DE3005209C2

DE3005209C2 - Heizungsanlage

Info

Publication number: DE3005209C2
Application number: DE3005209A
Authority: DE
Inventors: Milos Dipl.-El.-Ing.ETH Zug Dyntar
Original assignee: LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1980-02-04
Filing date: 1980-02-12
Publication date: 1990-05-10
Anticipated expiration: 2000-02-13
Also published as: FR2475192B1; GB2068601B; CH641889A5; GB2068601A; FR2475192A1; DE3005209A1; SE8100760L; SE442907B

Description

a)

b)

Die Heizmitteltemperaturmeßeinrichtung (13, !4) bildet den Mittelwert (T_n) aus der Vorlauftemperatur (Thv) und der Rücklauftemperatur (Y

der Regelverstärker (9) steuert unmittelbar den Stellmotor (8) des Mischventils (4); c) die Umwälzpumpe (5) ist von einer Steuereinrichtung (16,17,18,19) steuerbar, welche ihrerseits auf mindestens einen der folgenden Parameter anspricht. Außentemperatur (T_A\ Vorlauftemperatur (Thv), Mittelwert-Temperatur (T_n,), Temperaturdifferenz aus der Vorlauf- und Rücklauftemperatur, Pumpenförderhöhe (h) oder Zeit (t).

2. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (5) eine digitale Drehzahl-Umschaltsteuerung aufweist.

3. Heizungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (5) mehrstufig ausgebildet und von Schaltern (18,19) der Steuereinrichtung umschaltbar ist.

4. Heizungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (18,19) von der Pumpenförderhöhe (h)und der Zeit ^steuerbar sind.

5. Heizungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (18,19) von der Pumpenförderhöhe (h) und der Außentemperatur (Ta) steuerbar sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizungsanlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Gattung. Derartige Heizungsanlagen sind zum Beispiel in Mehrfamilienhäusern, Bürogebäuden, Fabrikationsanlagen und dergleichen installiert.

Es ist bereits eine Heizungsanlage ähnlicher Gattung bekannt (DE-OS 19 28 575), bei der im Unterschied zu anderen bekannten Heizungsanlagen (DE-OS 11 153) das Regelgerät nicht den Stellmotor eines Mischventils, sondern die Umwälzpumpe unmittelbar steuert. Die im Betrieb der Umwälzpumpe erzeugte Druckdifferenz wird als Steuergröße für den Stellmotor, d. h. für das Ausmaß der Zuführung von Rücklaufwasser über eine Bypass-Leitung zum Mischventil verwendet. Hierdurch sollen zwei sich unterstützende Stellwirkungen auf die Regelstrecke entstehen. Dabei wurde festgestellt, daß der Wirkungsgrad dann unbefriedigend ist, wenn die Umwälzpumpe nicht in Abhängigkeit vom Re-Kelßerät unmittelbar gesteuert wird, es sei denn der Umwälzpumpe mit etwa konstanter Drehzahl ist eine vom Regelgerät unmittelbar gesteuerte Drossel nachgeschaltet Dieser zusätzliche Aufwand ist jedoch oft unerwünscht

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist es auch bekannt (DE-OS 28 i 1 153 und 27 20 526). bei konstanter Drehzahl der Umwälzpumpe aus Temperaturen darunter der Vor- und der Rücklauftemperatur, den Wärmeverlusten an die Außenluft und anderen Faktoren

ίο eine momentane Wärmebilanz zu bilden, um im Abhängigkeit von der dann errechneten Größe des Mischventil oder den Brenner der Heizungsanlage zu steuern. Derartige Lösungsversuche sind jedoch wegen des großen Rechneraufwandes problematisch.

Ferner ist es auch bekannt (DE-OS 24 52 515), mit einem Regler nicht nur das Mischventilt sondern auch den Brenner und die Umwälzpumpe zu steuern, indem die Umwälzpumpe erst bei Wärmeanforderung eingeschaltet wird und -dinn mit konstanter Drehzahl läuft.

Eine Optimierung des Wirkungsgrades ist hierdurch nicht ohne weiteres möglich.

Schließlich ist es auch bekannt (Recknagei/Sprenger »Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik«, 1979. Seiten 592—595), im Falle großer Heizungsanlagen mehrere Stromkreise mit jeweils einem Mischventil und jeweils einer Umwälzpumpe anzuwenden, was den Aufwand und entsprechend auch die Störanfälligkeit vergrößert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Hei-

zungsanlage, insb. für Heizleistungen von mindestens 20 kW der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß sie eine gute Regelung bei geringem

Aufwand und bei geringem Energieverlust erlaubt. Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeich-

net und in Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen derselben beansprucht.

Das Zusammenwirken der teilweise bereits bekannten Merkmale des Anspruches 1 führt zur Lösung der vorliegenden Aufgabe. Obwohl Parallel-Heizungssyste me mit parallelen Stromkreisen und zugehörigen Ag gregaten vermieden werden und an deren Stelle lediglich ein einziger Regler mit einem einzigen Heizkurven-Einsteller mit nur einer Heizkurve für alle Drehzahlen der Umwälzpumpe angewendet wird, kann ein sogar noch günstigerer Wirkungsgrad erzielt werden, wie dies auch anhand der folgenden Figurenbeschreibung noch näher erläutert wird.

In der Zeichnung ist schematisch das Prinzipschalt bild einer Heizungsanlage gemäß der Erfindung dargestellt, bei der die Umschaltung der in diesem Beispiel zweistufigen Umwälzpumpe in Abhängigkeit von der Außentemperatur des Gebäudes gesteuert wird, während die Steuerung des Stellmotors des Mischventils durch den Regler erfolgt, dessen Regelverstärker einen Vergleich des an seinen Istwert-Eingang gelegten Mittelwerts aus der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur mit dem an seinen Sollwert-Eingang geleg ten Sollwert vornimmt, der in Abhängigkeit von der Außentemperatur für ein und dieselbe Heizkurve eines Heizkurveneinstellers einstellbar ist.

Die Heizungsanlage eines in strichpunktierten Linien lediglich angedeuteten Gebäudes 1 besteht aus einem Heizkessel 2, einer Vorlauf-Wasserleitung 3 mit einem Mischventil 4 und einer Umwälzpumpe 5, η Heizkörpern Wi bis H_n und einer Rücklauf-Wasserleitung 6, wobei das Mischventil 4 ebenfalls über einen Bypass 7 direkt mit der Rücklauf-Wasserleitung 6 verbunden ist. Das Mischventil 4 besitzt einen Stellmotor 8, welcher

von einem Regelverstärker 9 gespeist wird, der seinerseits einen Sollwert- und einen Istwerteingang besitzt

Ein Temperaturmeßwert eines außerhalb des Gebäudes 1 installierten Außen-Temperaturfühlers IO erreicht über einen ersten Temperatur/Spannungs-Wandler 11 e-:nen Heizkurven-Einsteller 12, dessen Ausgang seinerseits mit dem Sollwerteingang des P.egelverstärkers 9 verbunden ist Ein Vorlauf-Temperaturfühler 13 und ein Rücklauf-Temperaturfühler 14 sind beide elektrisch in Serie geschaltet und bestehen vorzugsweise aus FTC-Widerstäniien (Positive temperature coefficient). Ein Summenmeßwert der beiden Temperaturfühler t3 und 14 erreicht über einen zweiten Temperatur/Spannungs-Wandler 15 den Istwerteingang des Regelverstärkers 9.

Wie bereits erwähnt ist die Umwälzpumpe 5 im Beispiel zweistufig, und das Drehzahlumschalt-Steuersignal der Umwälzpumpe 5 wird aus der Gebäude-AuBenicmperatur abgeleitet Das Ausgangssignal des ersten Temperatur/Spannungs-Wandlers 11 steuert dann außerdem den Eingang eines ersten Schaltverstärkers 16 und eines zweiten Schaltverstärkers 17, wobei die beiden Schaltverstärker 16 und 17 unterschiedliche Eingangs-Schwellwerte besitzen. Das Ausgangssignal des ersten Schaltverstärkers 16 erreicht über ein erstes Hilfsschütz 18 einen ersten elektrischen Eingang der Umwälzpumpe 5 (Drehzahl /i|) und das Ausgangssignal des zweiten Schaltverstärkers 17 erreicht über ein zweites Hilfsschütz 19 einen zweiten elektrischen Eingang der Umwälzpumpe 5 (Drehzahl /12).

Funktionsbeschreibung

Der Wärmebedarf des Gebäudes 1 und damit die Auslegeleistung seiner Heizungsanlage wird für eine festgelegte, tiefste Außentemperatur bestimmt. Diese niedrige Außentemperatur tritt aber nur an einigen Tagen im Jahr auf und somit hat auch die Heizungsanlage nur während eines kleinen Prozentsatzes der Heizperiode die volle Leistung zu erbringen. In Mitteleuropa kann man damit rechnen, daß die Heizungsanlage im Durchschnitt nur während zirka 8% der Heizperiode mit einer Leistung größer als 50% der vollen Leistung betrieben werden muß. wobei die Förderleistung der Umwälzpumpe im Mittel während zirka 92% der Heizperiode unterhalb 50% des Maximalwertes liegen könnte. Da jede Maschine, also auch eine Umwälzpumpe, einen bestimmten Wirkungsgradverlauf über den Leistungsbereich hat und dsr Wirkungsgrad im Teillastgebiet stets niedriger ist als im Auslegepunkt sollte die Umwälzpumpe 5 zur Wahrung eines guten Wirkungsgrades und damit zur Reduktion ihres Energieverbrauchs während zirks 92% der Heizperiode mit einer niedrigeren Drehzahl betrieben werden. Ideal wäre eine fortlaufende Anpassung der Umwälzpumpen-Drehzahl an die Außentemperatur. Dies bedingt entweder die Verwendung einer Umwälzpumpe 5, deren Drehzahl kontinuierlich oder stufenweise variabel ist, oder die Verwendung mehrerer hydraulisch parallel- oder seriegeschalteter Umwälzpumpen mit konstanten, aber unterschiedlichen Drehzahlen oder Fördermengen. Vor allem die Verwendung einer mehrstufigen Umwälzpumpe 5 ist von großem technischem Interesse, da diese einerseits den Vorteil einer digitalen Drehzahl-Umschaltsteuerung und anderseits den Vorteil einer günstigen Lagerhaltung durch Reduktion der Pumpenvielfalt bietet.

Die Umschaltung der Pumpendrehzahl bzw. Förderleistung geschieht in Abhängigkeit von einem der nachfoleenden Parameter:

a) einer Zeit f (z. B. Tag/Nacht-Umschaltung mittels Zeituhr),

b) einer Pumpenförderhöhe A,

c) einer Gebäude-Außentemperatur T_A (z. B. Sommer/Winter-Umschaltung),

d) einer Heizungs-Vorlauftemperatur Thy.

e) der Differenz zwischen einer Heizungs-Vorlauftemperatur und -Rücklauftemperatur (Thv - Tm) und

f) einer Heizkreis-Mittelwerttemperatur T_m bzw. des arithmetischen Mittelwertes (T_Hv + T_Hr)I2 der Heizungs-Vorlauftemperatur und -Rücklauftemperatur.

Die größte Energie-Einsparung bei gleichbleibendem Komfort bringt die Berücksichtigung von b) eventuell für Naehiäbsenkung in Verbindung mit a) und für Sommer/Winter-Umschaltung in Verbindung mit c).
Leider verunmöglicht der sich stark ändernde Heizungsdurchfluß den Einsatz einer einfachen witterungsgeführten (Sollwert = T^) Vorlauf temperatur-Regelung und bei der Verwendung von zwei- bzw. mehrstufigen Umwälzpumpen mußten bisher zwei bzw. mehrere Regler mit verschiedener Einstellung der Heizkurve verwendet werden. Je nach Pumpe einer Umwälzpumpen-Gruppe bzw. je nach Pumpenstufe ist dann auch der entsprechende Regler zu wählen und in Betrieb zu nehmen. Solche Anlagen sind daher sehr komplex und bedingen einen unerwünscht großen Aufwand an Bauteilen.

Regelt man jedoch nicht wie üblich die Heizungs-Vorlauftemperatur, sondern die mittlere Radiatortemperatur, so läßt sich die Regelvielfalt vermeiden und es genügt ein einziger Regler, um die Heizungsanlage trotz wechselnder Förderleistung der Umwälzpumpe korrekt zu betreiben. Da die mittlere Radiatortemperatur schwierig zu messen ist und die Heizkreis-Mittelwerttemperatur T_m dieser Radiatortemperatur annähernd entspricht, genügt es statt dieser mittleren Radiatortemperatur den arithmetischen Mittelwert der Hcizungs-Vorlauftemperatur und -Rücklauftemperatur (Thv + Thr)/2 als Istwert für den Regler zu verwenden. Der Vorlauf-Temperaturfühler 13 mißt die Vorlauftemperatur Thv und der Rücklauf-Temperaturfühler 14 die Rücklauftemperatur Thr. Beide Temperaturfühler 13 und 14 enthalten je zwei gleiche, parallelgeschaltete PTC-Widerstände. An Stelle von PTC-Widerständen können natürlich auch andere temperaturabhängige Bauelemente benutzt werden, unter anderem NTC-Widerstände (negative temperature coefficient) oder Thermoelemente. Dadurch bedingt und bedingt durch die Tatsache, daß beide Temperaturfühler 13 und 14 elektrisch in Serie geschaltet sind, erscheint am Ausgang der Serienschaltung der Meßwert T_m = (T_Hv + T_tln)l2. der durch den zweiten Temperatur/Spannungs-Wandler 15 in eine dem Meßwert proportionale Spannung /W umgewandelt wird, welche dem Regelverstärker 9 als Istwert dient. Der arithmetische Mittelwert (Tuν + Tuk)I2 kann natürlich auch durch irgend ein anderes Netzwerk temperaturabhängiger Bauelemente gebildet werden, wie z. B. durch eine Parallelschaltung der beiden Temperaturfühler. Die mittels des Außen-Temperaturfühlers 10 gemessene Gebäude-Außentemperatur wird auf üb'iche und bekannte Art und Weise aufbereitet durch den ersten Temperatur/Spannungswandler 11 (Erzeugung einer der Außentemperatur proportionalen Spannung) und durch den Heizkurven-Einsteller 12 (Berücksichtigung der Regelkennlinie) und anschließend als

Sollwert SWdem Regelverstärker 9 zugeführt. Der Regelverstärker 9 vergleicht, ob die von den Temperaturfühlern 13 und 14 gemessene Heizkreis-Mittelwerttemperatur T_n, = (T_Hv + Thr)/2 und die vom Außen-Temperaturfühler 10 erfaßte Gebäude-A.ußentemperatur Ta der am Heizkurven-Einsteller 12 eingestellten Heizkurve entsprechen. Bei Abweichung verstellt der Regelverstärker 9 mit Hilfe des Stellmotors 8 das Mischventil 4 so weit, daß sich genügend kühleres Wasser aus der Rücklauf-Wasserleitung 6 mit Warmwasser in der Vorlauf-Wasserleitung 3 mischt, und zwar so lange, bis sich eine der Gebäude-Außentemperatur zugeordnete Heizkreis-Mittelwerttemperatur T_n, ergibt.

Unter Annahme der Verwendung einer zweistufigen Umwälzpumpe 5 und einer mittels der Gebäude-Außentemperatur T_A gesteuerten Pumpendrehzahl-Umschaltung wählt parallel zum Regelvorgang einer der Schaltverstärker 16 bzw. 17 die dem betreffenden Außentemperatur-Bereich entsprechende Drehzahl n\ bzw. n₂ der Umwälzpumpe 5 und nimmt mit Hilfe des zugehörigen Hilfsschützes 18 bzw. 19 die Umwälzpumpe 5 mit der günstigsten Drehzahl in Betrieb.

Bei Verwendung einer Umwälzpumpe 5 mit kontinuierlich variabler Drehzahl wird diese Drehzahl in Abhängigkeit von einem aus der Gebäude-Außentemperatür T* abgeleiteten Sollwert SWkontinuierlich geregelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Heizungsanlage mit einem die Vorlauftemperatur steuernden und von einem Stellmotor steuerbaren Mischventil, mit einem einen Regelverstärker und einen Heizkurveneins teller aufweisenden Regelgerät, an dessen SOLL-Werteingang die Ausgangsgröße eines Außentemperaturfühlers und an dessen IST-Werteingang die Ausgangsgröße einer Heizmitteltemperaturmeßeinrichtung anlegbar sind, und mit einer in einer Vorlaufleitung angeordneten Umwälzpumpe, deren Fördermenge steuerbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale: