pumpe im Wesentlichen selbst dezentral einregelt, um die gewünschten Temperaturen in einem Raum durch Änderung der jeweiligen Massenströme zu erreichen.
Hierfür ist es wesentlich, dass die Rohrnetzeigenschaften bekannt sind. Unter diesen Rohrnetzeigenschaften werden z.B. die Widerstände der in dem betrachteten Rohrnetz vorkommenden Leitungsabschnitte und ggfs. andere Größen verstanden, die nötig sind, um ein Rohrnetz deterministisch zu beschreiben. So kann durch die Bekanntheit der Rohrnetzeigenschaften auch die
gegenseitige Beeinflussung der Pumpen untereinander für das jeweils betrachtete Rohrnetz bekannt sein, bzw. zumindest berechnet werden.
In einem solchen Fall, wenn die Rohrnetzeigenschaften und insbesondere wenn z.B. die gegenseitige Beeinflussung der Pumpen einer zentralen Recheneinheit bekannt oder berechenbar ist, die z.B. an einer zentralen Heizungsanlage oder auch Kühlanlage angeordnet sein kann, bedarf es nicht mehr der jeweiligen dezentralen Regelung einer jeden dezentralen Pumpe, da aufgrund der Bekanntheit der Rohrnetzeigenschaften zu jeder Zeit diejenigen Drehzahlen zu jeder dezentralen Pumpe berechnet werden können, die nötig sind, um einen gewünschten oder geforderten Massenstrom bei einer Pumpe bzw. einem Wärmeübertrager zu erreichen.
So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Recheneinheit die Berechnung und/oder Übermittlung der Drehzahlstellgrößen nach vorgegebenen insbesondere äquidistanten Zeitabschnitten vornimmt, also z.B. periodisch.
Werden innerhalb eines betrachteten Zeitabschnittes keine Änderungen am System vorgenommen, so würden die bereits eingestellten Drehzahlen erneut berechnet, wobei es vorgesehen sein kann, obwohl effektiv keine Änderung gegeben ist, diese jeweils ausgerechneten Drehzahlen an die jeweiligen Pumpen zu übermitteln, unabhängig davon, ob hierdurch eine Änderung erfolgt oder nicht.
Bevorzugt wird eine Übermittlung von Drehzahlen nur zu denjenigen Pumpen erfolgen, bei denen sich eine Änderung der Drehzahl nach der Übermittlung ergibt. So kann der Datenverkehr reduziert werden.
In einer anderen Ausführung, die auch mit der vorherigen kombinierbar ist, kann es vorgesehen sein, dass eine Berechnung und/oder Übermittlung erfolgt, nachdem an wenigstens einer dezentralen Pumpe bzw. dem zugeordneten Wärmeübertrager eine Änderung der Massenstromanforderung durchgeführt wurde, z.B. dadurch dass eine andere neue Temperatur im Raum gewünscht wird.
Dies kann beispielsweise unabhängig von der vorherigen Ausführung erfolgen oder z.B. auch dann wenn der genannte Zeitabschnitt noch nicht verstrichen ist.
Hierbei kann es vorgesehen sein, dass bei einer Änderung eines Massenstromes bei wenigstens einer Pumpe/einem Wärmeübertrager die Drehzahlen der übrigen Pumpen neu bestimmt, insbesondere angepasst werden, um die gegenseitige Beeinflussung der Pumpen zu kompensieren. Anhand der zugrunde liegenden Rohrnetzeigenschaften lassen sich die gegenseitigen Beeinflussungen berechnen und so neue Drehzahlen ermitteln, die übertragen werden können.
Mittels der Erfindung können sämtliche Maßnahmen zur Ausbildung von Regelschleifen für den Massenstrom entbehrlich werden, da durch das Ausrechnen der Drehzahlen bei den Pumpen nunmehr die Möglichkeit besteht, an wenigstens einen Teil der Pumpen unmittelbar von der zentralen Recheneinheit eine neue Drehzahlstellgröße zu übermitteln.
Eine solche Drehzahlstellgröße muss nunmehr gemäß der Erfindung nicht mehr durch Regelung und Einschwingen des Systems erhalten werden, sondern es besteht vielmehr die Möglichkeit, eine solche Drehzahlstellgröße zu berechnen und der jeweils betrachteten dezentralen Pumpe als Stellgröße vorzugeben, insbesondere ohne dass eine weitere Rückkopplung bezüglich irgendwelcher Regelgrößen erfolgen muss, um das Ziel einer Raumtemperatureinstellung zu erreichen. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass die im Stand der Technik oftmals eingesetzten dezentralen Sensoren zur Bestimmung eines Massenstromes (z.B. Durchfluss oder Differenzdrucksensoren) entfallen können, was eine erhebliche Kostenreduzierung mit sich bringt.
Hierbei ist es gemäß der Erfindung nicht zwingend vorgesehen, nach Zeitablauf und/oder nach der Änderung eines Massenstroms bei einer oder auch mehreren Pumpen an alle übrigen Pumpen neue Drehzahlstellgrößen zu übermitteln, da gegebenenfalls, insbesondere in Abhängigkeit von den Rohrnetzeigenschaften, insbesondere der Rohrnetztopologie nicht jede der übrigen dezentralen Pumpe
von einer Änderung der Drehzahl betroffen ist. Diejenigen Pumpen, die einer Drehzahländerung nicht unterliegen oder bei denen eine Änderung möglicherweise unterhalb einer bestimmten Grenze bleibt, können gegebenenfalls mit ihren bisherigen Drehzahlen weiter betrieben werden, so dass bezüglich dieser dezentralen Pumpen die Übermittlung einer neuen Drehzahl bzw. Drehzahlstellgröße entbehrlich ist.
Besonders vorteilhaft erweist es sich bei einem solchen System, dass z.B. ein Nutzer in einem Raum gewünschte Temperaturanforderungen ändern kann und dass das gesamte Heiz- oder Kühlsystem keine Zeit zum Einschwingen benötigt, sondern vielmehr durch eine zentrale Recheneinheit die neuen Bedingungen für die dezentralen Pumpen berechnet und unmittelbar vorgegeben werden, so dass das Rohrnetz bzw. das gesamte System unmittelbar die neuen Betriebsbedingungen übernimmt und einen stabilen Zustand erreicht.
So können beispielsweise Gebäude zwecks einer Anwendung des Beheizens oder des Bekühlens betrieben werden, ohne dass Maßnahmen für eine Rückkopplung von Massenstrom-Regelgrößen vorgesehen werden müssen, da Massenstrom-Regelgrößen entfallen können und jeweils Stellgrößen an die jeweiligen dezentralen Pumpen von einer zentralen Recheneinheit bzw. Steuerung vorgegeben werden. Es bedarf lediglich einer Regelung der Raumtemperatur bei der eine Ist-Raumtemperatur rückgekoppelt wird.
Diese Rückkopplung aus einem betrachteten Raum kann zu einer zentralen Rechen- bzw. Steuerungseinheit erfolgen, in der aus einer Temperatur- Sollvorgabe und der tatsächlichen Ist-Temperatur der nötige Massenstrom berechnet wird, der in dem betrachteten Raum nötig ist, um die Sollvorgabe zu erreichen. Anhand des nötigen Massenstromes kann die Drehzahl berechnet und an die jeweilige Pumpe übermittelt werden.
Statt einer (örtlich, z.B. beim Kälte-/ oder Wärmeerzeuger) zentralen Berechnung des jeweils bei einer Pumpe nötigen Massenstromes kann es auch vorgesehen
sein, dass jede Pumpe dezentral den bei der betrachteten Pumpe nötigen Massenstrom anhand der Soll- und Ist-Temperaturen feststellt bzw. berechnet und den nötigen Massenstrom zu einer zentralen Steuerung kommuniziert, die aus den von allen Pumpen vorliegenden Massenströmen die jeweils an die Pumpen zu kommunizierenden Drehzahlen berechnet und an die Pumpen übermittelt.
In einer anderen Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass alle Pumpen untereinander vernetzt sind und eine Berechnungsgrundlage für die Bestimmung von Drehzahlen bei jeder der dezentralen Pumpen vorliegt. Es besteht so die Möglichkeit durch jede der dezentralen Pumpen die Drehzahlen für alle Pumpen bestimmen zu lassen und an die übrigen Pumpen zu übermitteln. Jede dezentrale Pumpe kann somit für einen Steuerungszeitpunkt die Funktion einer temporären zentralen Steuerung im Sinne der Erfindung übernehmen, ohne dass es einer örtlich zentral angeordneten Steuerung bedarf.
Ein solcher Steuerungszeitpunkt liegt z.B. dann vor, wenn ein Nutzer in einem bestimmten Raum eine Temperaturvorgabe ändert. Die dann betroffene Pumpe kann mittels ihrer zugeordneten, insbesondere implementierten Elektronik den eigenen neuen Massenstrom und die eigene neue Drehzahl berechnen, sowie auch als temporär einzige zentrale Steuerung die entsprechenden Größen aller übrigen Pumpen durch das Netzwerk an die jeweiligen anderen Pumpen übermitteln.
Eingangs wurde erwähnt, dass es für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich ist, die gegenseitige Beeinflussung der jeweiligen dezentralen Pumpen zu kennen, also beispielsweise eine Information darüber vorliegen zu haben, inwieweit eine Drehzahländerung und damit Massenstromänderung bei wenigstens einer der Pumpen aus der Gesamtheit der dezentralen Pumpen sich bei den jeweiligen übrigen dezentralen Pumpen hinsichtlich des jeweiligen Massenstroms auswirkt.
Um diese Information über eine gegenseitige Beeinflussung für ein Steuerverfahren gemäß der Erfindung bereitzustellen, kann es vorgesehen sein,
dass die Berechnung der gegenseitigen Beeinflussung z.B. erfolgt auf der Grundlage einer gespeicherten Rohrnetztopologie, insbesondere unter Zugrundelegung gespeicherter Pumpenkennlinien jeder Pumpe, der Leitungswiderstände und der Zweigwiderstände des Rohrnetzes. Dieser Ausführung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass gerade dann, wenn die Leitungswiderstände und Zweigwiderstände eines Rohrnetzes bekannt sind, die strömungstechnischen physikalischen Zusammenhänge deterministisch berechnet werden können.
Hierbei handelt es sich bei den Leitungswiderständen und bei den Zweigwiderständen um Widerstände von Rohrnetzabschnitten in dem jeweiligen betrachteten Rohrnetz. Beispielsweise handelt es sich bei den Widerständen von Rohrabschnitten um diejenigen Rohrabschnitte, in denen nur eine einzige betrachtete dezentrale Pumpe angeordnet ist (Endzweige) oder aber auch um Leitungswiderstände von Rohrabschnitten, durch die sämtliche oder ein Teil der dezentralen Pumpen gemeinsam das jeweilige Fördermedium pumpen.
Ist ein Rohrnetz jeglicher Topologie hinsichtlich seiner jeweiligen Widerstände der einzelnen zu betrachtenden Rohrnetzabschnitte bekannt, so besteht die Möglichkeit, aufgrund der physikalischen Zusammenhänge zwischen Förderhöhen, Massenströmen, Pumpenkennlinien, Druckabfällen etc. die gegenseitige Beeinflussung der Pumpen zu berechnen und somit diejenigen Betriebsparameter auszurechnen, die bei dem jeweils betrachteten Rohrnetz zu einer stabilen und vor allen gewünschten Betriebssituation führen.
Hierbei kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass der physikalische Zusammenhang bei der Betrachtung eines bestimmten Rohrnetzes in entsprechenden Formeln bzw. Algorithmen eines softwaremäßig realisierten Verfahrens gespeichert ist. So können beispielsweise die gewünschten Raumtemperaturen aus einem jeweiligen Raum als Eingangsgrößen für eine zentrale Recheneinheit dienen, wobei dann in der zentralen Recheneinheit unter Zugrundelegung der jeweiligen Raumtemperaturen die jeweiligen Massenströme
bzw. die diese bedingenden Drehzahlen berechnet und durch Übermittlung einer Drehzahlstellgröße bei den jeweiligen dezentralen Pumpen die zur Erreichung der gewünschten Temperaturen nötigen Massenströme eingestellt werden.
Wird demnach gemäß der Erfindung an einer oder mehreren der dezentralen Pumpen die jeweilige Temperaturanforderung geändert, so kann es gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, für eine oder mehrere Pumpen die notwendige Massenstromänderung bzw. als absolute Größe den jeweils benötigten Massenstrom zu berechnen, aufgrund des jeweiligen neuen Massenstroms bei der oder den betrachteten Pumpen die Beeinflussung bei den übrigen dezentralen Pumpen zu berechnen und ebenso bei diesen Pumpen die neuen Massenströme durch Übermittlung einer Drehzahlstellgröße einzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die Berechnung der Solldrehzahlen aus vorgegebenen Massenströmen. Die Berechnung der erforderlichen Massenströme kann auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen, muss jedoch nicht zwingend. Beispielsweise kann die Berechnung der erforderlichen Massenströme anhand der Temperatur erfolgen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass dies in einem Regelkreis für die Temperatur erfolgt.
Hierbei kann es in einem Aspekt der Erfindung auch vorgesehen sein, dass ein Programm zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen Regelkreis, wie er im Stand der Technik bekannt ist, simuliert und das Ergebnis der simulierten Regelung als Stellgröße an die jeweiligen dezentralen Pumpen übermittelt. So wird die praktische Einregelung eines stabilen Betriebszustandes Software- und computertechnisch wesentlich schneller durchgeführt, so dass das deutlich schneller erhaltene Endergebnis der simulierten Regelung an die dezentralen Pumpen übermittelt werden kann, ohne dass die schwingende Einregelung praktisch tatsächlich stattfindet.
Neben einer Berechnung der gegenseitigen Beeinflussung, z.B. anhand der Berücksichtigung entsprechender Berechnungsformeln in einer Software zur Durchführung des Verfahrens oder einer Simulation kann es auch vorgesehen sein, dass wenigstens ein Kennfeld, insbesondere n-dimensionales Kennfeld innerhalb einer zentralen Recheneinheit gespeichert ist, wobei n die Anzahl der dezentralen Pumpen wiederspiegelt. Auch so kann anhand eines oder mehrerer Kennfelder die gegenseitige Beeinflussung der Pumpen gespeichert werden und durch ein Auslesen des wenigstens einen Kennfeldes die nötigen Betriebsgrößen, d.h. insbesondere die Drehzahlstellgrößen, für die jeweiligen Pumpen bei einer Betriebspunktänderung bei wenigstens einer der Pumpen ermittelt werden, so dass die neuen Drehzahlstellgrößen an die übrigen Pumpen übermittelt werden können.
Grundsätzlich kann bezogen auf alle möglichen Ausführungen hierbei für die Übermittlung der Drehzahlstellgrößen eine entsprechende Schnittstelle an einer jeweiligen dezentralen Pumpe vorgesehen sein. So kann beispielsweise eine Übermittlung der Drehzahlstellgrößen kabel- oder funkgebunden oder auch optisch erfolgen. Dies gilt ebenso in derselben Weise für die Temperaturwerte, d.h. hier insbesondere die tatsächliche Ist-Temperatur und die gewünschte Soll- Temperatur, die auf dieselben Arten und Weisen zur zentralen Recheneinheit übertragen werden können.
Die Berechnung der gegenseitigen Beeinflussung ist besonders vorteilhaft auf eine einfache Art und Weise möglich, wenn z.B. in Neubauten ein neu zu installierendes Rohrnetz von Anfang an projektiert und in ein Gebäude implementiert wird. Ist dies der Fall, so sind durch die Konstruktionsvorgaben die vorgenannten Widerstände der jeweils zu betrachtenden Rohrnetzabschnitte und insbesondere auch die Pumpenkennlinien der eingesetzten Pumpen von Anfang an bekannt und können als vorgegebene Größen einer Software zur Umsetzung des Verfahrens z.B. auf einer Datenverarbeitungsanlage bereitgestellt werden, um die jeweiligen Drehzahlstellgrößen der einzelnen dezentralen Pumpen zu berechnen oder aus einem Kennfeld oder Tabellen abzulesen.
In anderen denkbaren Anwendungen, wo das Verfahren auf bestehende und insbesondere unbekannte Rohrnetze übertragen werden soll, wird es als vorteilhaft empfunden, für das Verfahren zunächst in einem der eigentlichen Steuerung vorgeschalteten Verfahrensschritt die Rohrnetztopologie zu bestimmen bzw. zu ermitteln.
So kann es grundsätzlich vorgesehen sein, die Topologie eines Rohrnetzes, also insbesondere die Widerstände der einzelnen Rohrnetzabschnitte, Informationen über Verzweigungen des Rohrnetzes und Anordnungen der dezentralen Pumpen in dem Rohrnetz zunächst anhand einer Rohrnetzanalyse zu ermitteln und das Ergebnis einer solchen Rohrnetzanalyse zu speichern und als Berechnungsgrundlage oder aber auch als Grundlage zur Bildung einer auszulesenden Tabelle oder eines auszulesenden Kennfeldes zu verwenden. Es besteht so durch die vorherige Analyse des betreffenden Rohrnetzes auch die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren bei zunächst unbekannten Rohrnetzen einzusetzen, wie es z.B. in zu renovierenden Altbauten vorliegt.
Um eine derartige Analyse durchzuführen, kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass jedem Endzweig eines Rohrnetzes eine dezentrale Pumpe mit bekannter Pumpenkennlinie zugeordnet wird, insbesondere so, wie auch die spätere Anordnung und Zuweisung von dezentralen Pumpen zu Heiz- oder Kühlkörpern sein wird. Hierbei kann es sich im Sinne der Erfindung bei den Endzweig-Rohrnetzabschnitten um diejenigen Abschnitte im Sinne der Erfindung handeln, in denen ein Heiz- bzw. Kühlkörper mit nur einer dezentralen Pumpe angeordnet ist.
Es besteht sodann die Möglichkeit, ein Analyseverfahren durchzuführen, bei dem für Paare von Pumpen, also jeweils zwei betrachtete Pumpen aus der Gesamtanzahl aller dezentraler Pumpen jeweils wenigstens ein Paar von ausgewählten Betriebszuständen bei den Pumpen eingestellt werden, wobei für
jedes Paar von Betriebszuständen der Gesamtvolumenstrom im Rohrnetz oder die Teilvolumenströme in den Endzweigen bestimmt werden.
Durch ein derartiges Verfahren, bei dem jeweils zwei Pumpen paarweise betrachtet werden und an diesen Pumpen zur Analyse jeweils bestimmte vorgegebene Betriebszustände eingestellt werden, können bezogen auf das durch die zwei Pumpen ausgebildete Teilrohmetz des gesamten Rohrnetzes die jeweiligen Leitungswiderstände der von beiden Pumpen gemeinsam genutzten Rohrabschnitte und der Zweigwiderstand des ausschließlich nur von einer der beiden Pumpen genutzten Endzweiges berechnet werden anhand der bestimmten, bekannten und durch die eingestellten Betriebszustände gegebenen Größen.
Dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass ein komplexes Gesamtrohrnetz iterativ charakterisiert werden kann, wenn jeweils Teilrohrnetze betrachtet werden, die sich durch den Betrieb von jeweils zwei Pumpen ergeben. Es können sodann unter Zugrundelegung der bekannten Pumpenkennlinien der beiden betrachteten Pumpen und der jeweiligen Betriebsparameter, wie z.B. den eingestellten Drehzahlen die sich sodann einstellenden Massenströme bestimmt werden, z.B. durch einen zentralen Sensor oder gegebenenfalls auch dezentrale Massenstromsensoren oder auch zentrale oder dezentrale beobachtbare Pumpen. In Kenntnis des Massenstroms und der Pumpenkennlinien kann so jeweils ein Rückschluss gezogen werden auf die jeweiligen Widerstände der Rohrabschnitte, zum einen in denen die jeweils betrachtete dezentrale Pumpe angeordnet ist (Endzweig) und denjenigen Rohrabschnitten, durch die die beiden betrachteten Pumpen gemeinsam das jeweilige Fluid fördern.
Wird das gesamte Rohrnetz somit sukzessive durch Betrachtung jeweils unterschiedlicher Paarungen von Pumpen analysiert, so kann sich im Endeffekt eine Gesamtanalyse des gesamten Rohrnetzes ergeben, bei dem die Widerstände sämtlicher auftretender Rohrnetzabschnitte bekannt sind, so dass
diese erhaltenen Informationen als Berechnungsgrundlage für das erfindungsgemäße Verfahren dienen können. Eine ausführliche Beschreibung eines Verfahrens zur Analyse eines beliebigen Rohrnetzes mit mehreren dezentralen Pumpen ist in einer von derselben Anmelderin am selben Tag eingereichten Patentanmeldung gegeben.
Unabhängig davon, ob ein zu betrachtendes Rohrnetz von Anfang an bekannt ist oder ein unbekanntes Rohrnetz zunächst einer Analyse unterzogen wird hinsichtlich der vorkommenden Widerstände der jeweiligen Rohrnetzabschnitte, weist somit das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, dass die im Stand der Technik bekannte Regelung dezentraler Pumpen entbehrlich und durch eine Ansteuerung der jeweiligen Pumpen mittels einer jeweiligen Drehzahlstellgröße der gewünschte Betriebszustand eines Gesamtnetzes ohne Regelung erreicht wird.
Bezüglich sämtlicher Ausführungen ist festzustellen, dass die in Verbindung mit einer Ausführung genannten technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt werden können, sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen. Sämtliche offenbarten technischen Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung sind als erfindungswesentlich einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar oder in Alleinstellung einsetzbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren näher erläutert. Dieses Beispiel dient nur der Erklärung der Erfindung und gibt nicht zwingend reale Bedingungen wieder. Es zeigen:
Figur 1a: Eine Anordnung mit dezentralen Pumpen, die hydraulisch und räumlich einem jedem Wärmeübertrager zugeordnet sind;
Figur 1b: Eine Anordnung mit dezentralen Pumpen, die hydraulisch jedoch nicht räumlich einem jedem Wärmeübertrager zugeordnet sind;
Figur 2: die Auswirkungen der Vergrößerung des Volumenstroms auf die Druckverhältnisse;
Figur 3: eine nötige Drehzahlerhöhung zur Aufrechterhaltung des Volumenstroms bei einer Pumpe.
Die Figur 1a zeigt schematisch ein Gebäude mit drei Heizkörpern HKi-3 als Wärmeübertrager, wobei jeder Heizkörper in einem Raum oder einer Etage des Gebäudes angeordnet sein kann. In den Zuleitungen zu den Heizkörpern HKi-3 sind mit räumlicher Zuordnung zu den Heizkörpern dezentral die Pumpen Pi-3 angeordnet, die mit den Drehzahlen ni-3 beispielsweise 1000, 2000 und 3000 1/min betrieben werden. Hierdurch wird Heizungswasser in die entsprechenden Räume gefördert mit den Volumenströmen Qi-3, z.B. Qi=10 l/h, Q2=20 l/h und Q3=30 l/h, die für die Aufrechterhaltung der gewünschten Raumtemperaturen Ti-3 erforderlich sind.
Alternativ dazu zeigt die Figur 1b eine Anordnung, bei der die Pumpen zwar hydraulisch einem jedem Heizkörper zugeordnet sind, jedoch nicht räumlich. Alle Pumpen befinden sich z.B. zentral im Keller eines Gebäudes, z.B. in der Nähe eines Wärmeerzeugers. Für die weitere Erläuterung des Beispiels dient die Anordnung und Bezifferung gemäß Figur 1a.
Ist eine Änderung einer Raumtemperatur T1 beispielsweise eine Erhöhung der Raumtemperatur Ti in Raum 1 , erforderlich, so wird der Volumenstrom Qi beispielsweise auf 20 l/h vergrößert durch Erhöhung der Drehzahl ni. Hierdurch nimmt auch der Volumenstrom in den mit den Pumpen 2 und 3 gemeinsam genutzten Rohrleitungen und im Wärmeerzeuger zu, was eine Erhöhung der Druckverluste im Rohrnetz und damit eine Verringerung der Volumenströme Q2 und Q3 z.B. auf Q2=12 l/h und Q3=25 l/h zur Folge hat. Dies wiederum führt zu einer Verringerung der Raumtemperaturen T2 und T3.
Zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperaturen in diesen Räumen ist daher die Erhöhung der Drehzahlen n2 und n3 erforderlich, um wieder die ursprünglichen
Durchflusswerte Q2=20 l/h und Q3=30 l/h zu erreichen. Mit der Zunahme der Volumenströme Q2 und Q3 auf die ursprünglichen Werte verringert sich wiederum der Volumenstrom in Heizkörper 1 , so dass erneut eine entsprechende Gegenregelung erforderlich ist. Die beschriebene gegenseitige Beeinflussung der Volumenströme führt bei einer bislang im Stand der Technik durchgeführten dezentralen Regelung bei jeder einzelnen Pumpe zu einer langsamen Reaktionszeit des Gesamtsystems.
Das erfindungsgemäße Verfahren berechnet demgegenüber ausgehend von dem Anfangszustand Qi=10 l/h, Q2=20 l/h und Q3=30 l/h und dem gewünschten Zielzustand Qi=20 l/h, Q2=20 l/h und Q3=30 l/h die erforderlichen Drehzahlen ni-3 unter Berücksichtigung der gegebenenfalls vorhandenen gegenseitigen Beeinflussung der Volumenströme und übermittelt an die Pumpen direkt die geänderten Drehzahlen ni-3, beispielsweise 2200, 2200 und 3150 1/min, die zur Aufrechterhaltung des gewünschten Zielzustandes erforderlich sind.
Eine Möglichkeit zur Berechnung der einzustellenden Drehzahlen ist im Folgenden zunächst allgemein und anschließend für das konkrete Beispiel beschrieben:
Gemäß
werden die Druckverluste in den Leitungsabschnitten bestimmt, deren Widerstand I, beträgt und bekannt ist als Berechnungsgrundlage. Die von einer Pumpe PR ZU erbringende Förderhöhe ist gegeben als Summe aller Druckverluste in Leitungen, die zu der Pumpe führen, einschließlich des Druckverlustes des zugeordneten Heizkörpers. Es gilt also:
Aus den nun bekannten Betriebspunkten (Qk, Hk) der Pumpe k wird über das Kennfeld die erforderliche Drehzahl nk bestimmt. Alternativ kann die Pumpenkennlinie beispielsweise gemäß H(Q,n)=an2-bnQ-cQ2 parametriert und die Drehzahl berechnet werden nach
„_ bQ + ^b2Q2 + __ AacQ1 + AaH
Durch Einsetzen der gewünschten (zuvor berechneten) Förderströme und der berechneten Druckverluste werden mit dieser Formel die nötigen Drehzahlen berechnet, die sodann an die verschiedenen Pumpen kommuniziert werden, z.B. leitungsgebunden oder auch drahtlos oder optisch. Die Pumpen stellen sodann die mitgeteilte Drehzahl ein, ohne dass bei der Pumpe selbst eine Massenstromregelung stattfindet.
Für das konkrete Beispiel gelten die folgenden Zusammenhänge für die Druckverluste der Leitungen mit den Widerständen I, wie sie in der Figuria bezeichnet sind:
H1=I1 (0!+Q2 +Q3)2
H2=I2 (Qi+Q2 )2
H3=I3 Q12
H4=I4 Q12
H5=I5 (Q1+Q2 r
H6=Ie (Q1+Q2 +Q3)2
H7=I7 Q3 2
H8=I8 Q3 2
H9=I9 Q2 2
HwE=IwE (Q1+Q2+Q3)2
HHK3='HK3 Q32
HHK2=IHK2 Q22
HHKI =IHKI Q12
Damit ergeben sich für die Förderhöhen der Pumpen zu:
HPI = HHK1 +H4+H5+H6+HWE+HI + H2+H3
Die Auswirkungen der Vergrößerung des Volumenstroms Qi auf die Druckverhältnisse, die auf Pumpe Pi wirken, sind exemplarisch in Figur 2 dargestellt. Die schraffierten Säulen kennzeichnen hierin die Druckverhältnisse nach Erhöhung des Volumenstroms Q1. Durch den Anstieg von Q-i erhöhen sich die Druckverluste in den gemeinsam genutzten Rohrleitungsabschnitten H6, HWE und H1. Der Druckverlust der Rohrleitungsabschnitte H7, HHK3 und Hs bleibt unverändert. In der Summe ergibt sich in dem von der Pumpe P3 betriebenen Teilnetz ein um ΔHP3 erhöhter Druckverlust.
Zur Aufrechterhaltung des Volumenstroms Q3 ist eine Drehzahlerhöhung der Pumpe P3 erforderlich, wie sie in Figur 3 schematisch dargestellt ist. Die erforderliche Drehzahl n3 kann mittels Pumpenkennlinie oder Kennfeld aus den gegebenen Größen Q3 und Hp3 berechnet und als Stellgröße übermittelt werden. In gleicher weise kann mit allen weiteren Pumpen verfahren werden.
Claims
1. Verfahren zum Betrieb eines Rohrnetzes, insbesondere Heizungsrohrnetzes mit mehreren dezentralen Pumpen, insbesondere die je einem Wärmeübertrager zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung der Rohrnetzeigenschaften von einer insbesondere zentralen Recheneinheit die zum Erzielen eines bei jedem Wärmeübertrager gewünschten und/oder geforderten Massenstromes erforderliche Drehzahl für jede dezentrale Pumpe berechnet wird und wenigstens an einen Teil der dezentralen Pumpen die jeweils berechnete Drehzahlstellgröße übermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung und/oder Übermittlung nach vorgegebenen, insbesondere äquidistanten Zeitabschnitten erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Berechnung und/oder Übermittlung erfolgt, nachdem an wenigstens einer dezentralen Pumpe bzw. dem zugeordneten Wärmeübertrager eine Änderung der Massenstromanforderung durchgeführt wurde.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Änderung eines Massenstromes bei wenigstens einer Pumpe/einem Wärmeübertrager die Drehzahlen der übrigen Pumpen neu bestimmt, insbesondere angepasst werden, um die gegenseitige Beeinflussung der Pumpen zu kompensieren.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen übrigen Pumpen von einer Übermittlung einer neuen Drehzahlstellgröße ausgenommen werden, zu denen die Recheneinheit keine Änderung der Drehzahl berechnet oder die berechnete Änderung kleiner ist als eine vorgegebene/vorgebbare Grenze.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine von allen dezentralen Pumpen temporär die Funktion einer zentralen Recheneinheit und Steuerung für wenigstens einen Teil der übrigen dezentralen Pumpen übernimmt.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung erfolgt auf der Grundlage gespeicherter Rohrnetzeigenschaften, insbesondere einer Rohrnetztopologie, insbesondere gespeicherter Pumpenkennlinien jeder Pumpe, der Leitungswiderstände und Zweigwiderstände des Rohrnetzes.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Rohrnetzeigenschaften, insbesondere die Rohrnetztopologie bestimmt werden mittels der Durchführung einer Rohrnetzanalyse deren Ergebnis gespeichert wird und als Berechnungsgrundlage dient.
9. Verfahren zur Durchführung einer Rohrnetzanalyse eines Rohrnetzes, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Endzweig eines Rohrnetzes eine dezentrale Pumpe mit bekannter Pumpenkennlinie zugeordnet ist/wird, wobei für Paare von Pumpen jeweils wenigstens ein Paar von ausgewählten Betriebszuständen bei den Pumpen eingestellt wird, wobei für jedes Paar von Betriebszuständen der Gesamtvolumenstrom im Rohrnetz oder die Teilvolumenströme in den Endzweigen bestimmt werden, wonach der Leitungswiderstand Kg der von beiden Pumpen gemeinsam genutzten Rohrabschnitte und der Zweigwiderstand Ru des ausschließlich nur von der Pumpe Pi genutzten Endzweiges berechnet wird anhand der bestimmten und durch die eingestellten Betriebszustände gegebenen Größen.
10.Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass, aus den bestimmten Größen Ru, Ku die hydraulischen Eigenschaften des gesamten Rohrnetzes bestimmt werden durch iteratives Auffinden gemeinsam genutzter Leitungsstücke und Unterteilung in Teilnetze.
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