EP3287717A1 - Verfahren zum betreiben einer kaskadenschaltung kühl- und / oder wärmetechnischer anlagen - Google Patents

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EP3287717A1
EP3287717A1 EP17186341.8A EP17186341A EP3287717A1 EP 3287717 A1 EP3287717 A1 EP 3287717A1 EP 17186341 A EP17186341 A EP 17186341A EP 3287717 A1 EP3287717 A1 EP 3287717A1
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heat
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temperature
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EP17186341.8A
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Thomas Pütz
Christoph Löhr
Mario Leeser
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F24D11/02—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps
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    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2116—Temperatures of a condenser
    • F25B2700/21161—Temperatures of a condenser of the fluid heated by the condenser

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a cascade circuit cooling and / or thermal equipment.
  • Cascade circuits are mostly used to provide a high total heating or cooling capacity, thereby allowing a very large modulation range. Also, cascades are used to satisfy the failure of a single device by means of the other heat or cooling requirements and to bridge service times.
  • cascade circuits of heaters are depending on a reference variable, usually a system flow temperature, heaters on and off as needed.
  • a reference variable usually a system flow temperature
  • heaters on and off as needed.
  • either devices can be switched on and off only with a constant power or the individual devices are operated modulating, so that certain cascade services can be achieved in several ways. For example, many devices can operate at part load instead of fewer devices with high or maximum load and others without load.
  • the invention is therefore based on the object to describe a method for operating a cascade circuit cooling and / or thermal equipment that allows the most continuous operation possible.
  • FIG. 1 shows a cascade circuit with 3 heat pumps 1, each having a circulation pump 6 and are connected via a respective supply line 3 and a return line 5 to the primary side of a hydraulic switch 2.
  • the hydraulic switch 2 is connected on its secondary side with a heating circuit 7, in which a heating circulating pump 9 and a thermal consumer 8 are.
  • the thermal load may be a heating circuit, a thermal storage and / or a dhw production.
  • a thermal storage is advantageous not only for the storage of heat, but also to compensate for fluctuations on the source and consumer side.
  • a temperature sensor 10 is arranged in this.
  • the temperature sensor 10 is connected to a cascade control 11, which in turn is coupled to the controls of the heat pump 1.
  • the first heat pump initially increases its heat output continuously to a constant output. If the system heat S falls below a certain limit S 1 at a time t 1 (since the ⁇ T is less than zero, the system heat S is also less than zero), the second heat pump 1 is switched on and its heat output is increased to a constant power, the time being t as well as the system heat product S continue to be recorded. For this purpose, the temperature T h in the hydraulic switch 2 is continuously detected and taken into account in the calculation. If the system heat product S falls below a further specific threshold value S 2 in the further course at a further time t 2 , then the third heat pump 1 is switched in a modulating manner and the time t and the system heat product S are detected. In the present case, no further heat pumps can be switched on; According to the invention, however, any number of heat pumps 1 can be switched on.
  • the third heat pump 1 is switched off again (time t 3 ). If the system heat product S continues to exceed a value from the aforesaid limit value S 1 and a hysteresis ⁇ h 1 , the second heat pump 1 is also switched off again (time t 4 ). If the system heat product is zero, the heat demand is satisfied. In order to avoid a cycle, the system is operated even further, until a time t5, the system heat S exceeds the value of a hysteresis .DELTA.h 3 . The cascade is then turned off.
  • heat pumps 1 can be switched on and off as required.
  • the order of the heat pump 1 can be changed.
  • the operating times can be taken into account.
  • a boiler reversal sequence can be used, which regularly evaluates the running times of the individual devices and then prefers the device with the lowest transit time when connecting.
  • the individual devices can be switched on or off digitally or operated modulatingly.
  • the devices can optionally be operated up to their maximum load before another device is switched on or the devices are operated up to a certain load, for example 70% of their maximum load, before the next device is switched on. If all devices are in part-load operation without satisfying the heat demand, their load is increased until at most all devices are operated with maximum load. The same applies to the shutdown of system performance.
  • the system heat S preferably has a plant-specific lower limit, which corresponds to an operation of all devices with maximum load, since then no further increase in the system performance is possible. This ensures that even with large fluctuations in the heat demand, the system heat S does not fall too far, whereby a proper shutdown of the cascade participants is not guaranteed.
  • the minimum value is system-specific and should not be significantly lower than the value for switching on the last cascade participant.
  • the operating times of the individual devices in the cascade are recorded and taken into account when switching on in such a way that all devices are operated as regularly as possible, so that all devices are subject to the same service intervals as possible.
  • a positive value can serve as the control variable.
  • the claimed method is then switched on when exceeding a certain value respectively and switched off when falling below.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Kaskadenschaltung mehrerer kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1), welche über jeweils eine Vorlaufleitung (3) sowie eine Rücklaufleitung (5) mit der Primärseite einer hydraulischen Weiche (2) oder einem Wärme- oder Kältespeicher verbunden sind, sowie einem Temperatursensor (10), welcher in der hydraulischen Weiche (2), dem Wärme- oder Kältespeicher oder bei einem Verbraucher angeordnet ist, wobei der Temperatursensor (10) mit einer Kaskadenregelung (11), welche wiederum mit den Regelungen der kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1) gekoppelt ist, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaskadenschaltung eingeschaltet wird, wenn die mittels des Temperatursensors (10) gemessene Temperatur einen vorgegebenen Sollwert bei wärmetechnischen Anlagen (1) unterschreitet oder bei kältetechnischen Anlagen (1) überschreitet und dann Zeiterfassung gestartet wird, ein Systemwärmeprodukt S aus der Temperaturdifferenz ”T zwischen der mittels des Temperatursensors (10) gemessenen Temperatur T h und einer Solltemperatur T soll sowie der Zeit t gebildet, wird in Abhängigkeit des Systemwärmeprodukts S die kühl- und / oder wärmetechnischen Anlagen (1) zu und abgeschaltet werden, wobei wenn das Systemwärmeprodukt S bestimmte Grenzwerte unterschreitet eine erste und weitere Anlagen (1) sukzessive zugeschaltet werden und beim Überschreiten bestimmter Grenzwerte die Anlagen sukzessive abgeschaltet werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Kaskadenschaltung kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen.
  • Kaskadenschaltungen werden zumeist verwendet, um eine hohe Heiz- oder Kühlgesamtleistung bereitstellen zu können und hierbei einen sehr großen Modulationsbereich zu ermöglichen. Auch werden Kaskaden eingesetzt, um beim Ausfall eines Einzelgeräts mittels der anderen Wärme- beziehungsweise Kältebedarf befriedigen zu können und Servicezeiten zu überbrücken.
  • Bei Kaskadenschaltungen von Heizgeräten werden in Abhängigkeit von einer Führungsgröße, zumeist eine Systemvorlauftemperatur, Heizgeräte bedarfsgerecht zu- und abgeschaltet. Hierbei können entweder Geräte nur mit einer konstanten Leistung ein- und ausgeschaltet werden oder die einzelnen Geräte modulierend betrieben werden, so dass bestimmte Kaskadenleistungen auf mehrere Arten erreicht werden können. So können beispielsweise viele Geräte mit Teillast anstelle weniger Geräte mit hoher beziehungsweise maximaler Last und andere ohne Last betrieben werden.
  • Werden Geräte zu- und abgeschaltet, so besteht vor allem bei nicht modulierenden Geräten das Problem, dass es zu Vorlauftemperaturschwankungen und gegebenenfalls zum Takten kommt. Bei fossil betriebenen Geräten führt Takten stets zu erhöhten Anfahremissionen. Nach einem Abschalten wird häufig eine Wiederanlaufsperre aktiviert. Hierbei besteht das Problem, dass in manchen Fällen die Wärmeanforderung nicht oder nur unvollständig mit Komforteinbußen befriedigt werden kann. Ein weiterer Vorteil von modulierenden Geräten besteht darin, dass diese im Teillastbereich in der Regel effizienter arbeiten.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Kaskadenschaltung kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen zu beschreiben, das einen möglichst kontinuierlichen Betrieb ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Regelung mittels eines Systemwärmeprodukts S, das sich aus der Temperaturabweichung und der Zeit seit Beginn der Wärmeanforderung ergibt, erfolgt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung wird im Folgenden näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Figur 1 eine Kaskadenschaltung mit 3 Wärmepumpen, einer hydraulischen Weiche und einem Verbraucherkreislauf,
    • Figur 2 beispielhaft den Verlauf des Systemwärmeprodukts S und der Heizleistung P über der Zeit t.
  • Figur 1 zeigt eine Kaskadenschaltung mit 3 Wärmepumpen 1, die jeweils über eine Umwälzpumpe 6 verfügen und über jeweils eine Vorlaufleitung 3 sowie eine Rücklaufleitung 5 mit der Primärseite einer hydraulischen Weiche 2 verbunden sind. In jeder Vorlaufleitung 3 der Wärmepumpen 1 befindet sich ein Rückschlagventil 4. Die hydraulische Weiche 2 ist auf ihrer Sekundärseite mit einem Heizkreislauf 7, in dem sich eine Heizkreisumwälzpumpe 9 und ein thermischer Verbraucher 8 befinden, verbunden. Bei dem thermischen Verbraucher kann es sich um einen Heizungskreislauf, einen thermischen Speicher und / oder eine Brauchwasserbereitung handeln. Ein thermischer Speicher ist nicht nur zur Bevorratung von Wärme, sondern auch zum Ausgleich von Schwankungen auf der Quellen- und Verbraucherseite vorteilhaft. Im Bereich der Eingänge der Vorlaufleitungen 3 in die hydraulische Weiche 2 ist in dieser ein Temperatursensor 10 angeordnet. Der Temperatursensor 10 ist mit einer Kaskadenregelung 11, welche wiederum mit den Regelungen der Wärmepumpen 1 gekoppelt ist, verbunden.
  • Beim Betrieb der Kaskadenschaltung wird die Temperatur Th in der hydraulischen Weiche 2 mittels des Temperatursensors 10 gemessen und mit einem Sollwert Tsoll verglichen. Ist der aktuelle Wert Th kleiner als der Sollwert Tsoll, so liegt eine Wärmeanforderung vor und die Kaskadenschaltung wird eingeschaltet, indem eine erste Wärmepumpe 1 zum Zeitpunkt t0 eingeschaltet wird. Zugleich wird eine Temperaturdifferenz ΔT aus der aktuellen Temperatur Th und dem Sollwert Tsoll gebildet und die Zeit t ab dem Einschalten erfasst. Δ T = T h − T soll
    Figure imgb0001
  • In der Regel sorgen eine Wärmeabnahme auf der Seite des Heizkreislaufs 7 sowie die thermische Trägheit des Systems dafür, dass die Temperatur Th in der hydraulischen Weiche 2 nicht gleich wieder ansteigt. Nun wird das Systemwärmeprodukt S aus der Temperaturdifferenz ΔT und der Zeit t gebildet. S = Δ T * t
    Figure imgb0002
  • Der Verlauf des Systemwärmeprodukts S und die dazugehörige Kaskadenleistung P sind in Figur 2 über der Zeit dargestellt.
  • Die erste Wärmepumpe steigert zunächst kontinuierlich ihre Wärmeleistung bis zu einer konstanten Leistung. Unterschreitet das Systemwärmeprodukt S zu einem Zeitpunkt t1 einen bestimmten Grenzwert S1 (da ΔT kleiner null ist, ist auch das Systemwärmeprodukt S kleiner null), so wird die zweite Wärmepumpe 1 zugeschaltet und deren Wärmeleistung bis zu einer konstanten Leistung gesteigert, wobei die Zeit t sowie das Systemwärmeprodukt S weiterhin erfasst werden. Hierzu wird stetig die Temperatur Th in der hydraulischen Weiche 2 erfasst und in der Berechnung berücksichtigt. Unterschreitet das Systemwärmeprodukt S im weiteren Verlauf zu einem weiteren Zeitpunkt t2 einen weiteren bestimmten Grenzwert S2, so wird die dritte Wärmepumpe 1 modulierend zugeschaltet und die Zeit t sowie das Systemwärmeprodukt S erfasst. Im vorliegenden Fall können keine weiteren Wärmepumpen mehr zugeschaltet werden; erfindungsgemäß können jedoch beliebig viele Wärmepumpen 1 zugeschaltet werden.
  • Übersteigt das Systemwärmeprodukt S einen Summenwert aus vorgenanntem Grenzwert S2 und einer Hysterese Δh1, so wird die dritte Wärmepumpe 1 wieder abgeschaltet (Zeitpunkt t3). Übersteigt das Systemwärmeprodukt S weiterhin einen Wert aus vorgenanntem Grenzwert S1 und einer Hysterese Δh1, so wird auch die zweite Wärmepumpe 1 wieder abgeschaltet (Zeitpunkt t4). Ist das Systemwärmeprodukt null, so ist der Wärmebedarf befriedigt. Um ein Takten zu vermeiden wird die Anlage noch weiter betrieben, bis zu einem Zeitpunkt t5 das Systemwärmeprodukt S den Wert einer Hysterese Δh3 überschreitet. Die Kaskade wird dann abgeschaltet.
  • Kommt es zwischen dem Beginn des Kaskadenbetriebs und der Abschaltung zu Schwankungen, so können bedarfsgerecht Wärmepumpen 1 zu- und abgeschaltet werden. Um Sperrzeiten der Wärmepumpen 1 zu beachten und einen gleichmäßigen Verschleiß der Wärmepumpen 1 zu gewährleisten, kann die Reihenfolge der Wärmepumpen 1 verändert werden. Hierbei können optional die Betriebszeiten berücksichtigt werden. Hierbei kann eine Kesselumkehrfolge eingesetzt werden, welche regelmäßig die Laufzeiten der einzelnen Geräte auswertet und dann bei einem Zuschalten jeweils das Gerät mit der niedrigsten Laufzeit präferiert.
  • Die einzelnen Geräte können hierbei digital ein- beziehungsweise ausgeschaltet werden oder auch modulierend betrieben werden. Hierbei können die Geräte optional bis zu ihrer Maximallast betrieben werden bevor ein weiteres Gerät zugeschaltet wird oder die Geräte werden bis zu einer bestimmten Last, beispielsweise 70 % ihrer Maximallast, betrieben, ehe das nächst Gerät zugeschaltet wird. Befinden sich alle Geräte zusammen im Teillastbetrieb ohne den Wärmebedarf zu befriedigen, so wird deren Last erhöht bis maximal alle Geräte mit Maximallast betrieben werden. Analoges gilt für das Herunterfahren der Systemleistung.
  • Das Systemwärmeprodukt S besitzt vorzugsweise eine anlagenspezifische Untergrenze, die einem Betrieb aller Geräte mit Maximallast entspricht, da dann keine weitere Erhöhung der Anlagenleistung möglich ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass auch bei großen Schwankungen im Wärmebedarf das Systemwärmeprodukt S nicht zu weit absinkt, wodurch ein ordnungsgemäßes Abschalten der Kaskadenteilnehmer nicht gewährleistet wird. Der minimale Wert ist anlagenspezifisch und sollte den Wert für das Einschalten des letzten Kaskadenteilnehmers nicht wesentlich unterschreiten.
  • Optional werden die Betriebszeiten der einzelnen Geräte in der Kaskade erfasst und bei dem Einschalten derart berücksichtigt, dass alle Geräte möglichst gelichmäßig in Betrieb genommen werden, so dass alle Geräte möglichst gleichen Serviceintervallen unterliegen.
  • Erfindungsgemäß kann beim Systemwärmeprodukt S durch Umkehr der Temperaturdifferenz oder die Erfassung des Betrags ein positiver Wert als Steuergröße dienen. Beim beanspruchten Verfahren wird dann bei der Überschreitung eines bestimmten Wertes jeweils zugeschaltet und beim Unterschreiten abgeschaltet.
    • Bezugszeichenliste
    • 1 Wärmepumpe
    • 2 hydraulischen Weiche
    • 3 Vorlaufleitung
    • 4 Rückschlagventil
    • 5 Rücklaufleitung
    • 6 Umwälzpumpe
    • 7 Heizkreislauf
    • 9 Heizkreisumwälzpumpe
    • 8 thermischer Verbraucher
    • 10 Temperatursensor
    • 11 Kaskadenregelung

Claims (4)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Kaskadenschaltung mehrerer kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1), welche über jeweils eine Vorlaufleitung (3) sowie eine Rücklaufleitung (5) mit der Primärseite einer hydraulischen Weiche (2) oder einem Wärme- oder Kältespeicher verbunden sind, sowie einem Temperatursensor (10), welcher in der hydraulischen Weiche (2), dem Wärme- oder Kältespeicher oder bei einem Verbraucher angeordnet ist, wobei der Temperatursensor (10) mit einer Kaskadenregelung (11), welche wiederum mit den Regelungen der kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1) gekoppelt ist, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaskadenschaltung eingeschaltet wird, wenn die mittels des Temperatursensors (10) gemessene Temperatur einen vorgegebenen Sollwert bei wärmetechnischen Anlagen (1) unterschreitet oder bei kältetechnischen Anlagen (1) überschreitet und dann Zeiterfassung gestartet wird,
    ein Systemwärmeprodukt S aus der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der mittels des Temperatursensors (10) gemessenen Temperatur Th und einer Solltemperatur Tsoll sowie der Zeit t gebildet, wird
    in Abhängigkeit des Systemwärmeprodukts S die kühl- und / oder wärmetechnischen Anlagen (1) zu und abgeschaltet werden, wobei
    wenn das Systemwärmeprodukt S bestimmte Grenzwerte unterschreitet eine erste und weitere Anlagen (1) sukzessive zugeschaltet werden
    und beim Überschreiten bestimmter Grenzwerte die Anlagen sukzessive abgeschaltet werden.
  2. Verfahren zum Betreiben einer Kaskadenschaltung mehrerer kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzwerte zum sukzessive Zugeschalten weitere Anlagen (1) um eine vorgegebene Hysterese von den Grenzwerten zum sukzessive Abschalten derselben Anlagen (1) abweichen.
  3. Verfahren zum Betrieben einer Kaskadenschaltung mehrerer kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagen (1) modulierend betrieben werden, wobei zunächst alle zugeschalteten Anlagen (1) zunächst erst bis zu einer vorgegebenen Teillast betrieben werden und erst wenn alle Anlagen (1) mit dieser Teillast betrieben werden die Last der Anlagen weiter gesteigert wird.
  4. Verfahren zum Betrieben einer Kaskadenschaltung mehrerer kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschalten der Kaskade das Systemwärmeprodukt S auf null gesetzt wird.
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