EP2663774B1 - Verfahren zum leistungsoptimierten betreiben einer elektromotorisch angetriebenen pumpe bei geringen volumenströmen - Google Patents

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EP2663774B1
EP2663774B1 EP12706187.7A EP12706187A EP2663774B1 EP 2663774 B1 EP2663774 B1 EP 2663774B1 EP 12706187 A EP12706187 A EP 12706187A EP 2663774 B1 EP2663774 B1 EP 2663774B1
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EP
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pump
delivery head
value
delivery
volume flow
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Edgar GROSSE-WESTHOFF
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Wilo SE
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    • F04B2207/0412—Settings of flow minimum

Definitions

  • the present invention relates to a method for performance-optimized operation of an electric motor-driven pump in a hydraulic system at very low flow rates, wherein the target delivery height of the pump is controlled as a function of the volume flow along a characteristic curve.
  • the invention further relates to an electric motor operated pump with a control and regulating electronics, which is adapted to carry out the inventive method.
  • the invention relates to a computer program product with instructions for carrying out the method according to the invention, when it is executed in a control electronics of the pump.
  • the regulation of pumps along a predetermined characteristic is known.
  • the European patent application describes EP 0 726 396 A1 a method of the type mentioned.
  • so-called ⁇ p-c characteristics are used, in which the nominal delivery head of the pump is kept constant over the volume flow.
  • ⁇ p-v characteristic curves are known in which the regulation of the pump takes place in accordance with a linear dependence of the nominal delivery height on the volume flow. ⁇ p-v curves adjust the hydraulic power of the pump depending on the volumetric flow demand of the hydraulic system.
  • a disadvantage of such a characteristic control that the target delivery of the pump with closed valves in the system, that is not adjusted at a flow rate equal to zero to the actual hydraulic demand of the system.
  • the control characteristic is rather defined for volume flows greater than zero and only there applicable. If, in addition, the control characteristic in the H / Q diagram is considered, the geometric characteristic of the control characteristic for the H axis of the Diagram an intersection point with this axis before, which has a flow rate equal to zero, a comparatively high target delivery height for the pump. The pump therefore delivers against the closed valves in the system, which unnecessarily consumes power.
  • the nominal delivery height is regulated as a function of the volume flow along a preset characteristic
  • the basic idea of the method according to the invention is to make a reduction of the nominal delivery height of the pump at very low flow rates, ie to depart from the control on the originally set control characteristic at these low flow rates and instead to selectively control the flow rate of the pump, with a subordinate characteristic control can still be active.
  • the lowering of the nominal delivery head of the pump can be carried out by reducing a pumping height setpoint directly specified by the pump. This can be done for example by reducing the pump speed, respectively the electric drive power.
  • the pump motor is directly preset by the pump control to a specific nominal delivery height.
  • the lowering of the setpoint delivery height of the pump can take place by reducing a characteristic setpoint conveying height that determines the characteristic curve.
  • the characteristic setpoint head specifies the position of the characteristic curve in the characteristic field of the pump.
  • the characteristic setpoint conveying height can be predetermined by the intersection of the characteristic curve with the curve describing the maximum speed. This means that, according to the invention, the lowering of the setpoint delivery height of the pump can also be achieved by shifting the position of the predetermined characteristic curve below the volume flow reference value.
  • the pump motor is indirectly predetermined by the pump controller for a specific target delivery height, with a delivery rate set point for the pump coming directly from the subordinate characteristic control.
  • the core aspect of the invention is to make a reduction in the pump power when the volume flow is equal to zero, since in this case actually no pump capacity of the pump is needed.
  • the pump is completely switched off, the system is no longer observable and can no longer respond to a change in the volume flow requirement.
  • due to measurement inaccuracies in the volumetric flow determination and due to inadvertent leaks on the valves of the hydraulic system it is convenient not to consider only the operating case of a volumetric flow rate equal to zero, but rather to define a descending range within which the method of the invention is carried out.
  • This lowering range is limited upwards by the volume flow reference value, which is a maximum of one tenth of the maximum volume flow that can be reached on the preset control characteristic.
  • a smaller volume flow reference value can also be used, for example a reference value which is one twentieth of the maximum volume flow defined by the characteristic curve.
  • the typical Design mass flow of a radiator is between 30 to 50l / h, is ensured with a lower limit of the reference value of about 10l / h sufficient operation of a single heating circuit in small systems.
  • a larger limit value for the reference value makes sense, since a simultaneous operation of several consumers leads to a higher minimum operation of approx. 250 l / h, ie a higher minimum volume flow, which ensures the minimum supply of the simultaneously operating consumers.
  • the nominal delivery height of the pump is lowered. This takes place as long as the volume flow is below the reference value and a minimum head is not yet reached.
  • the setpoint of a subordinate characteristic control can be lowered or the speed of the pump can be reduced directly. In the latter case, the pump is operated purely controlled.
  • the minimum head height is determined by the pressure difference required on the valves in the hydraulic system for any flow to flow in the system at all. It should be noted that in the hydraulic system gravity brakes, in particular backflow preventer can be used, which require a certain opening pressure, so that the medium flows. Only when this opening pressure is exceeded, a gravity brake allows a corresponding volume flow. It is therefore advantageous to orient the minimum height of heights of the heights at what the delivery height of the pump must be at least in order to achieve the opening pressure of the valves in the hydraulic system. For example, the minimum head height is between 60cm and 200cm, depending on the design of the plant, in particular the backflow preventer used.
  • the setpoint delivery height can then be increased again and the regulations along the characteristic curve can be changed, if the volume flow increases or increases above the volume flow reference value. Outside the Absenkrios the target delivery height of the pump is thus raised again, in particular continuously, until the original control characteristic is reached.
  • the characteristic curve along which the pump is controlled may be a pure ⁇ p-c characteristic, a pure ⁇ p-v characteristic or such a ⁇ p-c or ⁇ p-v characteristic that is changed in time, for example as a function of temperature.
  • This means that the characteristic curve can describe a linear, quadratic or constant relationship between the volume flow and the delivery head and / or can be time-variable.
  • the lowering of the nominal conveying height can take place in continuous operation with a constant lowering speed.
  • the raising of the target conveying height after lowering can take place in continuous operation with a constant lifting speed.
  • the lowering speed and the lifting speed for the delivery height setpoint may be selected differently. It is particularly advantageous to set the lowering speed smaller than the lifting speed. With an increased volume flow demand this can then be served as quickly as possible.
  • the nominal delivery height is increasingly lowered. This is preferably not done by switching, but continuously, so that in the hydraulic system no non-linear effects, in particular a tearing off of the flow can occur.
  • the lowering takes place at a constant lowering speed. This means that the longer the operating point of the system is in the lowering range of the characteristic field, the further the nominal delivery height is lowered. Illustrated, the operating point in the H / Q diagram moves downwards on the respective current grid parabola until after a certain time the minimum delivery height has been reached.
  • the pump is controlled in a clocked manner after reaching the minimum height of the delivery height.
  • it alternates between a first delivery altitude value and a second delivery altitude value which is below the first delivery altitude value.
  • a delivery height value is set below the first delivery height value.
  • the switching between the two delivery height values preferably takes place in a uniform cycle.
  • the pump is operated for the first time on the first delivery height value as a setpoint.
  • the second delivery level value is set for the pump.
  • the second delivery height value may preferably correspond to the delivery height zero. This means that the pump is switched off for the duration of the second period. In this case, on the basis of the first delivery level value, a temporary switch-off (to zero cycles) or a cyclical switch-on of the pump takes place, whereby a discontinuous but energetically optimized operation is achieved.
  • the second delivery altitude value may be any elevation value between the minimum altitude and the zero value.
  • the cyclical switching off of the pump has the advantage that a maximum energy saving can be achieved with the pump.
  • a second delivery level value at a level above zero delivery point has the advantage of ensuring sufficient pressure in the entire pipeline network have to drive the volume flow. The system thus remains completely observable even below the minimum head. For when a clocking between the first and the second delivery height value above the delivery value zero can be prevented that the mass flow in parts of the system due to the very low pressures and possible non-linear effects, such as thermal rotation or closing the valve flaps in gravity brakes, breaks off.
  • the second delivery altitude value may also be variable. According to the invention, therefore, the head of the pump after reaching the minimum head height can preferably be further reduced in average by clocking the pump between the minimum head height value as the first head height value and the second head height value, the second height value being gradually reduced.
  • the delivery height minimum value is particularly advantageous to use the delivery height minimum value as the first delivery height value, since switching off the pump from this minimum delivery value or switching to the second delivery level value from this minimum delivery height value causes a minimal noise development. Otherwise, the noise generated by switching on and off or switching over would be perceptible and would lead to corresponding complaints by the end user.
  • the hydraulic system For the duration of the second period, ie when the pump is operated either at the second head level or off, the hydraulic system is not safely observable. This means that no system-relevant volume flow information can be obtained. Switching the pump back to the minimum level of the pump, or switching the pump to this value, ensures that the system becomes observable again and an increased volumetric flow requirement can be ascertained. It is therefore advantageous, at least during the period in which the pump is operated with the first delivery level value, to check whether the volume flow increases or increases above the volume flow reference value.
  • the nominal delivery height is raised again and the regulation along the characteristic curve is transferred.
  • a steady, i. stepless transition to the control characteristic in order to adapt the performance to the actual requirements of the plant.
  • a switchover is made between the first delivery level value and the second delivery level value in a uniform cycle, wherein the pump is operated or switched off with the second delivery level value for a period between 10 and 120 seconds.
  • the system By reducing the nominal delivery head of the pump and the cyclical downshift to a lowest delivery level value, in particular the temporary shutdown of the pump, the system remains observable on the one hand and in a state in which the actuators of the hydraulic system independently react, for example, to a water temperature increased by a drinking water preparation can.
  • the increased power introduced into the system by the increased water temperature is compensated for early by lowering it to the minimum head.
  • FIG. 1 shows a H / Q diagram 1 for a hydraulic system, here a heating system, with an electric motor driven pump.
  • Reference numeral 2 indicates the lying on a characteristic operating points at maximum speed of the pump.
  • the pump is controlled in normal operation on a ⁇ p-v curve K, according to which the target delivery height H is set in linear dependence on the volume flow demand Q of the system.
  • a maximum volume flow Q_max is reached on the characteristic curve K.
  • the then applied setpoint conveying height H is marked H_soll and corresponds to the characteristic setpoint conveying height.
  • the operating point of the heating system moves along the characteristic curve K in the direction of smaller volume flows Q and if the volume flow Q reaches a reference value Q_ref which is approximately 5% of the maximum volume flow Q_ref, for example 150 l / h, then the nominal delivery height H of the pump is opposite the characteristic curve K lowered.
  • the operating point has then in the in FIG. 1 hatched lowering area 3 is moved into it. The lowering takes place as long as the volume flow Q is below the volume flow reference value Q_ref and a minimum head H_min has not yet been reached.
  • the minimum head height value H_min is dimensioned so that in his concern just the opening pressure of existing in the heating system valves and Gravity brakes is overcome, ie with open thermostatic valves, a volume flow is possible.
  • the minimum head H_min is typically about 70cm for pumps for a one- to two-family house and about 1 m for pumps for larger buildings.
  • the operating point of the heating system moves by lowering the nominal delivery height H along a not shown piping parabola in the direction of smaller volume flows Q to the minimum delivery height value H_min is reached.
  • the lowering takes place continuously with a constant lowering speed, so that the target conveying height H is lowered the more, the longer the operating point dwells in the lowering region 3.
  • the fact that in continuous operation no further than the minimum delivery head H_min is lowered has the advantage that the heating system remains observable, because always at least a minimum volume flow Q is possible with valves not completely closed.
  • the lowering speed can be, for example, 10 rpm per minute.
  • a pulsed activation of the heating-medium circulation pump is transferred according to the invention, i. to a discontinuous operation, wherein alternately between the minimum height of the conveyor height H_min and an underlying, second delivery level value is switched.
  • any desired height H can be set between the minimum head H_min and the lower second head.
  • the pump can also be switched off for the second period. In this case, the heating system remains observable both when switching between the minimum head height H_min and the underlying head height value as well as the temporary shutdown of the pump, if at least during the Period by the pump is operated with the minimum amount H_min, it is checked whether the flow rate Q is above the flow rate reference value Q_ref increases or increased.
  • the setpoint conveying height H is continuously raised, the control being transferred along the characteristic curve K.
  • the lifting speed is greater than the lowering speed chosen to quickly adjust the pump power to the requested volume flow Q.
  • FIG. 3 shows the temporal transition from a continuous to a pulsed operation of the pump with increasing reduction of the second delivery height value.
  • the delivery head H of the pump is then continuously reduced to the minimum delivery height value H_min. If the minimum head height H_min is reached at the time t1, a discontinuous operation is started and clocked between a first head value and a second head value, ie periodically switched over. The switching times are chosen identical.
  • the first delivery height value corresponds to the previously reached minimum delivery altitude value H_min.
  • the second delivery altitude value is below this minimum travel altitude value and is gradually reduced until a second minimum travel altitude value H_min2 is reached.
  • the second delivery level value is reduced as long as the second minimum delivery level is not reached.
  • a certain second delivery altitude value can also be maintained over several cycles.
  • the embodiment according to FIG. 3 has the advantage that the hydraulic system always remains observable regardless of whether backflow preventer is present in the system.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum leistungsoptimierten Betreiben einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe in einem hydraulischen System bei sehr geringen Volumenströmen, wobei die Sollförderhöhe der Pumpe in Abhängigkeit des Volumenstroms entlang einer Kennlinie geregelt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektromotorisch betriebene Pumpe mit einer Steuer- und Regelelektronik, die dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Schließlich betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Instruktionen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn es in einer Steuer- und Regelelektronik der Pumpe ausgeführt wird.
  • Die Regelung von Pumpen entlang einer vorgegebenen Kennlinie ist bekannt. Beispielsweise beschreibt die europäische Patentanmeldung EP 0 726 396 A1 ein Verfahren der genannten Gattung. Verwendung finden hierbei so genannte Δp-c Kennlinien, bei denen die Sollförderhöhe der Pumpe über den Volumenstrom konstant gehalten wird. Ferner sind so genannte Δp-v Kennlinien bekannt, bei denen die Regelung der Pumpe gemäß einer linearen Abhängigkeit der Sollförderhöhe vom Volumenstrom erfolgt. Δp-v Kennlinien passen die hydraulische Leistung der Pumpe in Abhängigkeit des Volumenstrombedarfs des hydraulischen Systems an.
  • Nachteilig ist bei einer derartigen Kennlinienregelung, dass die Sollförderhöhe der Pumpe bei geschlossenen Ventilen im System, d.h. bei einem Volumenstrom gleich null nicht an den tatsächlichen hydraulischen Bedarf der Anlage angepasst wird. Die Regelkennlinie ist vielmehr für Volumenströme größer null definiert und nur dort anwendbar. Wird des Weiteren die Regelkennlinie im H/Q-Diagramm betrachtet, so liegt bei geometrischer Verlängerung der Regelkennlinie zur H-Achse des Diagramms ein Schnittpunkt mit dieser Achse vor, der bei einem Volumenstrom gleich null eine vergleichsweise hohe Sollförderhöhe für die Pumpe zur Folge hat. Die Pumpe fördert folglich gegen die geschlossenen Ventile in der Anlage, wodurch unnötig Leistung verbraucht wird.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe in einem hydraulischen System bereitzustellen, dass bei sehr geringen Volumenströmen der Pumpe einen leistungsoptimierten, energieeffizienten Betrieb der Pumpe ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
  • Erfindungsgemäß wird für einen leistungsoptimierten Betrieb einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe in einem hydraulischen System bei sehr geringen Volumenströmen, wobei die Sollförderhöhe in Abhängigkeit des Volumenstroms entlang einer voreingestellten Kennlinie geregelt wird, vorgeschlagen, die Sollförderhöhe gegenüber der voreingestellten Kennlinie abzusenken, wenn der Volumenstrom einen Referenzwert unterschreitet, der maximal ein Zehntel des Maximalvolumenstroms auf der Kennlinie, vorzugsweise ein Zwanzigstel dieses Maximalwerts beträgt, wobei das Absenken solange erfolgt, wie der Volumenstrom unterhalb des Volumenstromreferenzwerts liegt und ein Förderhöhenminimalwert noch nicht erreicht ist.
  • Die grundlegende Idee des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, eine Reduzierung der Sollförderhöhe der Pumpe bei sehr geringen Volumenströmen vorzunehmen, d.h. bei diesen geringen Volumenströmen von der Regelung auf der ursprünglich vorgegebenen Regelkennlinie abzugehen und stattdessen die Förderleistung der Pumpe gezielt gesteuert zu reduzieren, wobei eine unterlagerte Kennlinienregelung weiterhin aktiv sein kann. Das Absenken der Sollförderhöhe der Pumpe kann durch Reduzierung eines der Pumpe direkt vorgegebenen Förderhöhensollwerts erfolgen. Dies kann beispielsweise durch Reduzierung der Pumpendrehzahl, respektive der elektrischen Antriebsleistung erfolgen. Dem Pumpenmotor wird in diesem Fall unmittelbar eine bestimmte Sollförderhöhe von der Pumpensteuerung vorgegeben. Alternativ kann das Absenken der Sollförderhöhe der Pumpe durch Reduzierung einer die Kennlinie bestimmenden Kennliniensollförderhöhe erfolgen. Die Kennliniensollförderhöhe gibt die Lage der Kennlinie im Kennlinienfeld der Pumpe an. Beispielsweise kann die Kennliniensollförderhöhe durch den Schnittpunkt der Kennlinie mit der die Maximaldrehzahl beschreibenden Kurve vorgegeben werden. Dies bedeutet, dass erfindungsgemäß das Absenken der Sollförderhöhe der Pumpe auch dadurch erreicht werden kann, dass die Lage der vorgegeben Kennlinie bei Unterschreiten des Volumenstromreferenzwerts nach unten verschoben wird. Dem Pumpenmotor wird in diesem Fall mittelbar eine bestimmte Sollförderhöhe von der Pumpensteuerung vorgegeben, wobei ein Förderhöhensollwert für die Pumpe unmittelbar von der unterlagerten Kennlinienregelung stammt.
  • Dabei ist der Kernaspekt der Erfindung, eine Reduzierung der Pumpenleistung dann vorzunehmen, wenn der Volumenstrom gleich Null ist, da in diesem Fall eigentlich keine Förderleistung der Pumpe benötigt wird. Wird die Pumpe jedoch ganz abgeschaltet, ist das System nicht mehr beobachtbar und kann nicht mehr auf einen veränderten Volumenstrombedarf reagieren. Ferner ist es aufgrund von Messungenauigkeiten bei der Volumenstrombestimmung sowie aufgrund von unbeabsichtigten Leckagen an den Ventilen des hydraulischen Systems zweckmäßig, nicht ausschließlich den Betriebsfall eines Volumenstroms gleich null zu berücksichtigen, sondern vielmehr einen Absenkbereich zu definieren, innerhalb dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird.
  • Dieser Absenkbereich ist nach oben durch den Volumenstromreferenzwert begrenzt, der maximal ein Zehntel des Maximalvolumenstroms beträgt, der auf der voreingestellten Regelkennlinie erreichbar ist. Vorzugsweise kann auch ein kleinerer Volumenstromreferenzwert verwendet werden, beispielsweise ein Referenzwert, der ein Zwanzigstel des durch die Kennlinie definierten Maximalvolumenstroms beträgt. Durch die Festlegung eines Volumenstromreferenzwerts wird die Förderhöhe nicht ausschließlich bei Q = 0 l/h sondern in einem gewissen Volumenstrombereich 0 < Q <= Qref abgesenkt. Dieser Bereich wird nachfolgend Absenkbereich genannt. Vorzugsweise liegt der Referenzwert zwischen 10l/h und 250l/h. Da der typische Auslegungsmassestrom eines Heizkörpers zwischen 30 bis 50l/h liegt, ist mit einem unteren Grenzwert des Referenzwerts von ca. 10l/h ein ausreichender Betrieb eines einzelnen Heizkreises in kleinen Systemen sichergestellt. In größeren Systemen ist ein größerer Grenzwert für den Referenzwert sinnvoll, da ein gleichzeitiger Betrieb mehrerer Verbraucher zu einem höheren Minimalbetrieb von ca. 250l/h führt, d.h. einem höheren minimalen Volumenstrom, der die Minimalversorgung der gleichzeitig in Betrieb befindlichen Verbraucher gewährleistet.
  • Sinkt der von dem hydraulischen System benötigte Volumenstrom auf einen Wert unterhalb des Referenzwerts, so wird erfindungsgemäß die Sollförderhöhe der Pumpe abgesenkt. Dies erfolgt so lange, wie der Volumenstrom unterhalb des Referenzwerts liegt und ein Förderhöhenminimalwert noch nicht erreicht ist. In dem Absenkbereich kann entweder der Sollwert einer unterlagerten Kennlinienregelung abgesenkt oder direkt die Drehzahl der Pumpe reduziert werden. In letzterem Fall wird die Pumpe rein gesteuert betrieben.
  • Der Förderhöhenminimalwert bemisst sich nach der Druckdifferenz, die an den Ventilen im hydraulischen System erforderlich ist, damit überhaupt ein Volumenstrom in dem System fließt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass in dem hydraulischen System Schwerkraftbremsen, insbesondere Rückflussverhinderer verwendet sein können, die einen gewissen Öffnungsdruck erfordern, damit das Medium fließt. Erst wenn dieser Öffnungsdruck überschritten ist, lässt eine Schwerkraftbremse einen entsprechenden Volumenstrom zu. Es ist daher von Vorteil, den Forderhöhenminimalwert daran zu orientieren, wie hoch die Förderhöhe der Pumpe mindestens sein muss, um den Öffnungsdruck der Ventile im hydraulischen System zu erreichen. Beispielsweise liegt der Förderhöhenminimalwert in Abhängigkeit der Bauweise der Anlage, insbesondere der verwendeten Rückflussverhinderer, zwischen 60cm und 200cm.
  • Die Definition eines derartigen Förderhöhenminimalwerts ist notwendig, damit der Volumenstrom im hydraulischen System beobachtbar bleibt. Denn wenn die Förderhöhe der Pumpe unterhalb dieses Minimalwerts liegt, wird der Öffnungsdruck der Ventile im System nicht erreicht und es fließt aufgrund des hydraulischen Widerstands prinzipbedingt kein Volumenstrom, so dass bei einem derartigen Betrieb der Pumpe nicht feststellbar ist, ob und wann sich ein Regelventil des Systems öffnet. Ist das System beispielsweise durch eine Heizungsanlage gebildet, würde durch das Öffnen eines Ventils, beispielsweise eines Thermostatventils keine Änderung der Pumpenansteuerung bewirken, weil diese Ventilöffnung unerkannt bleiben würde. Dasselbe erfolgt, wenn das System ein Klimasystem zur Kühlung ist.
  • Verbleibt die Sollförderhöhe oberhalb des Förderhöhenminimalwerts, so ist gewährleistet, dass eine Öffnung wenigstens eines Ventils im System bewirken kann, dass der Volumenstrom entsprechend zunimmt und wieder über den Volumenstromreferenzwert steigt. Erfindungsgemäß kann dann die Sollförderhöhe wieder angehoben und auf die Regelungen entlang der Kennlinie übergegangen werden, wenn der Volumenstrom über den Volumenstromreferenzwert steigt oder gestiegen ist. Außerhalb des Absenkbereichs wird die Sollförderhöhe der Pumpe folglich wieder angehoben, insbesondere kontinuierlich, bis die ursprüngliche Regelkennlinie erreicht wird.
  • Die Kennlinie, entlang der die Pumpe geregelt wird, kann eine reine Δp-c Kennlinie, eine reine Δp-v Kennlinie oder eine solche Δp-c oder Δp-v Kennlinie sein, die zeitlich verändert wird, beispielsweise in Abhängigkeit der Temperatur. D.h., dass die Kennlinie einen linearen, quadratischen oder konstanten Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom und der Förderhöhe beschreiben kann und/ oder zeitlich variabel sein kann.
  • Das Absenken der Sollförderhöhe kann im kontinuierlichen Betrieb mit konstanter Absenkgeschwindigkeit erfolgen. Auch kann das Anheben der Sollförderhöhe nach dem Absenken im kontinuierlichen Betrieb mit konstanter Anhebegeschwindigkeit erfolgen. Vorzugsweise können die Absenkgeschwindigkeit und die Anhebgeschwindigkeit für den Förderhöhensollwert unterschiedlich gewählt sein. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, die Absenkgeschwindigkeit kleiner als die Anhebegeschwindigkeit zu setzen. Bei einem gestiegenen Volumenstrombedarf kann dieser dann schnellstmöglich bedient werden.
  • Verbleibt der Volumenstrom unterhalb des Referenzwerts, wird die Sollförderhöhe zunehmend abgesenkt. Dies erfolgt vorzugsweise nicht durch ein Umschalten, sondern kontinuierlich, so dass in dem hydraulischen System keine nichtlinearen Effekte, insbesondere ein Abreißen des Förderstroms auftreten können.
  • Vorzugsweise erfolgt das Absenken mit konstanter Absenkgeschwindigkeit. Dies bedeutet, dass die Sollförderhöhe umso weiter abgesenkt wird, je länger sich der Betriebspunkt des Systems im Absenkbereich des Kennfeldes befindet. Veranschaulicht wandert der Betriebspunkt im H/Q-Diagramm auf der jeweils aktuellen Rohmetzparabel nach unten, bis nach einer gewissen Zeit die minimale Förderhöhe erreicht ist.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Pumpe nach dem Erreichen des Förderhöhenminimalwerts getaktet gesteuert. Dabei wird abwechselnd zwischen einem ersten Förderhöhenwert und einem zweiten Förderhöhenwert, der unterhalb des ersten Förderhöhenwerts liegt, umgeschaltet. Durch das Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Förderhöhenwert, wird im Mittel ein Förderhöhenwert unter dem ersten Förderhöhenwert eingestellt.
  • Das Umschalten zwischen den beiden Förderhöhenwerten erfolgt vorzugsweise in einem gleichmäßigen Takt. Dabei wird die Pumpe für einen ersten Zeitraum auf dem ersten Förderhöhenwert als Sollwert betrieben. Für die Dauer eines zweiten Zeitraums wird bei der Pumpe dagegen der zweite Förderhöhenwert eingestellt.
  • Der zweite Förderhöhenwert kann vorzugsweise der Förderhöhe null entsprechen. Dies bedeutet, dass die Pumpe für die Dauer des zweiten Zeitraums ausgeschaltet wird. In diesem Fall erfolgt ausgehend von dem ersten Förderhöhenwert ein zeitweises Ausschalten (auf null Takten) bzw. ein zyklisches Einschalten der Pumpe, womit ein diskontinuierlicher, aber energetisch optimierter Betrieb erreicht wird. Alternativ hierzu kann der zweite Förderhöhenwert ein beliebiger Förderhöhenwert zwischen dem Förderhöhenminimalwert und dem Wert null betragen.
  • Das zyklische Ausschalten der Pumpe hat den Vorteil, dass eine maximale Energieeinsparung bei der Pumpe erreicht werden kann. Demgegenüber hat ein zweiter Förderhöhenwert auf einem Niveau oberhalb der Förderhöhe Null den Vorteil, dass sichergestellt wird, im gesamten Rohrnetz ausreichend Druck zur Verfügung zu haben, um den Volumenstrom anzutreiben. Das System bleibt damit auch unterhalb des Förderhöhenminimalwerts vollständig beobachtbar. Denn bei einem Takten zwischen dem ersten und dem zweiten Förderhöhenwert oberhalb des Förderwerts null kann verhindert werden, dass der Massestrom in Teilen des Systems in Folge der sehr niedrigen Drücke und möglicher nichtlinearer Effekte, wie thermischer Umtrieb oder Schließen der Ventilklappen bei Schwerkraftbremsen, abreißt.
  • Alternativ zu einem festgelegten zweiten Förderhöhenwert kann der zweite Förderhöhenwert auch variabel sein. Erfindungsgemäß kann daher die Förderhöhe der Pumpe nach dem Erreichen des Förderhöhenminimalwerts vorzugsweise dadurch weiter im Mittel abgesenkt werden, dass die Pumpe zwischen dem Förderhöhenminimalwert als ersten Förderhöhenwert und dem zweiten Förderhöhenwert getaktet wird, wobei der zweite Förderhöhenwert nach und nach reduziert wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, als ersten Förderhöhenwert den Förderhöhenminimalwert zu verwenden, da das Ausschalten der Pumpe von diesem minimalen Förderwert bzw. das Umschalten auf den zweiten Förderhöhenwert von diesem minimalen Förderhöhenwert eine minimale Geräuschentwicklung verursacht. Anderenfalls wären die durch das Ein- und Ausschalten bzw. Umschalten entstehenden Geräusche wahrnehmbar und würden zu entsprechenden Reklamationen des Endverbrauchers führen.
  • Für die Dauer des zweiten Zeitraums, d.h. wenn die Pumpe entweder auf dem zweiten Förderhöhenwert betrieben wird oder ausgeschaltet ist, ist das hydraulische System nicht sicher beobachtbar. Dies bedeutet, dass keine systemrelevante Volumenstrominformation gewonnen werden kann. Das Wiedereinschalten der Pumpe auf den Förderhöhenminimalwert, respektive das Umschalten der Pumpe auf diesen Wert gewährleistet, dass das System wieder beobachtbar wird und ein gestiegener Volumenstrombedarf festgestellt werden kann. Es ist daher von Vorteil, zumindest während des Zeitraums, in dem die Pumpe mit dem ersten Förderhöhenwert betrieben wird, zu prüfen, ob der Volumenstrom über den Volumenstromreferenzwert steigt oder gestiegen ist.
  • Wird bei der Überprüfung des Volumenstroms festgestellt, dass dieser über den Volumenstromreferenzwert steigt oder gestiegen ist, wird die Sollförderhöhe wieder angehoben und es wird auf die Regelung entlang der Kennlinie übergegangen. Vorzugsweise wird dabei ein stetiger, d.h. stufenloser Übergang zur Regelkennlinie durchgeführt, um die Leistung gleitend an den tatsächlichen Bedarf der Anlage anzupassen.
  • Vorzugsweise wird zwischen dem ersten Förderhöhenwert und dem zweiten Förderhöhenwert in einem gleichmäßigen Takt umgeschaltet, wobei die Pumpe für einen Zeitraum zwischen 10 und 120 Sekunden mit dem zweiten Förderhöhenwert betrieben respektive ausgeschaltet wird.
  • Durch die Aktivierung der Förderhöhenreduzierung wird im Vergleich zu einem dauerhaften Ausschalten der Pumpe immer eine geringe Menge Flüssigkeit in dem hydraulischen System, insbesondere heißes Wasser gefördert. Hierdurch ist bei der Wiederaufnahme des regulären Betriebs ein Zustand vorhanden, von dem aus ein kontinuierlicher Übergang in den normalen Regelbetrieb entlang der Kennlinie möglich ist.
  • Durch das Herabsetzen der Sollförderhöhe der Pumpe und dem zyklischen Herunterschalten auf einen untersten Förderhöhenwert, insbesondere das zeitweise Ausschalten der Pumpe, bleibt das System einerseits beobachtbar und in einem Zustand, in dem die Stellglieder des hydraulischen Systems selbständig beispielsweise auf einen durch eine Trinkwasserbereitung erhöhte Wassertemperatur reagieren können. Die durch die erhöhte Wassertemperatur in das System eingebrachte Mehrleistung wird durch die Absenkung auf den Förderhöhenminimalwert frühzeitig kompensiert.
  • Es wird des Weiteren eine elektromotorisch betriebene Pumpe mit einer Steuer- und Regelelektronik vorgeschlagen, die dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Schließlich wird ein Computerprogrammprodukt mit Instruktionen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, wenn es in einer Steuer- und Regelelektronik der Pumpe ausgeführt wird.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1:
    H/Q-Diagramm mit Δp-v Kennlinie und markiertem Absenkbereich bei Reduzierung der Sollförderhöhe
    Figur 2:
    H/Q-Diagramm für den Übergang aus dem Absenkbereich zur Δp-v Kennlinie
    Figur 3:
    Darstellung des Übergangs von einem kontinuierlichen zu einem getakteten Betrieb der Pumpe mit zunehmender Reduzierung des zweiten Förderhöhenwerts
  • Figur 1 zeigt ein H/Q-Diagramm 1 für ein hydraulisches System, hier eine Heizungsanlage, mit einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe. Bezugsziffer 2 kennzeichnet die auf einer Kennlinie liegenden Betriebspunkte bei maximaler Drehzahl der Pumpe. Die Pumpe wird im Normalbetrieb auf einer Δp-v Kennlinie K geregelt, gemäß der die Sollförderhöhe H in linearer Abhängigkeit zum Volumenstrombedarf Q des Systems eingestellt wird. Bei maximaler Drehzahl der Pumpe wird auf der Kennlinie K ein maximaler Volumenstrom Q_max erreicht. Die dann anliegende Sollförderhöhe H ist mit H_soll gekennzeichnet und entspricht der Kennliniensollförderhöhe.
  • Bewegt sich der Betriebspunkt der Heizungsanlage entlang der Kennlinie K in Richtung kleinerer Volumenströme Q und erreicht der Volumenstrom Q einen Referenzwert Q_ref, der etwa 5% des maximalen Volumenstroms Q_ref beträgt, beispielsweise 150 l/h, so wird die Sollförderhöhe H der Pumpe gegenüber der Kennlinie K abgesenkt. Der Betriebspunkt hat sich dann in den in Figur 1 schraffierten Absenkbereich 3 hinein bewegt. Das Absenken erfolgt so lange, wie der Volumenstrom Q unterhalb des Volumenstromreferenzwerts Q_ref liegt und ein Förderhöhenminimalwert H_min noch nicht erreicht ist.
  • Der Förderhöhenminimalwert H_min ist so bemessen, dass bei seinem Anliegen gerade der Öffnungsdruck der in dem Heizungssystem vorhandenen Ventile und Schwerkraftbremsen überwunden wird, d.h. bei geöffneten Thermostatventilen ein Volumenstrom möglich ist. Beispielsweise beträgt die minimale Förderhöhe H_min typischerweise ca. 70cm bei Pumpen für ein Ein- bis Zweifamilienhaus und ca. 1 m bei Pumpen für größere Gebäude.
  • Nach Unterschreiten des Volumenstromreferenzwerts Q_ref bewegt sich der Betriebspunkt des Heizungssystems durch das Absenken der Sollförderhöhe H entlang einer nicht eingezeichneten Rohrnetzparabel weiter in Richtung kleinerer Volumenströme Q bis der minimale Förderhöhenwert H_min erreicht ist. Das Absenken erfolgt kontinuierlich mit konstanter Absenkgeschwindigkeit, so dass die Sollförderhöhe H umso mehr abgesenkt wird, je länger der Betriebspunkt im Absenkbereich 3 verweilt.
  • Dass im kontinuierlichen Betrieb nicht weiter als die minimale Förderhöhe H_min abgesenkt wird, hat den Vorteil, dass das Heizungssystem beobachtbar bleibt, weil stets ein zumindest minimaler Volumenstrom Q bei nicht vollständig geschlossenen Ventilen möglich ist. Die Absenkgeschwindigkeit kann beispielsweise 10 U/min pro Minute betragen.
  • Wird die Sollförderhöhe H soweit abgesenkt, dass der Förderhöhenminimalwert H_min erreicht wird, wird erfindungsgemäß zu einer getakteten Ansteuerung der Heizungsumwälzpumpe übergegangen, d.h. zu einem diskontinuierlichen Betrieb, wobei abwechselnd zwischen dem Förderhöhenminimalwert H_min und einem darunter liegenden, zweiten Förderhöhenwert umgeschaltet wird.
  • Je nach Taktverhältnis, d.h. zeitlicher Dauer für die der Förderhöhenminimalwert H_min einerseits und der zweite Förderhöhenwert andererseits anliegt, kann im Mittel ein beliebiger Förderhöhenwert H zwischen dem Förderhöhenminimalwert H_min und dem geringeren zweiten Förderhöhenwert eingestellt werden. Bei vergleichsweise trägen Heizsystemen wie beispielsweise Fußbodenheizungen kann auch ein Ausschalten der Pumpe für den zweiten Zeitraum erfolgen. Dabei bleibt das Heizungssystem sowohl beim Umschalten zwischen dem Förderhöhenminimalwert H_min und dem darunter liegenden Förderhöhenwert als auch beim zeitweisen Ausschalten der Pumpe weiterhin beobachtbar, wenn zumindest während des Zeitraums, indem die Pumpe mit dem Förderhöhenminimalwert H_min betrieben wird, geprüft wird, ob der Volumenstrom Q über den Volumenstromreferenzwert Q_ref steigt oder gestiegen ist.
  • Wie in Figur 2 gezeigt, wird in diesem Fall die Sollförderhöhe H kontinuierlich angehoben, wobei auf die Regelung entlang der Kennlinie K übergegangen wird. Die Anhebgeschwindigkeit ist dabei größer als die Absenkgeschwindigkeit gewählt, um die Pumpenleistung zügig an den angeforderten Volumenstrom Q anzupassen.
  • Figur 3 zeigt den zeitlichen Übergang von einem kontinuierlichen zu einem getakteten Betrieb der Pumpe mit zunehmender Reduzierung des zweiten Förderhöhenwerts. Das Erreichen des Volumenstromreferenzwerts Q_ref wird beim Zeitpunkt t=0 angenommen. Die Förderhöhe H der Pumpe wird anschließend auf den Förderhöhenminimalwert H_min kontinuierlich reduziert. Wird der Förderhöhenminimalwert H_min zum Zeitpunkt t1 erreicht, wird in einen diskontinuierlichen Betrieb übergegangen und zwischen einem ersten Förderhöhenwert und einem zweiten Förderhöhenwert getaktet, d.h. periodisch umgeschaltet. Die Umschaltzeiten sind dabei identisch gewählt.
  • Der erste Förderhöhenwert entspricht dem zuvor erreichten Förderhöhenminimalwert H_min. Der zweite Förderhöhenwert liegt unter diesem Förderhöhenminimalwert und wird nach und nach reduziert, bis ein zweiter Förderhöhenminimalwert H_min2 erreichet ist. In dem Beispiel nach Figur 3 wird bei jedem neuen Takt der zweite Förderhöhenwert reduziert, solange der zweite Förderhöhenminimalwert nicht erreicht ist. Alternativ kann ein bestimmter zweiter Förderhöhenwert auch über mehrere Takte beibehalten werden. Die Ausführungsvariante gemäß Figur 3 hat den Vorteil, dass das hydraulische System stets beobachtbar bleibt, ungeachtet dessen, ob Rückflussverhinderer in dem System vorhanden sind.

Claims (17)

  1. Verfahren zum leistungsoptimierten Betreiben einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe in einem hydraulischen System bei sehr geringen Volumenströmen (Q), wobei die Sollförderhöhe (H) der Pumpe in Abhängigkeit des Volumenstroms (Q) entlang einer voreingestellten Kennlinie (K) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollförderhöhe (H) gegenüber der voreingestellten Kennlinie (K) abgesenkt wird, wenn der Volumenstrom (Q) einen Referenzwert (Q_ref) unterschreitet, der maximal ein Zehntel, vorzugsweise ein Zwanzigstel des Maximalvolumenstroms (Q_max) auf der Kennlinie (K) beträgt, wobei das Absenken solange erfolgt, wie der Volumenstrom (Q) unterhalb des Volumenstromreferenzwerts (Q_ref) liegt und ein Förderhöhenminimalwert (H_min) noch nicht erreicht ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absenken kontinuierlich erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Absenken mit konstanter Absenkgeschwindigkeit erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe nach dem Erreichen des Förderhöhenminimalwerts getaktet gesteuert wird, wobei abwechselnd zwischen einem ersten Förderhöhenwert und einem zweiten Förderhöhenwert, der unterhalb des ersten Förderhöhenwerts liegt, umgeschaltet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Förderhöhenwert dem Förderhöhenminimalwert (H_min) entspricht.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Förderhöhenwert null beträgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Förderhöhenwert nach und nach reduziert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Zeitraums, in dem die Pumpe mit dem ersten Förderhöhenwert betrieben wird, geprüft wird, ob der Volumenstrom (Q) über den Volumenstromreferenzwert (Q_ref) steigt oder gestiegen ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Förderhöhenwert und dem zweiten Förderhöhenwert in einem gleichmäßigen Takt umgeschaltet wird, wobei die Pumpe für einen Zeitraum zwischen 10 und 120 Sekunden mit der zweiten Förderhöhenwert betrieben wird.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollförderhöhe (H) wieder angehoben und auf die Regelung entlang der Kennlinie (K) übergegangen wird, wenn der Volumenstrom (Q) über den Volumenstromreferenzwert (Q_ref) steigt oder gestiegen ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anheben der Sollförderhöhe (H) kontinuierlich erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anhebgeschwindigkeit größer als die Absenkgeschwindigkeit ist.
  13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie (K) zeitlich variable ist.
  14. Verfahren nach einer der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Steuerung einer Heizungsumwälzpumpe verwendet wird.
  15. Verfahren nach einer der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absenken der Sollförderhöhe der Pumpe durch Reduzierung eines der Pumpe direkt vorgegebenen Förderhöhensollwerts oder durch Reduzierung einer die Kennlinie bestimmenden Kennliniensollförderhöhe erfolgt.
  16. Elektromotorisch betriebene Pumpe mit einer Steuer- und Regelelektronik, die dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auszuführen.
  17. Computerprogrammprodukt mit Instruktionen zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben einer elektromotorisch betriebenen Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wenn es in einer Steuer- und Regelelektronik der Pumpe ausgeführt wird.
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