EP4460637A1 - Verfahren zum energieoptimierten betrieb einer pumpe - Google Patents

Verfahren zum energieoptimierten betrieb einer pumpe

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Publication number
EP4460637A1
EP4460637A1 EP22839249.4A EP22839249A EP4460637A1 EP 4460637 A1 EP4460637 A1 EP 4460637A1 EP 22839249 A EP22839249 A EP 22839249A EP 4460637 A1 EP4460637 A1 EP 4460637A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pump
curve
linear
volume flow
control characteristic
Prior art date
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Pending
Application number
EP22839249.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Eckl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KSB SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB SE and Co KGaA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KSB SE and Co KGaA filed Critical KSB SE and Co KGaA
Publication of EP4460637A1 publication Critical patent/EP4460637A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0066—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems by changing the speed, e.g. of the driving engine

Definitions

  • the invention relates to a method for the energy-optimized operation of a pump, the pump comprising an electric motor drive and the target delivery head being controlled as a function of the volume flow along a preset control characteristic.
  • control of pumps along a predetermined control characteristic is well known.
  • a control characteristic can, for example, define the target delivery head of the pump as a function of another parameter, in particular the volume flow of the pump.
  • a frequently used control characteristic is, for example, a constant pressure characteristic or a proportional pressure characteristic. The latter defines the target delivery head of the pump proportional to the volume flow.
  • the aforementioned proportional pressure control is regularly used in circulating pumps in the heating sector, which are used to supply radiator heating systems in a closed heating circuit.
  • a specific example of such a control characteristic can be seen in FIG. 1, which shows a QH diagram with the volume flow on the abscissa and the delivery height, in particular the differential pressure, on the ordinate.
  • the linear control characteristic drawn in provides that the target delivery head of the pump to be controlled increases proportionally with the volume flow. The use of such a linear control characteristic is particularly useful for heating circuits with thermostat-controlled radiators.
  • thermostatic valves of the individual radiators control the volume flow in the heating circuit through their degree of opening, with a higher volume flow at the same time leads to an increase in pipeline losses:
  • the pump has to provide a higher delivery head.
  • the pipe capacity losses in the system decrease, which is why a reduced delivery head is sufficient.
  • Such a proportional pressure control characteristic allows the pump to be operated in an energy-efficient manner.
  • the object of the present invention is to show an alternative solution for the energy-optimized control of a pump. This object is achieved by the method according to the features of claim 1. Advantageous versions of the method are the subject matter of the dependent claims.
  • the novel control characteristic for a range Q>Qlimit includes a linear course, which preferably corresponds to the course of a conventional proportional pressure control characteristic or is at least similar to it.
  • the linear progression is deviated from and an alternative curve progression is proposed instead, which allows energy savings for the pump, especially for low flow rates.
  • the control characteristic preferably defines the differential pressure of the pump in relation to the volume flow, although the absolute pressure is also conceivable as a setpoint value.
  • the range Q ⁇ Qlimit is smaller than the curve range Q>Qlimit, in particular significantly smaller, for example smaller by a factor of between 2 and 100, in particular between 50 and 100.
  • a curve profile is proposed for the range Q ⁇ Qlimit of the control characteristic, which reduces the setpoint delivery height of the control characteristic compared to a theoretically continued linear curve, in particular significantly reduces it, so that in this value range for the delivery flow Q, a setpoint reduced compared to a conventional linear control characteristic. Delivery height is set.
  • an individual target value for the delivery head is defined for each value Q ⁇ Qlimit. Faster regulation or reduction of the target delivery head is also achieved through the direct specification of the target value.
  • the course of the curve for the value range Q ⁇ Qlimit can ideally correspond to a higher-order curve function, in particular a third-order curve function.
  • the entire control characteristic then consists of a linear curve followed by a third-order curve for values Q ⁇ Qlimit.
  • a cubic curve in particular a cubic parabola, is used in the Q ⁇ Qlimit range, whereby the target delivery head is significantly reduced immediately from the Qlimit value, so that significant energy savings are possible in this range at an early stage.
  • the composite curve can result in a sudden change in the Qcrenz area, it can be useful to create a smooth transition using curve fusion.
  • the use of a weighting function or the definition of a spline in the transition area at Qcrenz are conceivable here, so that hard switching between the two different curve types of the control characteristic is somewhat weakened.
  • the value Qlimit is ideally in the value range between 1% and 10% of the maximum volume flow of the pump, preferably in the range between 3% and 7% of the maximum volume flow of the pump.
  • the method according to the invention is ideally used in the control of a heating circulating pump, in particular in a closed heating system with one or more radiators equipped with self-regulating thermostatic valves, whereby the pipe resistance within the heating system can change dynamically.
  • the present invention also relates to a pump, in particular a heating circulating pump, with an electric drive and at least one controller that is configured to carry out the method according to the present invention.
  • the pump is characterized by the same Advantages and properties, as have already been shown above using the method according to the invention. For this reason, a repeated description is dispensed with.
  • the invention relates to a controller for a pump, in particular a heating circulating pump, the controller being configured according to the invention for carrying out the method according to the present application.
  • Figure 1 a conventional control characteristic for proportional pressure control of a
  • FIG. 2 the proportional pressure characteristic modified according to the invention for controlling a heating circulating pump.
  • the target delivery head H (e.g. differential pressure) is specified on the ordinate as a function of the volume flow Q currently present (abscissa).
  • the control characteristic modified according to the invention can be divided into two different working areas.
  • Working range 4 represents the conventional operating range with normal proportional pressure control, i. H.
  • the desired delivery head H is fixed and increases proportionally with the volume flow Q.
  • the linear course of the characteristic curve ends at the limit value Qcrenz.
  • the linear curve progression changes into a cubic curve progression (area 3), so that the desired target delivery head H is significantly reduced from an operating range Q ⁇ Qlimit compared to a hypothetical linear progression.
  • the pump regulates itself to a significantly reduced target delivery head H, which is accompanied by a reduction in the pump speed, which in turn leads to a significant power saving.
  • the transition between the cubic curve 3 and the linear curve 4 can optionally be smoothed using curve fusion in order to avoid a hard switchover between the two curve types in control mode. This can be made possible, for example, by a weighting function for the area around Qcrenz or by the integration of additional splines at the transition between cubic curve shape 3 and linear curve shape 4.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Verfahren zum energieoptimierten Betrieb einer Pumpe, wobei die Pumpe einen elektromotorischen Antrieb umfasst und die Sollförderhöhe der Pumpe in Abhängigkeit des Volumenstroms entlang einer voreingestellten Regelkennlinie geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelkennlinie für einen Bereich Q>QGrenz einen linearen Verlauf vorsieht und für einen Abschnitt Q<QGrenz einen vom linearen Verlauf abweichenden Kurvenverlauf hat.

Description

Verfahren zum energieoptimierten Betrieb einer Pumpe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum energieoptimierten Betrieb einer Pumpe, wobei die Pumpe einen elektromotorischen Antrieb umfasst und die Soll-Förderhöhe in Abhängigkeit des Volumenstroms entlang einer voreingestellten Regelkennlinie geregelt wird.
Die Regelung von Pumpen entlang einer vorgegebenen Regelkennlinie ist hinlänglich bekannt. Eine solche Regelkennlinie kann beispielsweise die Soll-Förderhöhe der Pumpe in Abhängigkeit eines weiteren Parameters, insbesondere dem Volumenstrom der Pumpe definieren. Eine häufig eingesetzte Regelkennlinie ist beispielsweise eine Konstantdruckkennlinie oder eine Proportionaldruckkennlinie. Letztere definiert die Soll- Förderhöhe der Pumpe proportional zum Volumenstrom.
Die vorgenannte Proportionaldruckregelung kommt regelmäßig bei Umwälzpumpen im Heizungsbereich zum Einsatz, die zur Versorgung von Radiatorheizungen im geschlossenen Heizkreislauf dienen. Ein konkretes Beispiel einer solchen Regelkennlinie ist in Figur 1 zu sehen, die ein QH-Diagramm mit dem Volumenstrom auf der Abzisse und der Förderhöhe, insbesondere dem Differenzdruck, auf der Ordinate zeigt. Die eingezeichnete lineare Regelkennlinie sieht vor, dass die einzuregelnde Soll-Förderhöhe der Pumpe proportional mit dem Volumenstrom zunimmt. Der Einsatz einer solchen linearen Regelkennlinie ist gerade bei Heizkreisläufen mit thermostatgesteuerten Heizkörpern sinnvoll. Die Thermostatventile der einzelnen Heizkörper steuern durch ihren Öff- nungsgrad den Volumenstrom im Heizkreislauf, wobei ein höherer Volumenstrom gleichzeitig zu einer Zunahme der Rohrleitungsverluste führt: Für die Überwindung der ansteigenden Rohrleitungsverluste muss die Pumpe eine höhere Förderhöhe bereitstellen. Bei geringeren Volumenströmen hingegen sinken die Rohrleistungsverluste im System, weshalb eine reduzierte Förderhöhe ausreichend ist. Durch eine solche Proportionaldruckregelkennlinie lässt sich die Pumpe energieeffizient betreiben.
Allerdings ist die mögliche Energieeinsparung durch eine solche Proportionaldruckregelung noch nicht ausgereizt. Insbesondere bei einem Pumpenbetrieb mit sehr geringem Volumenstrom, insbesondere bei einem Volumenstrom gen Null, besteht noch Optimierungsbedarf. Der angesprochene Betriebszustand liegt beispielsweise dann vor, wenn die einzelnen Thermostatventile der Heizkörper vollständig schließen und kein bzw. ein nur sehr geringer Volumenstrom im System benötigt wird. Entsprechend der Proportionaldruckkennlinie gemäß Figur 1 arbeitet die Pumpe jedoch auch bei geringen Volumenströmen mit einer gewissen Förderhöhe gegen die geschlossenen Ventile, wodurch unnötig Energie verbraucht wird.
Es wird daher nach einem optimierten Ansatz gesucht, um den Leistungsbedarf der Pumpe insbesondere im Bereich geringer Volumenströme zu optimieren. Ein möglicher Lösungsansatz ist beispielsweise aus der EP 2 663 774 B1 bekannt. Gemäß der dort offenbarten Regelstrategie wird für einen Betriebszustand der Pumpe, bei diesem der geförderte Volumenstrom unterhalb eines Referenzwertes liegt, von der vordefinierten Pumpenkennlinie abgewichen und stattdessen eine der Hauptregelung überlagerte künstliche Absenkung der ausgewiesenen Soll-Förderhöhe der Kennlinie erzwungen. Dabei wird unabhängig vom aktuellen Volumenstrom, der geringer als der Referenzwert ist, eine kontinuierliche Absenkung der Förderhöhe so lange vorgenommen, bis ein definierter Minimalwert für die Soll-Förderhöhe erreicht wird. Demzufolge wird für alle Volumenströme kleiner dem Referenzwert die Pumpe mit der minimalen Förderhöhe betrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen alternativen Lösungsweg für die energieoptimierte Regelung einer Pumpe aufzuzeigen. Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine neuartige voreingestellte Regelkennlinie zu definieren, die gegenüber einer konventionellen Proportionaldruckregelkennlinie im Bereich kleiner Volumenströme modifiziert ist. Dabei umfasst die neuartige Regelkennlinie für einen Bereich Q>Qcrenz einen linearen Verlauf, der vorzugsweise dem Verlauf einer konventionellen Proportionaldruckregelkennlinie entspricht oder zumindest ähnlich dazu ist. Für einen Bereich Q<Qcrenz wird jedoch vom linearen Verlauf abgewichen und stattdessen ein alternativer Kurvenverlauf vorgeschlagen, der gerade für geringe Förderströme eine Energieeinsparung der Pumpe ermöglicht. Die Regelkennlinie definiert bevorzugt den Differenzdruck der Pumpe gegenüber dem Volumenstrom, wobei jedoch auch der Absolutdruck als Sollwertgröße denkbar ist. Der Bereich Q<Qcrenz ist kleiner als der Kurvenbereich Q>QGrenz, insbesondere deutlich kleiner, bspw. um einen Faktor zwischen 2 und 100, insbesondere zwischen 50 und 100 kleiner.
Idealerweise wird für den Bereich Q<Qcrenz der Regelkennlinie ein Kurvenverlauf vorgeschlagen, der die Soll-Förderhöhe der Regelkennlinie gegenüber einem theoretisch fortgesetzten linearen Kurvenverlauf reduziert, insbesondere deutlich reduziert, sodass in diesem Wertebereich für den Förderström Q eine gegenüber einer konventionellen linearen Regelkennlinie verringerte Soll-Förderhöhe eingestellt wird. Anders als im Stand der Technik wird dadurch für jeden Wert Q<Qcrenz ein individueller Sollwert für die Förderhöhe definiert. Auch wird durch die direkte Sollwert-Vorgabe eine schnellere Regelung bzw. Reduzierung der Soll-Förderhöhe erzielt.
Der Kurvenverlauf für den Wertebereich Q<Qcrenz kann idealerweise einer Kurvenfunktion höherer Ordnung entsprechen, insbesondere einer Kurvenfunktion dritter Ordnung. Die gesamte Regelkennlinie setzt sich dann aus einem linearen Kurvenverlauf zusammen, an den sich für Werte Q<QGrenz ein Kurvenverlauf dritter Ordnung anschließt. Idealerweise wird im Bereich Q<Qcrenz auf eine kubische Kurve, insbesondere eine kubische Parabel zurückgegriffen, wodurch die Soll-Förderhöhe unmittelbar ab dem Wert Qcrenz deutlich abgesenkt wird, sodass in diesem Bereich frühzeitig eine nennenswerte Energieeinsparung möglich ist.
Da sich durch die zusammengesetzte Kurve eine sprunghafte Änderung im Bereich Qcrenz einstellen kann, kann es zweckmäßig sein, einen geglätteten Übergang mittels Kurvenfusion zu schaffen. Denkbar sind hier beispielsweise die Anwendung einer Gewichtungsfunktion oder die Definition eines Splines im Übergangsbereich bei Qcrenz, sodass ein hartes Umschalten zwischen den beiden unterschiedlichen Kurventypen der Regelkennlinie etwas abgeschwächt wird.
Der Wert Qcrenz liegt idealerweise im Wertebereich zwischen 1 % und 10% des maximalen Volumenstroms der Pumpe, vorzugsweise im Bereich zwischen 3% und 7% des maximalen Volumenstroms der Pumpe. Dadurch wird deutlich, dass das Verfahren bzw. die modifizierte Proportionaldruckkennlinie insbesondere im Arbeitsbereich mit sehr geringen Volumenströmen zum Einsatz kommt, insbesondere bei der Anwendung als Heizungsumwälzpumpe für einen Systemzustand mit geschlossenen bzw. nahezu geschlossenen Thermostatventilen der einzelnen Heizkörper.
Wie bereits vorstehend angedeutet wurde, kommt das erfindungsgemäße Verfahren idealerweise bei der Regelung einer Heizungsumwälzpumpe zur Anwendung, insbesondere in einem geschlossenen Heizungssystem mit ein oder mehreren Heizkörpern, die mit selbstregulierenden Thermostatventilen ausgestattet sind, wodurch sich der Rohrwiderstand innerhalb des Heizungssystems dynamisch ändern kann.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Pumpe, insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe, mit elektrischem Antrieb und wenigstens einer Steuerung, die konfiguriert ist, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen. Dementsprechend zeichnet sich die Pumpe durch die selben Vorteile und Eigenschaften aus, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
Zuletzt betrifft die Erfindung eine Steuerung für eine Pumpe, insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe, wobei die Steuerung erfindungsgemäß konfiguriert ist zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Anmeldung.
Weitere Vorteile und Eigenschaften des Verfahrens sollen nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden, das anhand der Figuren beschrieben wird. Es zeigen:
Figur 1 : eine konventionelle Regelkennlinie zur Proportionaldruckregelung einer
Heizungsumwälzpumpe und
Figur 2: die erfindungsgemäß modifizierte Proportionaldruckkennlinie zur Regelung einer Heizungsumwälzpumpe.
Wie bereits einleitend angedeutet wurde, werden konventionelle Heizungsumwälzpumpen üblicherweise mit sogenannten Proportionaldruckregelkennlinien (s. Figur 1 ) betrieben. Derartige Regelkennlinien definieren eine zu erreichende Soll-Förderhöhe H, insbesondere den Soll-Differenzdruck, in Abhängigkeit des aktuellen Volumenstroms Q. Die Pumpe regelt somit in Abhängigkeit des aktuell vorliegenden Volumenstroms Q im Heizungssystem die Drehzahl derart ein, sodass die gewünschte Soll-Förderhöhe H gemäß der Kennlinie erreicht wird.
Insbesondere bei geringem Volumenstrom, beispielsweise bei geschlossenen Thermostatventilen der Heizkörper, arbeitet die Pumpe gegen die geschlossenen Ventile zur Erreichung der nach der linearen Proportionaldruckkennlinie definierten Soll-Förderhöhe H. Dadurch wird unnötig Energie verbraucht. Gemäß der Erfindung wird nun vorgeschlagen, eine solche konventionelle Proportionaldruckregelkennlinie insbesondere für den Bereich mit geringen Volumenströmen zu modifizieren, um dadurch gezielt den Energieverbrauch in diesem Arbeitsbereich und Systemzustand zu reduzieren. Ein Beispiel für eine solch erfindungsgemäß modifizierte Regelkennlinie ist in der Figur 2 dargestellt.
Hierbei wird die Soll-Förderhöhe H (bspw. Differenzdruck) auf der Ordinate in Abhängigkeit des aktuell vorliegenden Volumenstroms Q (Abszisse) fest vorgegeben. Die erfindungsgemäß modifizierte Regelkennlinie lässt sich in zwei unterschiedliche Arbeitsbereiche unterteilen. Der Arbeitsbereich 4 stellt den konventionellen Betriebsbereich mit normaler Proportionaldruckregelung dar, d. h. die gewünschte Soll-Förderhöhe H wird in diesem Betriebszustand proportional ansteigend mit dem Volumenstrom Q fest vorgegeben. Der lineare Kennlinienverlauf endet bei dem Grenzwert Qcrenz. Dort ändert sich der lineare Kurvenverlauf in einen kubischen Kurvenverlauf (Bereich 3), sodass die gewünschte Soll-Förderhöhe H ab einem Betriebsbereich Q<QGrenz deutlich gegenüber einem hypothetischen linearen Verlauf reduziert wird. Die Pumpe regelt in diesem Betriebsbereich auf eine deutlich reduzierte Soll-Förderhöhe H ein, was mit einer Reduktion der gefahrenen Pumpendrehzahl einhergeht, die wiederrum zu einer deutlichen Leistungseinsparung führt.
Der Übergang zwischen dem kubischen Kurvenverlauf 3 und dem linearen Kurvenverlauf 4 kann optional durch den Ansatz von Kurvenfusion geglättet werden, um ein hartes Umschalten zwischen den beiden Kurventypen im Regelungsbetrieb zu vermeiden. Möglich kann dies beispielsweise durch eine Gewichtungsfunktion für den Bereich um Qcrenz bzw. durch die Integration von zusätzlichen Splines beim Übergang zwischen kubischer Kurvenform 3 und linearer Kurvenform 4 sein.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum energieoptimierten Betrieb einer Pumpe Verfahren zum energieoptimierten Betrieb einer Pumpe, wobei die Pumpe einen elektromotorischen Antrieb umfasst und die Soll-Förderhöhe H der Pumpe in Abhängigkeit des Volumenstroms Q entlang einer voreingestellten Regelkennlinie geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelkennlinie für einen Bereich Q>Qcrenz einen linearen Verlauf vorsieht und für einen Abschnitt Q<Qcrenz einen vom linearen Verlauf abweichenden Kurvenverlauf hat. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich Q<Qcrenz die Soll-Förderhöhe H gegenüber einem theoretisch fortgesetzten linearen Kurvenverlauf reduziert ist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Regelkennlinie aus dem linearen Verlauf für Q>Qcrenz und einem Kurvenverlauf höherer Ordnung für Q<QGrenz zusammensetzt. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurvenverlauf höherer Ordnung eine Funktion dritter Ordnung ist, insbesondere eine kubische Kurve bzw. kubische Parabel ist. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen linearem Kurvenverlauf und Kurve höherer Ordnung bei Qcrenz mittels Kurvenfusion geglättet ist. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen linearem Kurvenverlauf und Kurve höherer Ordnung mittels Gewichtungsfunktion geglättet ist. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen linearem Kurvenverlauf und Kurve höherer Ordnung mittels wenigstens einem Spline geglättet ist. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom Qcrenz zwischen 1 % und 10% des maximalen Volumenstroms Qmax der Pumpe, vorzugsweise zwischen 3% und 7% des maximalen Volumenstroms Qmax der Pumpe, liegt. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Regelung einer Heizungsumwälzpumpe angewendet wird. Pumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe, mit elektrischem Antrieb und wenigstens einer Steuerung, die konfiguriert ist, das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen. Steuerung für eine Pumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe, konfiguriert zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9.
EP22839249.4A 2022-01-06 2022-12-15 Verfahren zum energieoptimierten betrieb einer pumpe Pending EP4460637A1 (de)

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