DE20316026U1

DE20316026U1 - Anordnung zur Erwärmung von Brauchwasser

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Publication number: DE20316026U1
Application number: DE20316026U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: SAILER, ROLAND, DE
Priority date: 2003-10-18
Filing date: 2003-10-18
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2013-10-19

Abstract

Anordnung zur Erwärmung von Brauchwasser im Sekundärkreis einer Wärmetauscheranordnung, durch deren Primärkreis mittels einer Pumpenanordnung heißes Wasser aus einer Wärmequelle förderbar ist, wobei die Förderleistung der Pumpenanordnung zur Erzielung einer gewünschten Temperatur des Brauchwassers über eine Steuereinrichtung veränderbar ist und mehrere Pumpen enthält, welche in einem Primärkreis parallel liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Pumpen unterschiedliche maximale Förderleistungen aufweisen und über eine gemeinsame Verbindungsleitung mit einem gemeinsamen Wärmetauscher zusammenwirken.

Description

Die Erwärmung von Brauchwasser unter Einsatz einer Wärmetauscheranordnung ist insbesondere von Bedeutung in Verbindung mit solarthermischen Anlagen, Fernwärmeversorgung etc., bei welchen ein Warmwasserspeicher, eine Fernwärmezuleitung etc. eine Wärmequelle im Primärkreislauf der Wärmetauscheranordnung bildet. Die Sekundärseite des Wärmetauschers wird von Brauchwasser durchströmt, welcher aus einer unter Druck stehenden Kaltwasser-Zuleitung in den Sekundäreingang der Wärmetauscheranordnung geleitet und beim Durchströmen des Wärmetauschers mittels des durch dessen Primärseite gepumpten Heißwassers des Primärkreislaufs auf eine Temperatur in der Ausgangsleitung des Sekundärkreises erwärmt wird, welche idealerweise einem vorgebbaren Sollwert entspricht. Zur Einhaltung eines solchen vorgebbaren Sollwerts können Eingangs- und/oder Ausgangstemperaturen an Sekundär- und/oder Primärseite der Wärmetauscheranordnung sowie die Brauchwasser-Durchflussmenge gemessen und in einer Steuereinrichtung, welche typischerweise Teil eines Regelkreises ist, ausgewertet werden. Die Steuereinrichtung beeinflusst typischerweise die Förderleistung einer Pumpenanordnung im Primärkreis und/oder die Vorlauftemperatur des Primärkreises der Wärmetauscheranordnung.
Besondere Probleme ergeben sich in Anlagen, bei welchen der Volumenstrom auf der Sekundärseite der Wärmetauscheranordnung über einen großen Be reich variieren kann. Eine für maximal benötigte Wärmeübertragung ausgelegte Wärmetauscheranordnung ist dann bei nur geringer Entnahme nicht mehr hinreichend fein regelbar und führt insbesondere zu Temperaturschwankungen am sekundärseitigen Ausgang.
In der DE 101 30 805 C1 ist eine Anordnung zur Warmwasserbereitung von Brauchwasser beschrieben, bei welcher die Wärmetauscheranordnung mehrere gleiche parallele Wärmetauscher enthält und jeder Wärmetauscher im Primärkreis einer eigenen Umwälzpumpe zugeordnet ist. Bei geringer Wasserentnahme auf Sekundärseite ist primärseitig nur ein erster Wärmetauscher mit der zugeordneten Umwälzpumpe in Betrieb. Bei steigendem sekundärseitigem Durchfluss wird ein zweiter und dritter Wärmetauscher durch Betrieb der zugeordneten Umwälzpumpen zugeschaltet. Die Umwälzpumpen sind ebenso wie ein Mischventil in der primärseitigen Vorlaufleitung zwischen dem Speicher und den Wärmetauschern angeordnet.
Die DE 100 32 714 A1 beschreibt eine Anordnung und ein Verfahren zur Bereitstellung von warmem Brauchwasser unter Einsatz eines Mischventils in der Vorlaufleitung des Primärkreislaufs, um Temperaturschwankungen am primärseitigen Eingang eines Wärmetauschers gering zu halten.
Bei einer aus der DE 100 48 912 A1 bekannten Anordnung zum Bereitstellen warmen Brauchwassers sind mehrere Wärmetauscher mit jeweils einzeln zugeordneten steuerbaren Umwälzpumpen vorgesehen, wobei die einzelnen Wärmetauscher ausgehend von geringer sekundärseitiger Warmwasserentnahme und Betrieb nur eines Wärmetauschers mit steigender Entnahme weitere Wärmetauscher sukzessive zugeschaltet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Anordnung zur Erwärmung von Brauchwasser über eine Wärmetauscheranordnung anzugeben.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Kombination einer Pumpenanordnung aus mehreren einzeln in ihrer Förderleistung veränderlich steuerbaren Pumpen, deren maximale Förderleistungen unterschiedlich sind, mit einem gemeinsamen Wärmetauscher führt überraschend zu einer besonders gleichmäßigen Temperatur des Brauchwassers in der Ausgangsleitung der Sekundärseite des Wärmetauschers und zu einem vorteilhaft geringen Regelaufwand. Insbesondere bei einer stärkeren Veränderung des sekundärseitigen Volumenstroms, welche zu einem Zu- oder Abschalten einer Pumpe im Primärkreis führt, zeigt die Anordnung den Vorteil, dass durch den einheitlichen Wärmetauscher keine Ausgangstemperaturschwankungen durch Zuschalten eines zuvor abgekühlten Wärmetauschers auftreten und dass auch keine nennenswerten Druckschwankungen auftreten, da der Übergang zwischen zwei Pumpen mittels der Steuereinrichtung gleitend erfolgen kann.
Durch die Einwirkung der mehreren parallel geschalteten Pumpen auf einen gemeinsamen Wärmetauscher ist eine besonders gleichmäßige Veränderung des Volumenstroms auf der Primärseite möglich, was vorteilhafterweise zu besonders geringen Schwankungen in der Ausgangsleitung des Sekundärkreises führt. Durch die unterschiedliche maximale Förderleistungen der mehreren Pumpen kann insbesondere auch bei geringer in Anspruch genommener Wärmeübertragungsleistung durch Einsatz einer Pumpe niedriger maximaler Förderleistung eine hinreichend feine Steuerung des primärseitigen Volumenstroms durch den Wärmetauscher erfolgen. Durch die Staffelung der Pumpen leistung kann mit wenigen Pumpen eine feine Steuerbarkeit bei geringem Volumenstrom erreicht werden. Vorteilhafterweise können dabei kostengünstige, an dem allgemeinen Stromnetz betreibbare Pumpen mit Drehzahlsteuerung durch üblicher Halbwellen-Unterdrückung eingesetzt werden. Die maximale Förderleistung der leistungsschwächsten der mehreren Pumpen beträgt vorteilhafterweise maximal 35 %, insbesondere maximal 25 %, vorzugsweise maximal 20 % des maximalen, für die Anordnung vorgesehenen Volumenstroms durch die Primärseite des Wärmetauschers. Vorteilhafterweise beträgt die maximale Förderleistung der leistungsstärksten Pumpe wenigstens 250 % der maximalen Förderleistung der leistungsschwächsten Pumpe.
Die maximalen Förderleistungen sind in erster Näherung mit den Nennleistungen der Pumpen identisch, können aber von diesen je nach Strömungswiderstand von Komponenten im Primärkreis mehr oder weniger abweichen.
Vorzugsweise sind die mehreren Pumpen der Pumpenanordnung jeweils nur einzeln betrieben, wobei die verschiedenen Pumpen unterschiedliche Bereiche des gesamten primärseitigen Förderleistungsbereichs abdecken. Es zeigt sich, dass die Steuerung und/oder Regelung der Einzelpumpen an einem gemeinsamen Wärmetauscher vorteilhaft ist gegenüber der gleichzeitigen Regelung mehrerer paralleler Primärströme mit jeweils separaten Pumpen und Wärmetauschern. Die unterschiedlichen Bereiche können vorteilhafterweise überlappen, wobei bei sich veränderndem primärseitigem Förderleistungsbedarf der Wechsel zwischen zwei Pumpen vorübergehend abweichend von dem bevorzugten Einzelbetrieb der Pumpen eine steigende Förderleistung der einen Pumpe mit einer abnehmenden Förderleistung der anderen Pumpe einhergehen und durch die Steuereinrichtung koordiniert sein kann.
Vorteilhafterweise liegen die Steigerungsfaktoren von einer Pumpe zur nächststärkeren Pumpe (leistungsbenachbarte Pumpen) vorteilhafterweise zwischen 2 und 6, insbesondere zwischen 2,5 und 5. Die Steigerungsfaktoren liegen im arithmetischen Mittel vorzugsweise zwischen 2,5 und 5. Bei Vorliegen zweier leistungsgleicher Pumpen ist der Faktor dann F=1. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen alle Pumpen unterschiedliche maximale Förderleistungen auf.
Bei Vorliegen einer an sich bekannten Bypassleitung zwischen Rücklaufleitung und Vorlaufleitung im Primärkreis ist vorteilhafterweise anstelle des gebräuchlichen, in der Vorlaufleitung eingefügten Mischventils ein Verteilventil in die Rücklaufleitung eingefügt, welches in Abhängigkeit von der Temperatur der Wärmeflüssigkeit in der Vorlaufleitung eine Verteilung des Volumenstroms auf die Bypassleitung und den Rücklauf-Eingang des Wärmespeichers in der Weise vornimmt, dass bei höheren Rücklauftemperaturen ein größerer Anteil in die Bypassleitung geführt wird als bei niedrigen Rücklauftemperaturen. Hierdurch kann die Temperatur der in den Wärmetauscher eintretenden Wärmeflüssigkeit innerhalb eines Sollbereichs gehalten werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung,
2 ein Beispieldiagramm zur veränderlichen Pumpensteuerung.
In 1 ist ein Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung skizziert, welcher an einer Wärmetauscheranordnung primärseitig eine Wärmequelle, z. B. einen Wärmespeicher SP als Wärmequelle aufweist, aus welchem heißes Wasser als Speicherflüssigkeit über eine Vorlaufleitung VL auf den Eingang der Primärseite WP einer Wärmetauscheranordnung WT geleitet ist. Der primärseitige Ausgang der Wärmetauscheranordnung ist über eine Rücklaufleitung RL wieder zum Speicher SP zurückgeführt. Bei Speisung aus einem Fernwärmesystem kann der Speicher entfallen. Der Einfachheit halber ist im folgenden jeweils nur auf die Anordnung mit einem Speicher Bezug genommen. Die Ausführungen sind aber ohne weiteres auf eine Fernwärmeanordnung oder eine andere Wärmequelle übertragbar.
Der Sekundärseite der Wärmetauscheranordnung ist aus einer Kaltwasserleitung KW kaltes Brauchwasser zugeführt, welches nach Durchströmen der Sekundärseite WS der Wärmetauscheranordnung an deren sekundärseitigem Ausgang erwärmt austritt und z B. über eine Warmwasserleitung WW an Zapfstellen als Warmwasser entnommen werden kann.
Während auf der Sekundärseite der Wärmetauscheranordnung das Brauchwasser in der Kaltwasserleitung unter Druck steht und die Warmwasserleitung WW im Entnahmefall weitgehend drucklos ist, so dass Brauchwasser unter dem Druck in der Kaltwasserleitung durch die Sekundärseite WS der Wärmetauscheranordnung in die Warmwasserleitung strömt, ist im Primärkreislauf zur Umwälzung der Speicherflüssigkeit eine veränderlich steuerbare Pumpenanordnung PA vorgesehen.
Für den Verbraucher ist von Bedeutung, dass bei Warmwasserentnahme einer Zapfstelle Temperaturschwankungen und Druckschwankungen möglichst ge ring sind, auch wenn er den Volumenstrom entnommenen Warmwassers verändert.
Zur Einstellung und/oder Regelung einer weitgehend konstanten Brauchwassertemperatur am Ausgang der Wärmetauscheranordnung ist es an sich gebräuchlich, mehrere in der gesamten Anordnung gewonnene Messwerte in einer Steuereinrichtung SE nach Steuervorgaben und/oder Regelalgorithmen zu Steuersignalen SS für die Pumpenanordnung zu verknüpfen. Derartige Messwerte können insbesondere die Vorlauftemperatur T1V der Speicherflüssigkeit am primärseitigen Eingang der Wärmetauscheranordnung, die Rücklauftemperatur T1A der Speicherflüssigkeit am primärseitigen Ausgang der Wärmetauscheranordnung, die Kaltwassertemperatur T2E am sekundärseitigen Eingang der Wärmetauscheranordnung, der Warmwassertemperatur T2A am sekundärseitigen Ausgang der Wärmetauscheranordnung oder der sekundärseitige Brauchwasser-Volumenstrom VSS durch die Wärmetauscheranordnung sein. Sensoren und Messfühler für diese Größen sind allgemein bekannt.
Die Verwendung nur eines über den gesamten Volumenstrombereich immer durchströmten Wärmetauschers anstelle mehrerer, je nach Bedarf an Wärmestrom PQ von der Primärseite zur Sekundärseite der Wärmetauscheranordnung zuschaltbarer oder abschaltbarer separater Wärmetauscher vermeidet auf vorteilhafte Weise die beim Zu- und Abschalten von Wärmetauschern auftretenden Druckschwankungen in der Warmwasserleitung sowie die Temperaturschwankungen beim Zuschalten eines einzelnen abgekühlten Wärmetauschers. Der im Sinne der Erfindung einzige Wärmetauscher kann dabei durchaus modular aufgebaut sein. Wesentlich ist die gemeinsame Verbindungsleitung zu der Pumpenanordnung und das fehlen der Zu- oder Abschaltung einzelner Teile der Wärmetauscheranordnung beim Durchfahren des gesamten Volumenstrombereichs.
Die veränderlich steuerbare Pumpenanordnung PA enthält mehrere, im Beispielsfall drei Einzelpumpen P1, P2, P3 mit unterschiedlichen maximalen Förderleistungen. Die Pumpen sind parallel geschaltet und über eine gemeinsame Verbindungsleitung VL mit dem Wärmetauscher WT verbunden. Die Pumpenanordnung liegt vorteilhafterweise am Ausgang der Primärseite des Wärmetauschers, so dass beim Zuschalten einer zuvor ausgekühlten Pumpe, insbesondere bei einer leistungsstärkeren größeren Pumpe keine Temperaturschwankung am primärseitigen Eingang des Wärmetauschers auftritt, welche Anlass zu Regelschwankungen sein könnte.
Die maximalen Förderleistungen VM1, VM2, VM3 der mehreren Pumpen P1, P2, P3 sind vorteilhafterweise deutlich verschieden. Im Beispiel der 2 ist angenommen, dass die maximale Förderleistung bei der leistungsstärksten Pumpe P1 das 3-fache der zweiten Pumpe P2 und das 9-fache der leistungsschwächsten Pumpe P3 entsprechend Leistungssteigerungsfaktoren von jeweils F12=VM1/VM2=3 und F23=VM2/VM3=3 beträgt. Typischerweise ist das kleinste Leistungsinkrement einer Pumpe mit veränderlich steuerbarer Leistung an deren maximale Förderleistung geknüpft und beträgt z. B. einige Prozent der maximalen Förderleistung. Durch die weite Staffelung der maximalen Förderleistungen der mehreren Pumpen ist dann eine besonders im Bereich geringen Volumenstroms wesentliche fein unterteilte Steuerung des primärseitigen Volumenstroms möglich, z. B. im Bereich von wenigen Promille des im wesentlichen durch die leistungsstärkste Pumpe P1 bestimmten maximalen Volumenstroms durch die Sekundärseite des Wärmetauschers, was wiederum zu besonders geringen Schwankungen der Temperatur T21 am sekundärseitigen Ausgang des Wärmetauschers führt. Durch die Staffelung der Pumpenleistung kann ein großer Gesamtbereich des Volumenstroms mit nur wenigen Pumpen erreicht und dennoch in allen Teilbereichen eine hinreichend feine relative Steuerung des Volumenstroms vorgenommen werden.
Die Pumpen sind vorteilhafterweise überwiegend einzeln betrieben und decken Volumenstrom-Teilbereiche PV1, PV2 und PV3 des gesamten primärseitigen Volumenstrombereichs von O bis PVmax ab. Insbesondere sind vorteilhafterweise die leistungsstärkeren Pumpen in den den leistungsschwächeren Pumpen zugeordneten Teilbereichen abgeschaltet. Die Teilbereiche PV1, PV2, PV3 überlappen vorteilhafterweise in dem Sinne, dass beim Betrieb der Pumpenanordnung bei einer Teilbereichsgrenze nicht ständig zwischen zwei Pumpen umgeschaltet wird, sondern ein Schalthystereseverhalten vorliegt. Der Betriebswechsel zwischen einer leistungsschwächeren und einer leistungsstärkeren Pumpe beim Durchlaufen einer Teilbereichsgrenze erfolgt vorzugsweise gleitend, indem eine Pumpe schrittweise angefahren und die andere schrittweise zurückgefahren wird. Bei jeweils einzelnem Betrieb ist der maximale Volumenstrom durch die maximale Förderleistung der leistungsstärksten Pumpe bestimmt. In anderer Ausführung können auch verschiedene Pumpen gleichzeitig betrieben sein, so dass sich deren maximale Förderleistungen summieren.
Das Diagramm nach 2 zeigt auf der Abszisse den Sollwert VS des primärseitigen Volumenstroms, auf der Ordinate rechts auf die jeweilige maximale Drehzahl DM bezogenen zugeordnete Drehzahl (Kurven DZ1, DZ2, DZ3) der einzelnen Pumpen und auf der Ordinate links den tatsächlichen Volumenstrom V (Kurven V1, V2, V3) der einzelnen Pumpen sowie den gesamten Volumenstrom VG, welcher an den Übergabebereichen zwischen zwei Pumpen im wesentlichen schwankungsfrei dem Sollwert folgt.
Da für die Zufuhr von Speicherflüssigkeit durch die gemeinsame Verbindungsleitung VL zwischen Pumpenanordnung PA und Wärmetauscher WT nur der gesamte Volumenstrom maßgebend ist und durch die Anordnung der Pumpenanordnung in der Rücklaufleitung ein Betriebswechsel zwischen zwei Pumpen die Vorlauftemperatur T1V nicht beeinflusst, ist die gewünschte Wärmezufuhr zum Wärmetauscher besonders präzise und gleichmäßig einstellbar, insbesondere auch bei Verwendung des Temperaturwerts T1V als Störgröße in einem Regelalgorithmus der Steuereinrichtung SE.
In der Gesamtanordnung kann in an sich bekannter Weise eine die Warmwasserleitung auf den sekundärseitigen Eingang des Wärmetauschers zurückführende Zirkulationsleitung ZL mit einer Zirkulationspumpe PZ vorgesehen sein. Zwischen Rücklaufleitung RL und Vorlaufleitung VL im Primärkreis ist im Beispiel der 1 eine Bypassleitung eingefügt, über welche rücklaufende Speicherflüssigkeit der niedrigen Temperatur T1A der den Speicher mit der Temperatur TV entnommenen Flüssigkeit zugemischt wird und dadurch die Temperatur am primärseitigen Eingang gegenüber TV auf die Temperatur T1V reduziert wird. Hierfür ist in die Rücklaufleitung RL ein temperaturgesteuertes Verteilventil VV eingefügt, welches in Abhängigkeit von der Temperatur T1V den Volumenstrom in der Rücklaufleitung in einen ersten Teilstrom zum Wärmespeicher und einen zweiten Teilstrom in die Bypassleitung aufteilt, wobei der zweite Teilstrom bei höheren Rücklauftemperaturen größer ist als bei niedrigeren Rücklauftemperaturen. Hierdurch kann die Temperatur der in dem Speicher eintretenden Wärmeflüssigkeit in einem Sollbereich gehalten werden. Durch die Anordnung in der kälteren Rücklaufleitung RL ist die Lebensdauer eines solchen Verteilventils höher als die eines in der Vorlaufleitung angeordneten Mischventils. Das Verteilventil in der Rücklaufleitung ist auch unabhängig von der Leistungsstaffelung der Pumpenanordnung vorteilhaft realisierbar.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims

Anordnung zur Erwärmung von Brauchwasser im Sekundärkreis einer Wärmetauscheranordnung, durch deren Primärkreis mittels einer Pumpenanordnung heißes Wasser aus einer Wärmequelle förderbar ist, wobei die Förderleistung der Pumpenanordnung zur Erzielung einer gewünschten Temperatur des Brauchwassers über eine Steuereinrichtung veränderbar ist und mehrere Pumpen enthält, welche in einem Primärkreis parallel liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Pumpen unterschiedliche maximale Förderleistungen aufweisen und über eine gemeinsame Verbindungsleitung mit einem gemeinsamen Wärmetauscher zusammenwirken.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Förderleistung der leistungsschwächsten Pumpe maximal 35 %, insbesondere maximal 25 % des maximalen primärseitigen Volumenstroms durch den Wärmetauscher beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigerungsfaktoren von leistungsbenachbarten Pumpen zwischen 2 und 6, insbesondere zwischen 2,5 und 5 liegen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das arithmetische Mittel der Steigerungsfaktoren zwischen leistungsbenachbarten Pumpen zwischen 2,5 und 5 liegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei und maximal vier Pumpen vorliegen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenanordnung in der Rücklaufleitung des Primärkreises angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Vorlaufleitung und Rücklaufleitung des Primärkreises durch eine Bypassleitung verbunden sind und dass in der Rücklaufleitung zwischen der Pumpenanordnung und der Wärmequelle ein Verteilventil angeordnet ist, welches eine temperaturabhängige Verteilung des Pumpenausgangsstroms auf die Bypassleitung und die Wärmequelle bewirkt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinrichtung die Pumpen einzeln betrieben sind.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass über den gesamten Förderleistungsbereich die Betriebsbereiche verschiedener Pumpen überlappen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinrichtung ein Messwert der Temperatur des Heißwassers im Primärkreis zugeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung Teil eines Regelkreises zur Eingebung einer vorgebbaren Brauchwasser-Temperatur in der Ausgangsleitung des Sekundärkreises ist und dass der Messwert der Temperatur des Heißwassers im Primärkreis der Regelung als Störgröße aufgeschaltet ist.