DE102008004126B4

DE102008004126B4 - Verfahren zur Regelung der Kosten in Wärmeverteilungsanlagen

Info

Publication number: DE102008004126B4
Application number: DE102008004126.2A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2028-01-12
Also published as: DE102008004126A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Wärmeverteilungsanlage, wobei die Wärmeverteilungsanlage umfasst: – mehrere Wärmequellen (2, 3, 4); – mehrere Pumpen (6, 7, 8), die jeweils den Wärmequellen (2, 3, 4) zugeordnet sind; – eine Wärmeverteilung; – einen Vorlauf (15) der Wärmeverteilung; – eine Wärmenutzung (5); – einen Rücklauf (16) der Wärmeverteilung; – mehrere Sensoren (10, 11, 12, 13, 14); – einen Wärmemengenzähler (9), wobei folgende Schritte durchgeführt werden: – Erfassung der spezifischen Wärmekosten aus den Wärmequellen (2, 3, 4); – Erfassung des Istwertes des Differenzdrucks zwischen Vorlauf (15) und Rücklauf (16) der Wärmeverteilung aus einem Sensor (14); – Erfassung des Wärmeleistungsbedarfs der Wärmeverteilung aus der Wärmenutzung (5) und dem Wärmemengenzähler (9); – Erfassung der benötigten Vorlauftemperatur aus der Wärmenutzung (5); – Erfassung der Vorlauftemperaturen der Wärmequellen aus den jeweiligen Sensoren (10, 11, 12); – Erfassung der Vorlauftemperatur der Wärmeverteilung aus einem Sensor (13); – Errechnen eines Basissollwertes des Differenzdrucks über eine Funktion aus dem Wärmeleistungsbedarf der Wärmenutzung (5) über den Wärmemengenzähler (9) und weiteren individuell festzulegenden Nutzungsvorgaben; – Errechnen aus den spezifischen Wärmekosten der jeweiligen Wärmequellen (2, 3, 4) einen kostenspezifischen Versatz zu einem Differenzdruckbasissollwert für jede Wärmequelle (2, 3, 4), wobei die Wärmequelle mit den niedrigsten Wärmekosten den höchsten Sollwert erhält; – Stellen der Drehzahl der den Wärmequellen (2, 3, 4) zugeordneten Pumpen (6, 7, 8) so, dass die jeweiligen Differenzdrucksollwerte ausgeregelt werden, so dass die Pumpe der Wärmequelle mit dem höchsten Differenzdrucksollwert vorrangig Volumenstrom in die Wärmeverteilung fördert; – Dynamische Anpassung der Differenzdrucksollwerte bei sich ändernden spezifischen Wärmekosten der Wärmequellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Kosten in Wärmeverteilungssystemen bei bedarfsgerechter Wärmebereitstellung für die Wärmenutzung.
Wärmeverteilungssysteme sind in diesem Sinne Anlagen, die aus Wärmequellen, wie Kessel, Wärmespeicher, Solaranlagen, Wärmepumpen und Abwärme, Wärme in Form von temperierten Volumenströmen entnehmen, diese zusammenfassen, transportieren und an die Wärmenutzer verteilen.
In der Wärmeverteilung werden über die Nutzung der Wärmequellen und über das Betriebsregime der Verteilung die Wärmekosten für die Wärmenutzung beeinflusst. Der Grund dafür liegt in den unterschiedlichen Wärmekosten der jeweiligen Wärmequellen und in Wärmeverlusten in der Wärmeverteilung sowie Abschreibungen und Hilfsenergieeinsatz, dieser meist Elektroenergie.
Bisher werden Wärmeverteilungen nach Auslegung konstant, zeitabhängig oder von Hand für einen festgelegten Differenzdruck der Wärmeverteilung geregelt. Der Betriebszustand der Wärmeverteilung wird dabei so eingestellt, dass gleich viel oder mehr als der minimal benötigte Differenzdruck für die Wärmenutzung gehalten wird.
Die Einstellung des Betriebszustandes erfolgt dabei nach Strategien, die auf die Einstellmöglichkeiten des Wärmeabganges und je nach Qualität des Reglers auf Steuermöglichkeiten energetisch günstiger Betriebszustände der Wärmeverteilung, abgestimmt sind.
Der Betriebszustand der Wärmeverteilung entsteht durch die aktive Differenzdruckerzeugung über Pumpen in den Wärmequellen und den passiven Differenzdruckabbau über das Wärmenetz und an den Einspeisungen zur Wärmenutzung. Die Differenzdruckerzeugung erfolgt über Pumpenschaltung oder Drehzahlregelung der Pumpen für einen vorgegebenen Differenzdruck. Die Differenzdruckmessung für diese Regelung kann an unterschiedlichen Netzpunkten erfolgen.
Die unterschiedlichen Wärmequellen im System werden funktionsabhängig, zeitabhängig oder von Hand zu- und abgeschaltet. Dies geschieht über das Schalten der Pumpen in den Wärmequellen. Für die Nutzungsmöglichkeit der Wärmequellen ist neben der Wärmeleistung und der Wärmemenge noch die Bedarfsausrichtung der Wärme, insbesondere die Temperatur, entscheidend.
Über Strategieschaltungen wird versucht, kostengünstige Wärmequellen bevorzugt zur Nutzung zu bringen.
Die zwei in der Wärmeverteilung vorhandenen Zielvorgaben, nämlich die Regelung des Differenzdrucks und die Steuerung der Wärmequellen, werden in allen bekannten Anwendungen unabhängig voneinander gesteuert bzw. geregelt. Insbesondere die wichtige Funktion der ökonomischsten Nutzung der Wärmequellen unterliegt keinem Regelkreis, sondern wird über Funktionsalgorithmen, Zeitabläufe oder von Hand gesteuert.
Auch der Regelkreis für den Differenzdruck der Wärmeverteilung wird nicht von bedarfsbestimmenden Kriterien, wie der Wärmeleistung, geführt, sondern meist konstant betrieben und selten über Zeitschaltung verändert.
Die Parallelschaltung von Wärmequellen mit dem Ziel, bedarfsgerechte Wärme hinsichtlich der Vorlauftemperatur unter Nutzung kostengünstiger Wärmequellen zu erreichen, erfolgt nur über Hand- oder Zeitschaltungen vor Ort oder zentral.
Im Taschenbuch für Heizung +Klimatechnik, Recknagel, Sprenger, Hönmann, Ausgabe 92/93 wird die Regelung von Pumpen beschrieben. Unter anderem wird dort auf Seite 667, 1. Absatz, die Regelung der Pumpe über den Differenzdruck aufgezeigt. Auf Seite 670, 4. Absatz, wird die automatische Pumpenschaltung in Abhängigkeit des Differenzdrucks aufgezeigt.
Auch bekannt ist ein Wärmesystem, welches die Wärmeverteilung über die Rücklauftemperatur steuert und gleichzeitig als Wärmespeicher nutzt. Diese Fahrweise verbessert den Wirkungsgrad der Wärmequelle, wenn ein Brennwertkessel eingesetzt ist. Auf die Differenzdruckregelung des Systems wird nicht eingegangen. DE 102 17 272 B4 beschreibt ein Verfahren zur Regelung der Wärmeleistung in Wärmesystemen. Auf kostenspezifische Nutzung von Wärmequellen und Differenzdruckregelstrategien wird nicht eingegangen.
DE 43 12 811 C1 beschreibt ein Wärmesystem mit mehreren Einspeisepunkten in der Wärmeverteilung. Als Ziel wird eine tiefe Rücklauftemperatur angestrebt. Als Mittel dafür dient das Mischen der verschieden Volumenströme der Wärmequellen und der Wärmenutzer. Differenzdrücke und Wärmekosten der Quellen sind nicht beschrieben.
DE 195 06 628 A1 beschreibt ein Verfahren, wo die Wärmeverteilung über die Regelung der Volumenströme erfolgt. Beschrieben ist das Verfahren mit einer Wärmequelle. Differenzdruckregelungen sind nicht erwähnt.
DE 102 60 379 A1 beschreibt ein Wärmesystem mit mehreren Wärmequellen als Blockheizkraftwerke. Der Sinn liegt in einer optimierten Betriebsweise hinsichtlich der Auslastung des Gesamtsystems. Dazu wird die Wärmeverteilung zentral geregelt. Dies geschieht über die Einflussnahme auf den Betrieb der einzelnen Wärmequellen unter Beachtung einer optimierten Stromproduktion. Differenzdrücke werden nicht einbezogen, unterschiedliche Kosten der Quellen finden keine Beachtung.
DE 103 26 263 A1 beschreibt eine komplexe Wärmeverteilung, wo Wärmequellen und Wärmenutzer zu- und abgeschaltet werden. Das Verfahren bezieht sich auf die Art und Weise, wie diese Schaltung erfolgt. Es geht nicht auf die Kostenstruktur der Wärmequellen oder den Differenzdruckzustand der Wärmeverteilung ein.
DE 197 10 853 A1 beschreibt ein Verfahren, wo mehrere Wärmequellen in eine Wärmeverteilung einspeisen. Die Steuerung der Einspeisung der Wärmequellen erfolgt über den Wärmeleistungsbedarf der Wärmenutzung, erfasst über die Raumtemperatur. Auf die Wärmekosten der Quellen und den Differenzdruckzustand der Verteilung wird nicht eingegangen.
DE 201 09 236 U1 beschreibt ein Wärmesystem mit 3 Wärmequellen, einer hydraulischen Weiche, einer Wärmeverteilung und einer Wärmenutzung. Grundsätzlich erfolgt dabei über die hydraulische Weiche eine hydraulische Entkopplung” von Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung. Dadurch ist es möglich, in den beiden Teilen unterschiedliche Volumenströme zu fahren. In der Wärmeverteilung wird der Volumenstrom von einer gesonderten Pumpe getrieben und nicht von den Pumpen der Wärmequellen. Der sich bildenden Differenzdruck in der Wärmeverteilung wird in der hydraulischen Weiche auf nahezu Null gesenkt und trägt damit nicht mehr zur Wärmeerzeugung bei. Ebenfalls wird der sich bildende Differenzdruck in der Wärmeerzeugung in der hydraulischen Weiche reduziert und wirkt nicht auf die Wärmeverteilung.
Die Regelung des Wärmesystems erfolgt über die Vorlauftemperaturen unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Volumenströme in Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung.
Zur Messung der Volumenströme können unterschiedliche Messeinrichtungen eingesetzt werden. In dem Rohrsystem erfolgt die Messung des Volumenstromes mit Hilfe eines hydraulischen Widerstandes (hier eine Wärmeerzeugungseinrichtung) und dem darüber sich bildenden Differenzdruck. Bei bekannter Volumenstrom/Differenzdruck-Kennlinie des hydraulischen Widerstandes kann eine Berechnung des Volumenstromes erfolgen.
Diese genannte Differenzdruckmessung wird aber nicht zu Regelung der Wärmeverteilung verwendet und nicht in einem Regelkreis mit Differenzdruckregelung über den Volumenstrom aus Wärmequellen direkt in die Wärmeverteilung.
Im Stand der Technik sind Wärmeverteilungen bekannt, in denen die Wärmeverteilung mit einem differenzdruckgeregelten Wärmenetz erfolgt.
Ebenfalls sind Wärmeverteilungen bekannt, in denen die Wärmequellen kostenorientiert über Schaltungen eingebunden werden.
Bei allen bekannten Verfahren erfolgt eine kostengeführte Einbindung der Wärmequellen über eine Steuerung. Wechselnder Betriebsverhältnisse, wie in Wärmeverteilungen üblich, lassen nachteiligerweise eine optimale Ausnutzung des Einsparpotentials der Wärmequellen mit unterschiedlichen Wärmekosten nicht zu.
Die zeitabhängigen oder zentralen Steuerimpulse erfolgen in großen Zeitabständen und laufen damit den sich ändernden Betriebsverhältnissen hinterher, damit sind die Möglichkeiten der Reduzierung der Wärmeverteilungskosten begrenzt.
Die konstante, nicht bedarfsgerechte Führung des Differenzdrucks zur Wärmeverteilung, auch mit zeitgeführten Änderungen der Sollwerte, verursacht in der Regel Differenzdrucküberschuss und damit zu hohe Elektroenergiekosten. Außerdem muss vor den Wärmenutzern der Differenzdruck mit entsprechendem Aufwand auf das notwendige Maß reduziert werden.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die im erheblich ökonomischeren Betrieb Wärmeenergie in Wärmeverteilungsanlagen verteilt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, nachfolgend soll dieses Verfahren anhand des Ausführungsbeispiels und den und näher erläutert werden.
Der grundlegende Gedanke der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, die gemäß dem Stand der Technik praktizierte Trennung zwischen der kostenoptimierten Auswahl der Wärmequellen und der differenzdruckgeregelten Fahrweise der Wärmeverteilung zu überwinden. Außerdem soll die Nutzung der Wärmequellen in einem kostengeführten Regelkreis erfolgen.
In einem konkreten Beispiel nach erfasst der Wärmeverteilungskostenregler 1 die für seine Regelung notwendigen Informationen wie folgt:

– Die spezifischen Wärmekosten aus den Wärmequellen 2, 3, 4, wobei 2 die Wärmequelle mit den höchsten und 4 die Wärmequelle mit den niedrigsten Kosten abbildet
– Den Istwert des Differenzdrucks zwischen Vorlauf 15 und Rücklauf 16 der Wärmeverteilung aus dem Sensor 14
– Den Wärmeleistungsbedarf der Wärmeverteilung aus der Wärmenutzung 5 und dem Wärmemengenzähler 9
– Die benötigte Vorlauftemperatur aus der Wärmenutzung 5
– Die Vorlauftemperaturen der Wärmequellen aus den jeweiligen Sensoren 10, 11, 12
– Die Vorlauftemperatur der Wärmeverteilung aus dem Sensor 13

Ein Wärmekostenregler 1 errechnet aus den spezifischen Wärmekosten der jeweiligen Wärmequellen 2, 3, 4 einen kostenspezifischen Versatz zum Differenzdruckbasissollwert für jede Wärmequelle. Die Wärmequelle 4 mit den niedrigsten Wärmekosten erhält dabei den höchsten Sollwert. Diese Zuordnung ist in dargestellt.
Mittels eines Wärmekostenreglers 1 wird die Drehzahl der Pumpen 6, 7, 8 der Wärmequellen 2, 3, 4 so gestellt, dass die jeweiligen Differenzdrucksollwerte ausgeregelt werden. In Folge wird also die Pumpe 8 der Wärmequelle 4 mit dem höchsten Differenzdrucksollwert vorrangig Volumenstrom in die Wärmeverteilung fördern.
Wenn dieser Volumenstrom nicht ausreichend ist, den Differenzdruck am Sensor 14 aufrecht zu erhalten, sinkt der Differenzdruck ab und erreicht den Sollwert der Wärmequelle 3. Bei Erreichen des Sollwertes der Wärmequelle 3 wird die Pumpe 7 zugeschaltet und es wird mittels dieser Pumpe 7 dann zusätzlich zur Pumpe 8 Volumenstrom in die Wärmeverteilung eingebracht und der Differenzdruck ausgeregelt.
Erreicht auch dieser Volumenstrom den kritischen Bereich, in welchem der Differenzdruck nicht mehr aufrechterhalten werden kann, so sinkt dieser Differenzdruck weiter auf den Sollwert der Wärmequelle 2. Entsprechend fördert dann die Pumpe 6 zusätzlich Volumenstrom in die Wärmeverteilung und regelt den Differenzdruck.
Bei nachlassendem Wärmebedarf in der Wärmenutzung schalten sich die Pumpen beginnend bei Pumpe 6, über Pumpe 7 bis zu Pumpe 8 wieder ab.
Vorteilhafterweise werden bei sich ändernden spezifischen Wärmekosten der Wärmequellen die Differenzdrucksollwerte im Regelkreis dynamisch angepasst. Es wird also immer die Wärmequelle vorrangig genutzt, die aktuell die kostengünstigste Wärme der Wärmeverteilung zur Verfügung stellt.
Den Basissollwert des Differenzdrucks errechnet der Wärmekostenregler 1 über eine Funktion aus dem Wärmeleistungsbedarf der Wärmenutzung 5 über den Wärmemengenzähler 9 und weiteren individuell festzulegenden Nutzungsvorgaben.
Zur Bereitstellung bedarfsgerechter Wärme begrenzt der Wärmekostenregler 1 die Volumenströme der Wärmequellen 2, 3 und 4, wenn die Vorlauftemperaturen an den Sensoren 10, 11 und 12 kleiner werden als die von der Wärmenutzung benötigte Vorlauftemperatur.
Der Wärmekostenregler 1 regelt durch die Parallelschaltung von Volumenströmen mit unterschiedlichen Vorlauftemperaturen an den Sensoren 6, 7, 8 aus den Wärmequellen einen Volumenstrom mit bedarfsgerechter Vorlauftemperatur am Sensor 13. Damit lässt sich das Wärmepotential von Wärmequellen mit geringeren als in der Wärmenutzung benötigten Vorlauftemperaturen nutzen, indem Volumenströme aus Wärmequellen mit höheren Vorlauftemperaturen gemischt werden.
Der Wärmeverteilungskostenregler 1 erfüllt weitere Regel- und Begrenzungsaufgaben, die für das zu erklärende Verfahren nicht relevant sind.