EP2795133A2 - Pumpenanordnung zum betreiben eines speicherelements in einer wärmeversorgungsanlage - Google Patents

Pumpenanordnung zum betreiben eines speicherelements in einer wärmeversorgungsanlage

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EP2795133A2
EP2795133A2 EP12822971.3A EP12822971A EP2795133A2 EP 2795133 A2 EP2795133 A2 EP 2795133A2 EP 12822971 A EP12822971 A EP 12822971A EP 2795133 A2 EP2795133 A2 EP 2795133A2
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EP
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pump
storage element
supply system
heat supply
heat
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Lubor Chytil
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F24D3/10—Feed-line arrangements, e.g. providing for heat-accumulator tanks, expansion tanks ; Hydraulic components of a central heating system
    • F24D3/105—Feed-line arrangements, e.g. providing for heat-accumulator tanks, expansion tanks ; Hydraulic components of a central heating system pumps combined with multiple way valves
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    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2220/00—Components of central heating installations excluding heat sources
    • F24D2220/02—Fluid distribution means
    • F24D2220/0242—Multiple way valves

Definitions

  • the invention relates to a pump arrangement for operating a storage element in a heat supply system.
  • heat generators such as boilers
  • CH 342 354 should therefore be assigned to such a heat supply system, a heat storage, which is connected in parallel to the existing heat consumers (radiators).
  • the integration into the heat supply system via a three-way valve in the flow and the return line of the heat supply system and a forced circulation with a thermostat controlled circulating pump in the load circuit of the heat supply system.
  • either the consumer circuit, the heat storage or both can be put into operation.
  • CONFIRMATION COPY store is charged directly from the solid fuel boiler at the appropriate valve position, wherein in such a switching variant of the load circuit and the circulation pump are switched off.
  • the resulting pumpless circulation extends the charging intervals.
  • Heat supply system - is an arrangement that has at least one heat generator, a heat consumer and a loadable via a pump or dischargeable heat storage.
  • Pumpenan extract- is an assembly of at least one pump of any type, line sections and valves to solve the task to load or unload the storage element with a pump unit.
  • Speicherelement- is a volume storage of any size and design, which can be charged and discharged with a heat transporting medium.
  • Controllable means that due to arbitrary decisions and interventions in the heat supply system, the commissioning of the pump assembly and its shutdown can be effected.
  • Controllable- means that the commissioning or shutdown of the pump depends on measured values acquired in the system, developed controlled variables or due to treatment routines of a higher-level control system.
  • Such type of control systems can be integrated into the pump arrangement or designed as a central control system of the heat supply system.
  • the invention takes into account such heat supply systems that are equipped with heat generators, are obtained by the amounts of heat from renewable energy and in which a so-called heat sink assumes the task of providing heat to the heating circuit.
  • the pump assembly according to the invention is also applicable in conventional heat supply systems, provided that in these a secondary heat storage is additionally arranged.
  • the pump assembly should be designed in such a way that by means of valves or taps a mutual connection to the supply and discharge line parts is made possible and so the conveying direction of the pump can be changed within short intervals. According to the invention, this has the advantage that only adjusting pulses with little expenditure of energy are necessary for the placement of the valves or taps, while the pump can convey media even after switching in each case in optimized operation.
  • the pump In order to be able to operate the pump in an energy-optimized manner, it is controlled with optimized performance. That is, the pump is always provided the amount of energy that is necessary to comply with the required parameters.
  • a control of the amounts of energy of the circulation pump by controlling the pump drive motor via a pulse width control, which is controlled by analog signals and determined on the basis of the amount of energy for the operation of the circulation pump.
  • a temperature sensor at a point in the consumer circuit of the heat supply system, which is preferably suitable for determining a setpoint temperature.
  • the charging or discharging of a connected heat storage can be controlled almost without inertia and thus compliance with thermal requirements can be ensured in a simple manner.
  • Such activation of the circulation pump may be carried out in parallel with or integrated into a control for the heat supply system. In this case, it is preferable to control the amount of energy via a so-called pulse width control, since this can be carried out with inexpensive components or control or regulating units.
  • a pulse width control by means of a so-called switching regulator or a so-called controllable pulse modulation unit in the form of an electronic module.
  • an electronic component of the SG3524 family is again particularly preferred because it can be regulated via an analog control signal.
  • the condition is given to switch an analog temperature sensor working on the control unit of the circulation pump directly on.
  • control can also be controlled via an analog output of a central control of the heat supply system.
  • a multistage pump or a pump cascade can be used, the activation being possible as described above.
  • the necessary within the pump assembly switching unit is executed in the preferred case with a 4/2 valve.
  • This connects in a switching position, the suction side of the pump with the heat generator and the pressure side of the pump with the storage element.
  • the suction side of the pump is connected to the storage element and the pressure side to the line to the heat generator.
  • a so-called ball valve which has at least the two required switching positions and can be controlled with auxiliary power.
  • two 3/2 valves, four 2/2 valves or ball valve arrangements can be used.
  • the pump arrangement can be designed as a function of the design of the heat supply system in a dissolved construction with intermediate line sections or as a pump arrangement in a compact design or as a pump arrangement in block construction.
  • Fig. 1- a schematic representation of a heat supply system with a memory element arranged on this.
  • Fig. 2- shows a schematic representation of the invention Pumpenan- order using a 4/2-valve in a switching position in which a pump promotes media flow in the direction of a heat source.
  • a heat supply system of the type known per se consists of a heat generator 1, a heat consumer 2 and the lines connecting them 3 for the warm area (flow) and 4 for the cold area (return).
  • a heating circulation pump 5 can be integrated in the heat supply system.
  • line sections 6 and 7 are guided to a storage element 8. Between the line sections 6 and 7, a pump assembly 9 is also arranged, which loads the storage element 8 depending on the need or discharges.
  • the storage element 8 may be connected to the line 3, so that heated medium from the storage element 8 can be fed directly into the supply circuit.
  • the pump arrangement according to the invention in the line sections 6 and 7 consists of a pump 11, a 4/2-way valve 12, a backflow preventer 13 and the connecting lines 14, 15 and 16.
  • the 4/2-valve 12 is in a first switching position, which may also be referred to as 0 ° position.
  • the switching element 17 then directs the medium from the line section 7 via the line 14 to the pump 11, further via the line 15, the backflow preventer 13 and the line 16 in the line 6. In this way, a heat consumer 2 by discharging a in Fig. 2 Memory element, not shown, are supplied with heated medium.
  • the 4/2-valve 12 is connected so that loading of a memory element, not shown in Fig. 3 is possible.
  • a heat generator 1 is heated via line 6, the 4/2-valve 12, the pump 11, the line 15, the backflow preventer 13 and the line 16 heated medium in the conduit 7.
  • the cherelement discharged medium is pumped via the line 10 in the direction of a heat consumer 2.
  • the backflow preventer 13 is arranged on the pressure side of the pump 11 and connected thereto via the line 15. In this way, backflow in the line circuit is prevented, whereby it does not matter whether the return flow would occur in a pulse-like manner or permanently due to a counterpressure.
  • the pump arrangement is connected to the heat supply system. This applies in particular to the feed points to which the line sections 6 and the line 10 are connected. Nor is it important for the invention whether the conduit 10 is present in the system.
  • the pump 11 is preferably a power-controlled pump. Particularly preferred here is a pump control, which works with a pulse width control and the pump 11 can always provide the amount of energy that are required for the fulfillment of the task just.
  • the control of the pump 11 can be realized via a separate control module or by a central control of the heat supply system. It is also possible to influence the flow of energy to the pump 11 by controlling interventions.
  • the pump 11 is supplied with an analog signal, so that a control module or a central controller can generate a pulse-modulated oscillation therefrom.
  • the pulse modulated oscillation is generated by an integrated switching regulator or a controlled pulse width modulator, wherein the modulator preferably recourse to circuits of group SG3524 or their derived model.
  • the control of the module is preferably carried out with analog signals in a voltage range between 0 and 10 V.
  • the switching regulator or modulator preferably operates at a frequency of 4 kHz.
  • the 4/2-way valve 12 is replaced by other equivalent valve arrangements at the expense of certain disadvantages. For example, by an arrangement with two 3/2 valves, by an arrangement with four 2/2 valves or with an arrangement of several ball valves. It is ultimately important that a swap of the suction and the pressure side of the pump 11 with respect to the line sections 6 and 7 is effected.
  • a 4/2 valve 12 in the embodiment is a ball valve because of the simple structure thereof and the reliable operation.
  • the 4/2-valve 12 and the other circuits are each adjustable via control commands and power supply and require no manual operation.
  • the non-return valve 13 can be designed in various ways. So it may for example be a device that works with a float or a device that is provided with a pivoting non-return valve.
  • a further embodiment consists in that the closure body is spring-loaded and the backflow preventer 13 is accordingly designed as a check valve.
  • the inventively designed pump assembly is able to allow both in cooperation with a boiler as well as in cooperation with a heat sink effective control of the heating circuit.
  • the known fluctuations in the energy supply of the solar collectors integrated in heat supply systems can be determined with the aid of the invention.
  • pump assembly and its control can be compensated by the pump is switched so in a conveying direction depending on the heat supply or heat removal that it takes the heating circuit excess heated medium or supplies the heating circuit from the buffer excess heated medium.
  • the simultaneous pulse-width modulated power supply of the pump ensures that it always works with the optimized volume flow and avoids an overshooting of the temperatures in the heating circuit.
  • thermosensor which supplies an analogue measurement signal, at a location of the heating circuit which has been found to be optimal in order to realize in this way an operation of the heating circuit under optimum conditions.
  • the pump arrangement described above thus has the advantage that it allows a simple operation of the pump in two flow directions and thereby the cost of components and the fluid mechanical design can be optimized. Furthermore, the energy input is minimized by the solution according to the invention in such a way that the flow losses are kept low, valve controls are only supplied with energy if necessary and the pump contained in the arrangement receives only the amounts of energy which are just necessary for the fulfillment of the task ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements in einer Wärmeversorgungsanlage. Erfindungsgemäß wird eine Pumpenanordnung, bestehend aus einer regelbaren Pumpe, einem 4/2-Ventil und einem Rückflussverhinderer in der Druckleitung der Pumpe vorgeschlagen, die dergestalt zusammenarbeiten, dass bei stets gleichbleibender Strömungsrichtung in der Pumpe in dem zugeordneten Leitungskreis unterschiedliche Richtungen des Förderstroms erreicht werden können und gleichzeitig die Pumpenleistung an vorhandene Erfordernisse angepasst wird.

Description

Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements in einer Wärmeversorgungsanlage
Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements in einer Wärmeversorgungsanlage.
Es ist bekannt, dass Wärmeerzeuger, wie Heizkessel, in ihrer Wärmeleistung höher dimensioniert werden müssen als der prognostizierte Gesamtbedarf an Wär- me im entsprechenden Wärmeversorgungssystem. Dies deshalb, weil die Wärmeerzeuger in solchen Wärmeversorgungssystemen immer nach dem maximal notwendigen Wärmebedarf ausgelegt werden müssen.
Wird ein Wärmeversorgungssystem, das nach dieser Auslegungsregel dimensio- niert ist, mit einem Festbrennstoffkessel betrieben, ergeben sich daraus Schwierigkeiten bei der Wärmebilanzierung innerhalb einer solchen Anlage.
Nach einem Vorschlag in CH 342 354 soll einem solchen Wärmeversorgungssystem deshalb ein Wärmespeicher zugeordnet werden, der zu den vorhandenen Wärmeverbrauchern (Heizkörpern) parallelgeschaltet ist. Die Einbindung in das Wärmeversorgungssystem erfolgt über je einen Dreiwegehahn in der Vor- und der Rücklaufleitung des Wärmeversorgungssystems sowie über einen Zwangsumlauf mit einer thermostatgesteuerten Umwälzpumpe im Verbraucherkreis des Wärmeversorgungssystems.
Abhängig von der Stellung der Dreiwegehähne können entweder der Verbraucherkreis, der Wärmespeicher oder beides in Betrieb genommen werden.
Bei Betrieb des Verbraucherkreises gemeinsam mit dem Wärmespeicher ergibt sich ein Betriebsregime, das die notwendigen Flüssigkeitsmengen praktisch wahlfrei entweder dem Festbrennstoffkessel oder dem Wärmespeicher oder beiden entnimmt. Ein hydraulischer Ausgleich ist nicht vorgesehen. Mithin kann das vorgeschlagene System nur so sinnvoll betrieben werden, dass der Warmwasser-
BESTÄTIGUNGSKOPIE speicher bei entsprechender Ventilstellung vom Festbrennstoffkessel direkt aufgeladen wird, wobei bei einer solchen Schaltvariante der Verbraucherkreis und die Umwälzpumpe abgeschaltet sind. Der dabei entstehende pumpenlose Umlauf verlängert die Ladeintervalle.
Der wesentlichste Nachteil dieses Wärmeversorgungssystems besteht deshalb darin, dass ein hydraulischer Ausgleich und eine Beauflagung des Wärmespeichers mit einem Druckstrom nicht möglich sind. Im Besonderen kann ein Überangebot an Wärmemengen auch dadurch zustande kommen, dass einem solchen Wärmeversorgungssystem weitere Wärmequellen, wie beispielsweise thermische Solarkollektoren, zugeschaltet sind. Insbesondere kommt es dabei zu groben Missverhältnissen zwischen Angebot an Wärmemengen und deren Abnahme. Hinzu kommt, dass der zeitliche Verlauf zwischen Wär- meerzeugung und Wärmeverbrauch nicht deckungsgleich ist.
Um dem abzuhelfen, sind in Wärmeversorgungssystemen Speicherelemente vorhanden, die bei einem temporären Überangebot an Wärmemengen die Möglichkeit bieten, diese Wärmemengen zwischenzuspeichern und sie später wieder ab- rufen zu können. Um dies zu ermöglichen, muss erwärmtes Medium bei einem Überangebot in Richtung zu dem Speicherelement gepumpt werden. Bei einem Fehlbedarf muss das gleiche Medium in umgekehrter Richtung von dem Speicherelement zurück in den Heizungskreis gepumpt werden. Wegen der bei hohen Medientemperaturen verminderten Lebensdauer von Umwälzpumpen werden diese seit einiger Zeit nur noch in dem Leitungsstrang eingefügt, der stets die niedrigere Temperatur hat. Das erfordert, dass zum Laden bzw. zum Entladen des Wärmespeichers zwei verschiedene Strömungsrichtungen notwendig sind.
Diese Aufgaben sind mit einer Umwälzpumpe, die gewöhnlich eine Kreiselpumpe ist und nur in eine Förderrichtung arbeiten kann, nicht zu erfüllen. Es sind deshalb bereits Wärmeversorgungssysteme ausgeführt worden, bei denen im Leitungs- kreis zwischen Wärmequelle und Wärmespeicher zwei Pumpen mit jeweils entgegengesetzter Förderrichtung parallel geschaltet sind. Diesen müssen allerdings Absperrventile zugeordnet sein, soll das Medium stets nur in eine bestimmte Richtung gefördert werden.
Es ist auch bekannt, bei solchen parallel geschalteten Pumpenanordnungen in jedem Pumpenzweig ein elektrisch gesteuertes Zweiwege-Servoventil anzuordnen, um so einen Kurzschluss des Medienstroms über die jeweils im Stillstand befindliche Pumpe zu vermeiden.
Solche Anordnungen sind aufwendig, zumal sie noch weiterer Steuereinrichtungen bedürfen, die einerseits die Leitungswege öffnen und schließen und andererseits die beiden Pumpen ansteuern. Aus DE 44 09 883 C2 ist eine Anordnung mit zwei in Serie geschalteten Pumpen vorgeschlagen, die beide mit ihren Saugseiten mit der Rücklaufleitung eines Wärmeverbrauchers verbunden sind. Bei dieser Anordnung kann ein Medienstrom in der Rücklaufleitung eines Wärmeverbrauchers mit einer Pumpe mit einem Wärmeerzeuger (Heizkessel) oder mit der anderen Pumpe mit einem Wärmespeicher verbunden werden. Um Rückkopplungen zu vermeiden, sind in der Rücklaufleitung des Wärmeverbrauchers und in der Vorlaufleitung des Wärmeerzeugers je ein Rückschlagventil vorgeschlagen.
Dieses System ist insofern nachteilig, dass im Fall der Zuordnung weiterer Wär- mequellen wie auch bei der Anordnung mehrerer Leitungskreise zu Wärmeverbrauchern jeweils die gleiche Anordnung von Pumpen und Rückschlagventilen wieder vorgesehen werden muss. Mithin steigt der Aufwand bei komplexeren Systemen sehr stark an. Aus EP 1 906 101 A1 ist eine Anordnung bekannt, die in einer Leitung zwei Pumpen jeweils mit ihrer Druckseite verbindet, sodass durch Anschalten von jeweils einer dieser Pumpen eine bestimmte Strömungsrichtung erzwungen wird. Die jeweils außer Betrieb gesetzte Pumpe wird dabei vom Medienstrom durchströmt. Eine vergleichbare Anordnung ist aus einem Wärmeversorgungssystem Eco Ze- nith I 555 der Firma CTC AB, 34126 Ljungby, Schweden bekannt. Bei dieser Anlage werden zwischen beiden mit den Druckseiten verbundenen Pumpen noch zusätzlich Rückschlagventile angeordnet.
Trotz des vereinfachten Aufbaus hat diese Anordnung den Nachteil, dass die jeweils außer Betrieb befindliche Pumpe einen erheblichen Leitungswiderstand darstellt, der zur Erhöhung der Pumpenleistung zwingt. Ferner ist nicht auszuschlie- ßen, dass ein entsprechend großer Medienstrom beim Umströmen des Läufers der stillgesetzten Pumpe Korrosions- und Kavitationsschäden verursacht. Diese Nachteile verstärken sich noch, wenn zusätzlich zur Pumpe noch Rückschlagventile durchströmt werden müssen. Neben den bei den einzelnen im Stand der Technik vorhandenen Lösungen angegebenen Nachteilen sind weitere Nachteile vorhanden. So bedürfen Systeme, die mit zwei voneinander unabhängigen Pumpen arbeiten, einer separaten Ansteue- rung, wodurch der Steuerungsaufwand in solchen Wärmeversorgungssystemen zunimmt.
Sofern Kombinationen mit zwei Umwälzpumpen zusätzlich mit angesteuerten Ventilen ausgestattet sind, steigt der Steuerungsaufwand noch weiter an.
Außerdem fehlt bei den einzelnen Komponenten der im Stand der Technik vor- handenen Anlagen die Synchronisation. Angesteuerte Ventile oder Pumpen erzeugen Schläge in den Leitungskreisen. Bei mehreren Lösungen fehlt der hydraulische Ausgleich.
In Anlagen, die als besonderen Schwerpunkt auf die Gewinnung erneuerbarer E- nergien mit Hilfe von solarthermischen Wärmequellen setzen, können die aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen nicht den Anforderungen an einen maximalen Energiegewinn aus diesen Quellen entsprechen. Dazu ist es notwendig, bei der Bilanzierung der Wärmemengen innerhalb eines Wärmeversorgungssystems einen sekundären Wärmespeicher derart zu integrieren, dass dieser nach Bedarf und ohne Trägheit Wärmemengen in den Verbraucherkreis liefern oder aus dem Erzeugerkreis entnehmen kann. Die im Stand der Technik ebenfalls bekannten und als Wärmesenke in Heizungskreise integrierten Kombispeicher mit einem großen Wärmemengenpuffer können den Anforderungen nicht gerecht werden. Sie sind in ihrem Verhalten zu träge. Andererseits erfordert eine Wärmesenke mit geringerer Trägheit eine schnelle Reaktion durch einen sekundären Warmwasserspeicher, um Angebot oder Mangel an Wärmemengen gegenüber dem Heizungskreis eines Wärmeversorgungssystem annähernd auszugleichen. Das ist mit den aus dem Stand der Technik bekannten Pumpenanordnungen nicht zu erreichen.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Pumpenanordnung vorzuschlagen, die bei geringem Kosten-, Installations- und Steuerungsaufwand die Aufgaben des Ladens und Entladens wenigstens eines Wärmespeichers in Wärmeversorgungssystemen übernehmen kann, die energie- und kostenoptimiert arbeitet, Druckstöße vermeidet, einen hydraulischen Ausgleich ermöglicht und hinsichtlich ihrer Integration in bestehende Anlagen in vielfacher Hinsicht angepasst werden kann.
Diese oben stehende Aufgabe wird gelöst mit einer Leitungsanordnung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes dieses Patentanspruches. Neben- und nachgeordnete Patentansprüche beschreiben Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung.
In der nachstehenden Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den Patentansprüchen werden die nachstehend aufgeführten Begriffe mit folgendem Bedeutungsinhalt verwendet:
Wärmeversorgungsanlage — ist eine Anordnung, die wenigstens aus einem Wärmeerzeuger, einem Wärmeverbraucher und einem über eine Pumpe ladbaren bzw. entladbaren Wärmespeicher verfügt. Pumpenanordnung— ist eine Zusammenstellung von wenigstens einer Pumpe beliebiger Bauart, Leitungsabschnitten und Ventilen zur Lösung der Aufgabe, mit einer Pumpeneinheit das Speicherelement zu laden bzw. zu entladen. Speicherelement— ist ein Volumenspeicher beliebiger Größe und Bauart, der mit einem Wärmemengen transportierenden Medium aufgeladen und wieder entladen werden kann.
Rückflussverhinderer— ist ein Bauteil oder eine Baueinheit, die geeignet sind, den Medienstrom der Pumpe weitgehend unbehindert passieren zu lassen, bei dauerhaftem oder impulshaftem Gegenstrom in der Pumpenleitung den Leitungsstrang jedoch zu verschließen.
Steuerbar— bedeutet, dass aufgrund willkürlicher Entscheidungen und Eingriffe in das Wärmeversorgungssystem die Inbetriebnahme der Pumpenanordnung sowie deren Stillsetzen bewirkt werden kann.
Regelbar— bedeutet, dass das Inbetriebnehmen bzw. Stillsetzen der Pumpe von in der Anlage erfassten Messwerten, erarbeiteten Regelgrößen oder aufgrund von Behandlungsroutinen einer übergeordneten Regelanlage abhängig ist. Solcher Art Regelanlagen können in die Pumpenanordnung integriert oder als zentrale Regelanlage des Wärmeversorgungssystems ausgeführt sein.
Nach der Erfindung wird davon ausgegangen, dass eine weitere Optimierung des Einsatzes von Wärmeenergie in Wärmeversorgungsanlagen dadurch möglich ist, dass ein in einem solchen System zusätzlich angeordnetes Speicherelement trägheitsarm mit nur einer Pumpe geladen bzw. entladen wird. Die bisher verwendeten Anordnungen mit zwei Pumpen werden dadurch entbehrlich.
Dabei berücksichtigt die Erfindung vor allem solche Wärmeversorgungssysteme, die mit Wärmeerzeugern ausgestattet sind, durch die Wärmemengen aus erneuerbaren Energien gewonnen werden und in denen eine sogenannte Wärmesenke die Aufgabe der Bereitstellung von Wärmemengen für den Heizungskreis übernimmt. Gleichwohl ist die erfindungsgemäße Pumpenanordnung auch in herkömmlichen Wärmeversorgungssystemen anwendbar, sofern in diesen ein sekundärer Wärmespeicher zusätzlich angeordnet ist.
Zusätzliche Widerstände durch eine zweite Pumpe, die durchströmt werden muss, entfallen ebenso, wie die Installations- und Wartungskosten für eine zweite Pumpe. Des Weiteren werden mögliche Schäden bei den jeweils außer Betrieb gesetzten Pumpen durch Kavitation, Korrosion und Alterung vermieden.
Nach der Erfindung soll die Pumpenanordnung dergestalt ausgeführt sein, dass mithilfe von Ventilen oder Hähnen ein wechselseitiger Anschluss an die zu- bzw. abführenden Leitungsteile ermöglicht wird und so die Förderrichtung der Pumpe innerhalb kurzer Intervalle gewechselt werden kann. Nach der Erfindung hat dies den Vorteil, dass für das Stellen der Ventile oder Hähne nur Stellimpulse mit wenig Energieaufwand notwendig sind, während die Pumpe selbst nach dem Umschalten jeweils im optimierten Betrieb Medien fördern kann.
Um die Pumpe energieoptimiert betreiben zu können, wird diese leistungsoptimiert angesteuert. Das heißt, es wird der Pumpe stets die Energiemenge bereitgestellt, die zur Einhaltung der geforderten Parameter notwendig ist.
Besonders bevorzugt wird eine Steuerung der Energiemengen der Umwälzpumpe durch eine Steuerung des Pumpenantriebsmotors über eine Pulsweitensteuerung, die durch analoge Signale angesteuert ist und auf deren Grundlage die Energiemengen für den Betrieb der Umwälzpumpe ermittelt.
Besonders vorteilhaft ist dabei die Gewinnung der Analogsignale durch die Anordnung eines Temperaturgebers an einer Stelle im Verbraucherkreis des Wärmever- sorgungssystems, die für die Ermittlung einer Solltemperatur bevorzugt in Frage kommt. Auf diese Weise kann das Laden beziehungsweise Entladen eines angeschlossenen Wärmespeichers nahezu ohne Trägheit gesteuert und damit die Einhaltung wärmetechnischer Vorgaben auf einfache Weise sichergestellt werden. Eine solche Ansteuerung der Umwälzpumpe kann parallel zu einer Steuerung für das Wärmeversorgungssystem oder integriert in dieselbe ausgeführt werden. Bevorzugt wird dabei eine Steuerung der Energiemengen über eine so genannte Pulsweitensteuerung, da diese mit preiswerten Bauelementen bzw. Steuer- oder Regeleinheiten ausgeführt werden kann.
Besonders bevorzugt wird eine Pulsweitensteuerung mit Hilfe eines sogenannten Schaltreglers oder einer sogenannten steuerbaren Pulsmodulationseinheit in der Form einer elektronischen Baueinheit.
Hierbei wird wiederum die Verwendung eines elektronischen Bausteins der Familie SG3524 besonders bevorzugt, weil dieser über ein analoges Steuersignal regelbar ist. Damit ist die Voraussetzung gegeben, einen analog arbeitenden Temperatursensor auf die Steuereinheit der Umwälzpumpe direkt auf zuschalten.
Selbstverständlich kann eine solche Steuerung auch über einen Analogausgang einer zentralen Steuerung des Wärmeversorgungssystems angesteuert werden.
In Fällen, bei denen innerhalb der Wärmeversorgungssysteme längere Leitungswege zum Speicherelement auftreten oder durch das Speicherelement erhöhte Speisedrücke gefordert sind, kann eine mehrstufige Pumpe oder eine Pumpenkaskade verwendet werden, wobei die Ansteuerung wie oben beschrieben erfol- gen kann.
Die innerhalb der Pumpenanordnung notwendige Umschalteinheit wird im bevorzugten Fall mit einem 4/2-Ventil ausgeführt. Dieses verbindet in einer Schaltstellung die Saugseite der Pumpe mit dem Wärmeerzeuger und die Druckseite der Pumpe mit dem Speicherelement. In der zweiten Schaltstellung wird die Saugseite der Pumpe mit dem Speicherelement und die Druckseite mit der Leitung zum Wärmeerzeuger verbunden. Besonders bevorzugt wird für das 4/2-Ventil ein so genannter Kugelhahn, der wenigstens die zwei erforderlichen Schaltstellungen hat und mit Hilfsenergie ansteuerbar ist. Anstelle eines 4/2-Ventils können zwei 3/2-Ventile, vier 2/2-Ventile oder auch Anordnungen mit Kugelhähnen eingesetzt werden.
Zum Schutz des Wärmeversorgungssystems und der Pumpe wird dieser ein Rückflußverhinderer vor- oder nachgeschaltet. Bevorzugt wird hierbei die Anord- nung nach dem druckseitigen Anschluss der Pumpe.
Die Pumpenanordnung kann in Abhängigkeit von der Ausführung des Wärmeversorgungssystems in aufgelöster Bauweise mit zwischengeschalteten Leitungsabschnitten oder als Pumpenanordnung in Kompaktbauweise oder als PumpenanOrdnung in Blockbauweise ausgeführt sein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1— eine schematische Darstellung eines Wärmeversorgungssystems mit einem an diesem angeordneten Speicherelement.
Fig. 2— eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Pumpenan- Ordnung unter Verwendung eines 4/2-Ventils in einer Schaltstellung, bei der eine Pumpe Medienstrom in Richtung einer Wärmequelle fördert.
Fig. 3— die in Fig. 2 gezeigte schematische Darstellung mit einer Schaltstel- lung des Wegeventils, bei der die Pumpe einen Medienstrom in Richtung zu einem angeschlossenen Speicherelement fördert. Ein Wärmeversorgungssystem der an sich bekannten Bauart besteht aus einem Wärmeerzeuger 1 , einem Wärmeverbraucher 2 und den diese verbindenden Leitungen 3 für den warmen Bereich (Vorlauf) und 4 für den kalten Bereich (Rücklauf).
Zusätzlich kann in das Wärmeversorgungssystem eine Heizungsumwälzpumpe 5 integriert sein.
Von der Leitung 4 sind Leitungsabschnitte 6 und 7 zu einem Speicherelement 8 geführt. Zwischen den Leitungsabschnitten 6 und 7 ist zudem eine Pumpenanordnung 9 angeordnet, die das Speicherelement 8 abhängig vom Bedarf lädt oder entlädt.
Über eine Verbindungsleitung 10 kann das Speicherelement 8 mit der Leitung 3 verbunden sein, sodass vom Speicherelement 8 erwärmtes Medium direkt in den Versorgungskreislauf eingespeist werden kann.
Die erfindungsgemäße Pumpenanordnung in den Leitungsabschnitten 6 und 7 besteht aus einer Pumpe 11 , einem 4/2-Ventil 12, einem Rückflussverhinderer 13 und den Verbindungsleitungen 14, 15 und 16.
In Fig. 2 befindet sich das 4/2-Ventil 12 in einer ersten Schaltstellung, die auch als 0°-Position bezeichnet werden kann. Das Schaltelement 17 leitet dann das Medium vom Leitungsabschnitt 7 über die Leitung 14 zur Pumpe 11 , weiter über die Leitung 15, den Rückflussverhinderer 13 und die Leitung 16 in die Leitung 6. Auf diese Weise kann ein Wärmeverbraucher 2 durch Entladen eines in Fig. 2 nicht dargestellten Speicherelements mit erwärmten Medium versorgt werden.
In der in Fig. 3 dargestellten Schaltstellung, die der 90°-Position entspricht, ist das 4/2-Ventil 12 so geschaltet, dass ein Laden eines in Fig. 3 nicht dargestellten Speicherelements möglich ist. Von einem Wärmeerzeuger 1 wird über die Leitung 6, das 4/2-Ventil 12, die Pumpe 11 , die Leitung 15, den Rückflussverhinderer 13 und die Leitung 16 erwärmtes Medium in die Leitung 7 gepumpt. Das vom Spei- cherelement abgeführte Medium wird über die Leitung 10 in Richtung zu einem Wärmeverbraucher 2 gepumpt.
Der Rückflussverhinderer 13 ist an der Druckseite der Pumpe 11 angeordnet und mit dieser über die Leitung 15 verbunden. Auf diese Weise werden Rückströmun- gen im Leitungskreis verhindert, wobei es nicht darauf ankommt, ob die Rück- strömung impulsartig oder aufgrund eines entstandenen Gegendruckes dauerhaft entstehen würde. Für die Erfindung kommt es nicht darauf an, auf welche Weise und mit welchen Anschlussarten die Pumpenanordnung mit dem Wärmeversorgungssystem verbunden ist. Dies betrifft insbesondere die Einspeisungspunkte, an die der Leitungsabschnitte 6 und die Leitung 10 angeschlossen sind. Ebenso wenig ist für die Erfindung bedeutsam, ob die Leitung 10 im System vorhanden ist.
Die Pumpe 11 ist bevorzugt eine leistungsgesteuerte Pumpe. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Pumpensteuerung, die mit einer Pulsweitensteuerung arbeitet und der Pumpe 11 stets die Energiemengen bereitstellen kann, die für die Erfüllung der Aufgabe gerade erforderlich sind.
Die Ansteuerung der Pumpe 11 kann über ein eigenes Steuerungsmodul oder durch eine zentrale Steuerung des Wärmeversorgungssystems realisiert sein. Es ist ebenso möglich, durch steuernde Eingriffe auf den Energiefluss zur Pumpe 11 einzuwirken.
Die Pumpe 11 wird mit einem analogen Signal beaufschlagt, sodass ein Steuerungsmodul oder eine zentrale Steuerung daraus eine pulsmodulierte Schwingung erzeugen kann. Die pulsmodulierte Schwingung wird durch einen integrierten Schaltregler oder einen gesteuerten Pulsweitenmodulator erzeugt, wobei beim Modulator vorzugsweise auf Schaltkreise der Gruppe SG3524 oder deren abgeleitete Modell zurückgegriffen wird. Die Ansteuerung des Bausteins erfolgt vorzugsweise mit analogen Signalen in einem Spannungsbereich zwischen 0 und 10 V. Der Schaltregler beziehungsweise Modulator arbeitet vorzugsweise mit einer Frequenz von 4 kHz.
Das 4/2-Ventil 12 ist durch andere gleichwirkende Ventilanordnungen unter Inkaufnahme gewisser Nachteile ersetzbar. So beispielsweise durch eine Anordnung mit zwei 3/2-Ventilen, durch eine Anordnung mit vier 2/2-Ventilen oder auch mit einer Anordnung aus mehreren Kugelhähnen. Dabei kommt es letztlich darauf an, dass ein Vertauschen der Saug- und der Druckseite der Pumpe 11 gegenüber den Leitungsabschnitten 6 und 7 bewirkt wird.
Besonders bevorzugt wird jedoch ein 4/2-Ventil 12 in der Ausführungsform als Kugelhahn wegen des einfachen Aufbaus desselben und der zuverlässigen Be- triebsweise.
Auch das 4/2-Ventil 12 bzw. die anderen Schaltungsanordnungen sind über Steuerbefehle und Energiezufuhr jeweils stellbar und bedürfen keiner manuellen Bedienung.
Der Rückflussverhinderer 13 kann auf verschiedene Weise ausgeführt sein. So kann es beispielsweise eine Einrichtung sein, die mit einem Schwebekörper arbeitet oder eine Einrichtung, die mit einer schwenkbaren Rückschlagklappe versehen ist. Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass der Verschlusskörper feder- belastet und der Rückflussverhinderer 13 demgemäß als Rückschlagventil ausgeführt ist.
Die erfindungsgemäß ausgeführte Pumpenanordnung ist in der Lage, sowohl im Zusammenwirken mit einem Heizkessel als auch im Zusammenwirken mit einer Wärmesenke eine wirksame Steuerung des Heizkreises zu ermöglichen.
Insbesondere die bekannten Schwankungen der Energiebereitstellung der in Wärmeversorgungssystemen integrierten Solarkollektoren kann mit Hilfe der erfin- dungsgemäßen Pumpenanordnung und deren Steuerung ausgeglichen werden, indem je nach Wärmezufuhr oder Wärmeentzug die Pumpe so in eine Förderrichtung geschaltet wird, dass sie dem Heizungskreis überschüssiges erwärmtes Medium entnimmt oder dem Heizungskreis aus dem Pufferspeicher überschüssiges erwärmtes Medium zuführt.
Die gleichzeitig wirkende pulsweitenmodulierte Energieversorgung der Pumpe bewirkt, dass diese stets mit dem optimierten Volumenstrom arbeitet und ein Ü- berschwingen der Temperaturen im Heizungskreis vermieden wird.
Es ist möglich, einen Temperatursensor, der ein analoges Messsignal liefert, an einer Stelle des Heizungskreises anzuordnen, die als optimal festgestellt wurde, um auf diese Weise einen Betrieb des Heizungskreises unter optimalen Bedingungen zu realisieren.
Die oben beschriebene Pumpenanordnung hat also den Vorteil, dass sie auf einfache Weise einen Betrieb der Pumpe in zwei Strömungsrichtungen ermöglicht und dabei der Aufwand an Bauteilen sowie die strömungsmechanische Auslegung optimiert werden kann. Des weiteren wird der Energieeinsatz durch die erfin- dungsgemäße Lösung dergestalt minimiert, dass die Strömungsverluste gering gehalten werden, Ventilsteuerungen nur wenn notwendig mit Energie versorgt werden und die in der Anordnung enthaltene Pumpe nur die Energiemengen erhält, die für die Erfüllung der Aufgabe gerade notwendig sind.
Bezugszeichenliste
1 Wärmeerzeuger
2 Wärmeverbraucher
3 Leitung
4 Leitung
5 Heizungsumwälzpumpe
6 Leitungsabschnitt
7 Leitungsabschnitt
8 Speicherelement
9 Pumpenanordnung
10 Verbindungsleitung
1 1 Pumpe
12 4/2-Ventil
13 Rückflussverhinderer
14 Leitung
15 Leitung
16 Leitung
17 Schaltelement

Claims

Patentansprüche
1 . Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage, bei der
in einem ersten Leitungskreis ein Wärmeerzeuger (1 ) mit einem Wärmeverbraucher (2) verbunden ist und zwischen diesen mit einer Heizungsumwälzpumpe (5) ein Kreislauf eines Heizmediums erzielbar ist,
mit einem zweiten Leitungskreis ein Speicherelement (8) und eine Pumpenanordnung (9) dergestalt an den ersten Leitungskreis anbindbar ist, das von der Pumpenanordnung (9) bei Bedarf ein Medienstrom vom Wärmeerzeuger (1 ) zum Speicherelement (8) oder vom Speicherelement (8) zum Wärmeverbraucher (2) erzielbar und dabei das im zweiten Leitungskreis angeordnete Speicherelement lad- oder entladbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Pumpenanordnung (9) eine Anordnung aus einer Pumpe (1 1 ), einer Umschalteinheit und einem Rückflußverhinderer (13) ist und diese dergestalt miteinander wechselwirken, dass
- in einer ersten Stellung der Umschalteinheit die Pumpe (1 1 ) - saugseitig mit dem Speicherelement (8) und druckseitig mit dem ersten Leitungskreis verbunden ist, wobei diesem Medium mit niedriger Temperatur aus dem Speicherelementen (8) zugeführt wird,
- in einer zweiten Stellung der Umschalteinheit die Pumpe (1 1 ) - druckseitig mit dem Speicherelement (8) und saugseitig mit dem ersten Leitungskreis verbunden ist, wobei diesem Medium mit niedriger Temperatur entnommen und durch die Pumpe (1 1 ) in das Speicherelement (8) gefördert wird.
2. Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Pumpe (1 1 ) hinsichtlich ihrer Leistung über Pulsweitenmodulation
(PWM) in Abhängigkeit vom Betrag analoger Eingangssignale gesteuert oder geregelt ist.
3. Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach Patentanspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung oder Regelung der Pumpe (1 1 ) durch Versorgung derselben mit wenigstens einem Analogsignal erfolgt.
4. Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Pumpe (1 1 ) mehrstufig oder als Pumpenkaskade mit wenigstens einer weiteren Pumpe ausgeführt ist.
5. Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements in einer Wärmeversorgungsanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umschalteinheit eine Anordnung ist, die ohne Änderung der Dreh- bzw. Förderrichtung der Pumpe (1 1 ) eine Umschaltung von Leitungsanschlüssen im zweiten Leitungskreis und wenigstens zwei Förderrichtungen des Medienstroms zum Laden bzw. Entladen des Speicherelements ermöglicht.
6. Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach Patentanspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umschalteinheit mit einem 4/2-Ventil (12) oder einem 4/2-Hahn ausgeführt ist.
7. Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach Patentanspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umschalteinheit mit zwei 3/2-Ventilen, zwei 3/2-Hähnen oder mit vier 2/2-Ventilen beziehungsweise vier 2/2-Hähnen ausgeführt ist.
8. Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach einem der Patentansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ventile oder Hähne mit Hilfsenergie ansteuerbar sind.
9. Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Rückflussverhinderer (13) der Pumpe (1 1 ) oder der Pumpenkaskade vor- oder nachgeschaltet ist.
10. Pumpenanordnung zum Betreiben eines Speicherelements (8) in einer Wärmeversorgungsanlage nach Patentanspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Rückflußverhinderer (13) mit einem strömungsgesteuerten Schwebekörper und/oder einer strömungsgesteuerten Klappe und/oder mit einem strömungsgesteuerten und federbelasteten Element ausgeführt ist.
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