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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Heizungsanlage mit einer einen von einem Brenner beheizten Wärmetauscher aufweisenden, insbesondere im Brennwertbereich betriebenen Wärmequelle, die an eine Vorlauf- und Rücklaufleitung angeschlossen ist und mit wenigstens einem an die Vorlauf- und Rücklaufleitung angeschlossenen, eine Wärmesenke bildenden Heizzweig gemäß dem einleitenden Teil des unabhängigen Patentanspruches. Solche Heizanlagen mit einem oder mehreren Heizgeräten und einem oder mehreren Heizzweigen sind marktgängig, wobei die Bauart des oder der Heizgeräte aufgrund des geringen Wasserinhalts einen Mindestdurchfluß im Wärmetauscher erfordern (begrifflich: sog. Heizer im Gegensatz zu Kesseln). Solche Geräte sind insbesondere als Gas-Brennwertgeräte mit hohen räumlichen Leistungsdichten weit verbreitet. Dabei können Brennwertgeräte ihre bauartbedingten Vorteile des Wirkungsgradgewinns durch Kondensation nur dann erzielen, wenn die Rücklauftemperatur am Wärmetauscher des Heizgerätes möglichst niedrig ist. Dies steht jedoch der ebenfalls weit verbreiteten Bauart nach 5 entgegen, in der ein Differenzdruck-Überströmventil den Mindestdurchfluß durch den Wärmetauscher sichert.
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Stand der Technik ist also ein Heizgerät gemäß 5 mit einem Brenner, dessen Heizgase ihre Wärme in einem Wärmetauscher im Gegenstrom an das Umlaufmedium (meist Wasser) abgeben, welches über den unmittelbaren Rücklauf in den Wärmetauscher einströmt und durch den unmittelbaren Vorlauf auströmt. In einer dieser beiden Leitungen und insbesondere, wie in 5 dargestellt, meist im unmittelbaren Rücklauf, befindet sich eine Umwälzpumpe, die das Heizmedium hydraulisch antreibt. Parallel zu dieser Reihenschaltung aus Wärmetauscher und Pumpe befindet sich ein Bypaß zwischen einem Verteilpunkt im Vorlauf und einem Sammelpunkt im Rücklauf, in dem sich das Überströmventil befindet. Der oder die zu versorgenden, eine Wärmesenke bildenden Heizzweige befinden sich parallel zu diesem Bypaß zwischen dem Vorlaufanschluß und dem Rücklaufanschluß des Heizgerätes. Steigt der hydraulische Widerstand der Wärmesenke so stark an, daß der Mindestdurchfluß durch den Wärmetauscher nicht mehr gewährleistet ist, so führt der mit dieser Durchflußminderung verbundene Differenzdruckanstieg dazu, daß das bis dahin geschlossene Überströmventil öffnet und der Mindestvolumenstrom durch den Bypaß gewährleistet ist.
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Aus der
FR 2 385 043 A1 ist eine Heizungsanlage mit einer nicht im Brennwertbereich betriebenen Wärmequelle bekannt geworden, die mit einer Wärmesenke und einer Umwälzpumpe in Serie geschaltet ist. Die Pumpe fördert das Heizmedium über die Rücklaufleitung zur Wärmequelle und über einen mit einem Differenzdruck-Regelventil versehenen Bypaß zu dieser in deren Vorlauf, der mit einem thermisch gesteuerten Drosselthermostaten versehen ist.
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Die
DE 100 27 656 A1 zeigt eine Heizungsanlage mit einer Brennwert-Wärmequelle, deren Vorlauf mit einer Parallelschaltung zweier Wärmesenken verbunden ist, die zusammengeführt über eine Pumpe mit dem Rücklauf der Wärmequelle verbunden sind. In jedem Zweig der Parallelschaltung befindet sich eine weitere Pumpe. Die Vorlaufleitung der Wärmequelle ist mit der Leitung stromauf der Pumpe über eine Bypaßleitung verbunden, die mit einem Temperaturfühler versehen ist.
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Schließlich ist aus der
DE 2 341 566 B2 eine Entladestation für eine Heißwasserspeicherstation bekannt geworden, deren Vor- und und Rücklaufleitungen über Handabsperrventile schließbar sind.
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In 6 ist der oben erwähnte Vorgang im Kennlinienfeld der sogenannten Restförderhöhe des Heizgerätes, also zwischen den Anschlüssen der Vor- und Rücklaufleitung, dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist der äußere Durchfluß durch die Wärmesenke aufgetragen, auf der vertikalen Achse der zugehörige Differenzdruck bzw. die sogenannte Restförderhöhe. Durchläuft der äußere hydraulische Widerstand alle Werte von unendlich bis null, so ergeben sich die folgenden Kennlinien:
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Die Restförderhöhen-Kennlinie (60) der Pumpe ist alleine für sich gemessen. Die maximale Förderhöhe (61) stellt sich beim Durchfluß null ein (äußerer hydraulischer Widerstand unendlich), der maximale Durchfluß (62) beim Differenzdurck null (äußerer hydraulischer Widerstand null). Durch die Reihenschaltung von Umwälzpumpe (4) und Wärmetauscher (3) bleibt die maximale Förderhöhe (61) unverändert, lediglich der maximale Durchfluß sinkt auf den Wert (64), so daß sich die Restförderhöhen-Kennlinie (63) dieser Reihenschaltung ergibt. Wird dieser Reihenschaltung nun das Überströmventil (9) in der beschriebenen Weise parallelgeschaltet, so bleibt die Restförderhöhen-Kennlinie in dem Bereich (68) erhalten, in dem der äußere Volumenstrom größer als der Wert gemäß Punkt (67) ist und der Differenzdruck noch unterhalb des Wertes (66) liegt, bei dem das Überströmventil (9) öffnet. Ein weiteres Absinken des äußeren Volumenstromes führt jetzt nicht mehr zu einem Anstieg des Differenzdruckes entlang der Restförderhöhen-Kennlinie (63), sondern entlang des Teilabschnitts (69) der Restförderhöhen-Kennlinie. Die maximale Restförderhöhe entspricht jetzt noch dem Wert (65). Dieses Verfahren hat zwei wesentliche Nachteile:
- 1) Das Heizgerät kann bei einem Volumenstrom unterhalb vom Punkt (67) nicht mehr im größtmöglichen Brennwert-Nutzungsgrad betrieben werden, da hier direkt heißes Umlaufmedium aus dem Vorlauf (5) in den Rücklauf (6) des Wärmetauscher (3) und so die Rücklauftemperatur angehoben wird.
- 2) Das Heizgerät kann keine größeren Volumenströme bereitstellen als die Werte (64), was häufig zu weiteren externen Pumpeninstallationen in den Heizzweigen führt.
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Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zu Grunde, diese beiden Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Verfahrenspatentanspruches gelöst. Die abhängigen Verfahrensansprüche bilden diese Lösung weiter.
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So ergeben sich beim Stand der Technik Anordnungen alternativ gemäß den 1 und 8 bis 10:
- In dem Heizgerät (1) einer Heizungsanlage (140) befindet sich ein Brenner (2), dessen Heizgase ihre Wärme in einem Wärmetauscher (3) im Gegenstrom an das Heizmedium (meist Wasser) abgeben, welches über einen unmittelbaren Rücklauf (6) in den Wärmetauscher (3) einströmt und durch den unmittelbaren Vorlauf (5) ausströmt. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird jedoch die Umwälzpumpe (4) nicht in Reihe zu dem Wärmetauscher (3) geschaltet und nicht ein Überströmventil (9) parallel zu dieser Reihenschaltung und dem äußeren hydraulischen Widerstand zwischen Anschlüssen der Vorlaufleitung (10) und der Rücklaufleitung (11), sondern der Wärmetauscher (3) wird parallel zu dem das Überströmventil (9) enthaltenden Bypaß (144) geschaltet und diese Parallelschaltung in Reihe mit der Umwälzpumpe (4) und dem einen äußeren hydraulischen Widerstand bildenden Heizzweig (143) oder Wärmesenke (142) zwischen den Anschlüssen der Vorlaufleitung (10) und der Rücklaufleitung (11). Dadurch liegt ein Sammelpunkt (7) nicht mehr im Rücklauf zwischen dem Anschluss der Rücklaufleitung (11) und dem unmittelbaren Rücklauf (6), sondern zwischen dem unmittelbaren Vorlauf (5) und dem Anschluß der Vorlaufleitung (10); ein Verteilpunkt (8) liegt nicht mehr zwischen dem unmittelbaren Vorlauf (5) und dem Anschluß der Vorlaufleitung (10), sondern zwischen dem Anschluß der Rücklaufleitung (11) und dem unmittelbaren Rücklauf (6). Somit kann kein brennwertschädliches Überströmen von heißem Vorlaufmedium über den Bypaß (144) in den unmittelbaren Rücklauf (6) des Wärmetauschers (3) mehr erfolgen. Damit ist die erste dieser Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
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Bevor die Auswirkungen dieser Änderung im Kennlinienfeld dargestellt werden, soll die Wirkungsweise des Überströmventils in den 2a bis 2c genauer betrachtet werden:
- 2a zeigt das geschlossene Überströmventil mit seiner Eintrittsöffnung (20), seiner Austrittsöffnung (21), seinem beweglichen Stellkörper (22) in geschlossener Stellung (22a) und das mechanische Federelement (23a) in geschlossener Stellung.
- 2b zeigt das nicht vollständig geöffnete Überströmventil mit seinem beweglichen Stellkörper (22) im Regelbetrieb (22b) und das mechanische Federelement (23b) im Regelbetrieb.
- 2c zeigt das vollständig geöffnete Überströmventil mit seinem beweglichen Stellkörper (22) in Endstellung (22c) und das mechanische Federelement (23c) in Endstellung.
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Es gibt also drei Betriebszustände: a) geschlossen, b) regelnd und c) vollständig geöffnet.
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3 zeigt das zugehörige Druckverlust-Kennlinienfeld: Auf der horizontalen Durchflußachse (31) ist der Durchfluß in die Eintrittsöffnung (20) und aus der Austrittsöffnung (21) aufgetragen, auf der vertikalen Druckverlustachse (30) der dabei zwischen Eintrittsöffnung (20) und Austrittsöffnung (21) des Überströmventiles auftretende Differenzdruck (Druckverlust).
- a) Bei null Differenzdruck ist auch der Durchfluß null. Steigt der Differenzdruck von null stetig an, so bleibt der Durchfluß null, bis der Differenzdruck (32) einer Ansprechschwelle erreicht wird, bei dem die mechanische Vorspannung des Federelementes (23) aufgehoben wird. Dies entspricht dem oben genannten ersten Betriebszustand: a) geschlossen.
- b) Ein weiterer Differenzdruckanstieg führt zu einer raschen Durchflußzunahme entlang der Druckverlust-Kennlinie (33). In diesem Regelbereich reagiert das mechanische Federelement (23) in Verbindung mit dem Stellkörper (22) auf jede Differenzdruckänderung bezogen auf die Ursache, da ein steigender Durchfluß einen steigenden Querschnitt und damit einen sinkenden Widerstand und einen sinkenden Druckverflust zur Folge hat und umgekehrt. Aufgrund dieser negativen Rückwirkung auf die Ursache liegt ein geschlossener Regelkreis vor. Dies stellt den oben genannten zweiten Betriebszustand: b) regelnd dar.
- c) Überschreitet der Durchfluß diesen Wert bzw. der Differenzdruck den Wert (34) am Ende des Regelbereiches des Überströmventiles (9), so befinden sich der Stellkörper (22) und das mechanische Federelement (23) in ihren Endstellungen. Eine weitere Zunahme des Durchflusses bzw. des Differenzdrucks führt nun nicht mehr zu einer Querschnitts- und Widerstandsanpassung, sondern durch den konstanten hydraulischen Widerstand auf eine parabolische Druckverlust-Kennlinie (36), eine sog. starre Rohrnetz-Kennlinie. Dies entspricht dem oben genannten dritten Betriebszustand: c) vollständig geöffnet.
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Um die Regelwirkung des Überströmventils möglichst stark auszubilden, also den Druckanstieg vom Beginn des Regelbereiches (32) auf dessen Endwert entlang der Druckverlust-Teilkennlinie (33) möglichst gering und den Durchfluß (35) möglichst groß zu gestalten, muß die mechanische Kraftzunahme auf dem Weg des Stellkörpers (22) von seiner geschlossenen Stellung zur vollständig geöffneten Stellung möglichst gering sein; gleiches gilt für die Längenänderung des mechanischen Federelementes (23) von den beiden Werten. Dies bedingt ein möglichst weiches mechanisches Federelement mit einer möglichst niedrigen Federkonstante. Um die für den erwünschten Öffnungs-Differenzdruck (32) notwendige Vorspannung aufzubauen, muß das Federelement entsprechend lang ausgebildet und vorgespannt sein. Dieses Maximierungsprinzip stößt durch die Forderung der sogenannten Knickfestigkeit bzw. Knicksteifigkeit an seine Grenze: Wird das mechanische Federelement zu weich und zu lang, so knickt es ein und verliert seine mechanische Federwirkung. Es ist also optimal, in Bezug auf die Regelcharakteristik des Überströmventils, das mechanische Federelement an der Grenze der Knicksteifigkeit möglichst weich auszulegen und im geschlossenen Zustand möglichst stark vorzuspannen.
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Wird ein solches Überströmventil in ein Heizgerät (1) gemäß 1 eingebaut, so ergibt sich ein Restförderhöhen-Kennlinienfeld gemäß 4: Die Kurve (40) zeigt die Restförderhöhen-Kennlinie der Umwälzpumpe (4) für sich genommen mit ihrer maximalen Restförderhöhe (41) und ihrem maximalen Durchfluß (42). Wird die Umwälzpumpe (4) mit dem Wärmetauscher (3) in Reihe geschaltet, so bleibt die maximale Restförderhöhe (41) unverändert, der maximale Durchfluß sinkt jedoch aufgrund der hydraulischen Widerstandszunahme entlang der Kennlinie (43) auf einen Wert (44). Läßt man wiederum einen äußeren hydraulischen Widerstand zwischen dem unmittelbaren Vorlauf (5) und dem unmittelbaren Rücklauf (6) von unendlich stetig sinken, so steigt der Durchfluß von null an entlang des Teilabschnittes (49) der Restförderhöhen-Kennlinie (43), bis der Durchfluß (48) bzw. die Restförderhöhe (47) erreicht wird. Der Differenzdruck (32) am Beginn des Regelbereiches des Überströmventiles (9) entspricht dabei der Differenz der Restförderhöhe der Pumpenkennlinie (40) und der Resttförderhöhen-Kennlinie der Reihenschaltung von Pumpe und Wärmetauscher (43). Ein weiterer Anstieg des Durchflußes führt gegenüber der Pumpenkennlinie (50) nur noch zu einem linearen Anstieg des Druckabfalls entlang der Druckverlust-Teilkennlinie des Regelbereiches des Überströmventiles (33). Somit verläuft die Restförderhöhen-Teilkennlinie des Heizgerätes bei regelndem Überströmventil (51) mit von einem vom Differenzdruckwert (32) linear zunehmendem Abstand unterhalb der Kennlinie der Restförderhöhe der Pumpe (40). Die optimale Auslegung des hydraulischen Widerstandes des vollständig geöffneten Überströmventils erhält man, wenn dieses seinen Regelbereich bei der Restförderhöhe null gerade vollständig ausgeschöpft hat. Bei dieser Auslegung setzt sich der lineare Anstieg des Druckabfalls über der Parallelschaltung von Wärmetauscher und Überströmventil vom Differenzdruckwert (32) auf den Differenzdruckwert (34) gegenüber der Restförderhöhenkennlinie der Umwälzpumpe (4) fort bei einer Zunahme des Durchflusses vom Durchflußwert (48) um den Betrag (35) auf den Durchflußwert (52), wenn man die Zunahme des Durchflußes durch den Wärmetauscher aufgrund des Differenzdruckanstieges vom Differenzdruckwert (32) auf den Differenzdruckwert (34) vernachlässigt. Diese Vernachlässigung ist umso zulässiger, je flacher die Druckverlust-Kennlinie des Regelbereiches des Überströmventils (33) ausgebildet ist, was mit der zuvor beschriebenen Eigenschaft des mechanischen Federelementes leicht erzielt wird. Folglich fällt bei optimaler Auslegung des Überströmventils der maximale Durchfluß der Reihenschaltung von Pumpe und der Parallelschaltung von Wärmetauscher und voll geöffnetem Überströmventil (46) mit dem Durchfluß.(52) am Ende der Restförderhöhen-Teilkennlinie des Heizgerätes bei regelndem Überströmventil (51) am Ende des Regelbereiches des Überströmventils zusammen. Vergleicht man das Restförderhöhendiagramm des Heizgerätes nach dem Stand der Technik (6) mit dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten Heizgerät (4), so erkennt man die deutliche Zunahme des äußeren Durchflußbereiches: Während in 6 der Durchfluß des Heizgerätes nur bis zum maximalen Durchfluss der Reihenschaltung von Umwälzpumpe und Wärmetauscher (3) reicht, überschreitet dieser Bereich beim nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuertem Heizgerät den entsprechenden maximalen Durchflußwert (44) deutlich um nahezu den Volumenstrom des Durchflußes am Ende des Regelbereiches des Überströmventiles (35) und kommt, realistisch betrachtet, auf etwa den doppelten Wert. Damit ist auch die zweite dieser Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
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Anschließend soll der Mindestdurchfluß (54) des Wärmetauschers (3) betrachtet werden. Er wird beim nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten Heizgerät durch einen Volumenstromfühler (13) im unmittelbaren Rücklauf (6) oder im unmittelbaren Vorlauf (5) des Wärmetauschers (3) gemessen. Wird er unterschritten, so muß die Leistung am Brenner (2) durch Schließen eines Magnetventiles in einer Gaszuleitung abgestellt werden. Die am Wärmetauscher (3) übertragene Wärmeleistung P [kW] entspricht dem Produkt aus Durchfluß Q [m3/h] und Temperaturdifferenz (sog. Spreizung) DT [K]. Somit ist das DT ein Maß für den leistungsspezifischen Durchfluß des Wärmetauschers und eine nahezu universelle Größe für alle Wärmetauscher des gesamten Leistungsspektrums. Der Erfolg der Heizgeräte im Gegensatz zu Kesseln liegt vor allem in ihrer kompakten Bauart und ihrer hohen Leistungsintensität begründet. Das bedeutet, daß die pro Flächeneinheit, Masseneinheit oder Heiz-Medium-Volumeninhalt des Wärmetauschers übertragene Leistungsdichte [W/cm2 bzw. W/g bzw. W/cm3] vergleichsweise hoch ist. Um die Wärme medienseitig (in der Regel wasserseitig) abführen zu können, muß die Durchströmung turbulent und nicht laminar sein, weil nur dadurch die Strömungsgeschwindigkeiten unmittelbar an den Oberflächen des Wärmetauschers (3) deutlich über null gehalten werden können. Dies allerdings bedingt einen relativ hohen Druckverlust bzw. einen relativ hohen hydraulischen Widerstand im Wärmetauscher (3). Um also den erforderlichen Mindestdurchfluß (54) im Wärmetauscher (3) möglichst klein gestalten zu können, muß man einen höheren hydraulischen Widerstand in Kauf nehmen.
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7 zeigt ein Kennlinienfeld, bei dem auf der horizontalen Achse die Spreizung DT und auf der vertikalen Achse die Leistung P aufgetragen ist. Der Leistungsbereich (131) eines modulierenden Brenners ist schraffiert und reicht beispielhaft von der Nennleistung (P) bis zur kleinsten Leistung (⅛P). Da der Durchfluß Q der Quotient von P/DT ist, ergeben sich die Betriebszustände mit konstantem Durchfluß als Strahlen durch einen Ursprung (130). Es empfiehlt sich, den Wärmetauscher (3) so auszulegen, dass die maximale Leistung (P) bei der maximalen Spreizung (DT) übertragen werden kann. Der sich daraus ergebende Durchfluß Q (132) ist als Grundlage für die Dimensionierung des Wärmetauschers und seines hydraulischen Widerstandes bestens geeignet. Dabei sollte die maximale Spreizung (DT) möglichst groß gewählt werden, um das Heizgerät auch zur gravitationsschichtenden Beladung von Pufferspeichern geeignet zu machen. Ein geeigneter Wert für die maximale Spreizung (DT) könnte beispielsweise 50K sein. Es lassen sich jetzt zwei vorteilhafte Regelstrategien definieren:
- 1) konstanter Differenzdruck zum Betrieb durchflußgeregelter Heizkreise und
- 2) maximale Spreizung zur Beladung ungeregelter Speichersysteme Zu 1)
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Sehr viele Heizkreise besitzen im Wärmeverteilungsnetz verteilte Regler, die den Durchfluß einzelner Heizflächen thermostatisch steuern (sog. Thermostatventile und Einzelraumregler). Für diese Systeme sind schon lange differenzdruckgeregelte Umwälzpumpen verfügbar und auch energiepolitisch gefordert. Ein weiterer Nachteil der Heizgeräte nach dem Stand der Technik ist, daß sich diese differenzdruckgeregelten Umwälzpumpen nicht sinnvoll in das bisherige Konzept des Überströmventiles (9) parallel zum Verbraucher integrieren lassen, da auch das Überströmventil (9) ein differenzdruckregelndes Verhalten besitzt und es damit zum Reglerkonflikt kommt: Liegt der Sollwert einer solchen differenzdruckgeregelten Umwälzpumpe über dem Differenzdruck der Restförderhöhen-Teilkennlinie des Heizgerätes bei regelndem Überströmventil (69), so wird die Umwälzpumpe bei dem Versuch, diesen Wert zu erreichen, mit Vollast ein permanentes Überströmen des heißen Vorlaufs vom Verteilpunkt (8) zum Sammelpunkt (7) und damit eine große Energieverschwendung bewirken. Liegt jedoch der Sollwert einer solchen differenzdruckgeregelten Umwälzpumpe unter dem Differenzdruck der Restförderhöhen-Teilkennlinie des Heizgerätes bei regelndem Überströmventil (69), so wird die Leistung der Pumpe gedrosselt, bevor das Überströmventil (9) öffnet, was die Mindestumlaufsicherung des Prinzips außer Kraft setzt. Im Gegensatz dazu liegt beim nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten Heizgerät kein differenzdruckkonstantregelndes Verhalten des Überströmventils (9) zwischen den Anschlüssen des unmittelbaren Vorlaufes (5) und des unmittelbaren Rücklaufes (6) der Heizlast vor, sondern es wird der Druckabfall über dem Wärmetauscher (3) begrenzt auf die Werte (32) bis (34). Das bedeutet, daß trotz eines - wie gezeigt - bauartbedingt vorteilhaft hohen Druckabfalls am Wärmetauscher (3) der Druckabfall an der Umwälzpumpe (4) gegenüber dem Druckabfall an der Heizlast zwischen den Anschlüssen der Vorlaufleitung (10) und der Rücklaufleitung (11) begrenzt ist. Dadurch kann die Umwälzpumpe (4) über weite Durchflußbereiche die Differenzdruckverhältnisse an der Wärmesenke mit ihren internen Fühlern konstant regeln, was einen bedeutenden Vorteil für die Regelbarkeit und den elektrischen Arbeitsaufwand darstellt. 7 zeigt genau, wie der Wirkungsmechanismus der Lei-stungsanpassung solcher durchflußgeregelter Lasten funktioniert. Ausgehend von einem Zustand mit Nenndurchfluß (Q) bei halber Leistung (½P) und halber maximaler Spreizung (½DT) stellt sich zunächst aufgrund eines äußeren Einflusses auf einen hydraulischen Einzelregler im Verteilernetz eine Durchflußverdoppelung (133) ein. Dadurch halbiert sich bei konstanter Leistung zunächst die Spreizung auf (¼DT). Daraufhin verdoppelt der Regler (16) der Vorlauftemperatur die Leistung des Brenners (2) bei konstantem Durchfluß (134) auf die volle Leistung (P), was zu einer resultierenden Lei-stungsverdoppelung bei konstanter Spreizung (135) führt. Umgekehrt wirkt eine Durchflußhalbierung (136) zunächst spreizungsverdop-pelnd, bevor der Regler (16) der Vorlauftemperatur bei konstantem Durchfluß längs der Leistungshalbierung (137) die Leistung auf (¼P) halbiert, was im Resultat einer Leistungshalbierung bei konstanter Spreizung (138) entspricht. Man sieht hierbei deutlich, wie wichtig gerade für Heizgeräte mit modulierenden Brennern die Fähigkeit ist, nicht nur die Brennerleistung, sondern auch den zugehörigen Durchfluß anpassen zu können.
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Zu 2)
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Zur Beladung durchflußungeregelter Puffer- und Trinkwasserspeicher empfiehlt sich hingegen, die maximale Spreizung (DT) konstant zu regeln. Hierzu muss nur die Leistung des Brenners (2) an die Leistung der Umwälzpumpe (4) angepaßt werden. Will man verhindern, daß es zu einem Öffnen des Überströmventils (9) kommt, so genügt es, die Temperaturen der beiden Temperaturfühler (14) und (15) zu vergleichen: solange beide Temperaturen gleich sind, ist das Überströmventil (9) geschlossen. Erst durch Öffnen des Überströmventils (9) fällt die Temperatur des Temperaturfühlers (15) gegenüber der Temperatur des Temperaturfühlers (14) zurück. Mit der bekannten Rücklauftemperatur am Temperaturfühler (12) und dem Durchfluß am Volumenstromfühler (13) läßt sich auch leicht und ohne zusätzliche Messung der äußere Durchfluß von der Vorlaufleitung (10) nach der Rücklaufleitung (11) berechnen: Q(10) = Q(11) = Q(13) · (T(14)-T(13)) / (T(15)-T(13)). Der Zentralrechner (16) verfügt somit über alle Informationen, um die beschriebenen Betriebsarten steuern und überwachen zu können sowie über einen weiteren Eingang (17) für externe Sollwertvorgaben. Dies kann beispielsweise sein: Die Außentemperatur, die Raumtemperatur, ein konstanter Sollwert für die Brennerleistung, ein konstanter Sollwert für die Vorlauftemperatur, ein konstanter Sollwert für die Pumpenleistung oder ähnliches.
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8 beschreibt eine sogenannte Kaskade, bestehend aus 1a bis Im von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten Heizern (70a) bis (70m), die jeweils über einen Rückflußverhinderer (71a) bis (71m) mit je einer Sammel- bzw. Verteilerleitung (72) verbunden sind und mindestens einen ungeregelten Heizkreis (75a) sowie optional n-1 weitere mischergeregelte Heizkreise (75b) bis (75n) ebenfalls jeweils über einen Rückflussverhinderer (80a) bis (80n) versorgen. Der zentrale Vorlauftemperaturfühler (74) befindet sich zur Reduzierung der Totzeit möglichst nahe an der Kaskade. Die optionalen mischergeregelten Heizkreise (75b) bis (75n) verfügen jeweils über einen Vorlauftemperaturfühler (76b) bis (76n), eine Umwälzpumpe (77b) bis (77n), einen Mischer (78b) bis (78n) und einen dazugehörigen Stellmotor (79b) bis (79n). Diese Komponenten sind mit dem Regler (16), dem Zentralrechner (16) der Kaskade (81), verbunden, der darüber hinaus einen eigenen Eingang (82) für externe Sollwertvorgaben besitzt. Dies kann beispielsweise sein: Die Außentemperatur, die Raumtemperatur, ein konstanter Sollwert für die Brennerleistung, ein konstanter Sollwert für die Vorlauftemperatur, ein konstanter Sollwert für die Pumpenleistung oder ähnliches. Ebenfalls wirkt der Zentralrechner der Kaskade (81) auf die einzelnen Heizer (70a) bis (70m) über deren Eingang (17) für externe Sollwertvorgaben. Solche Kaskaden sind bereits bekannt und verbreitet, allerdings nicht in der hier dargestellten Weise und ohne den Einsatz einer hydraulischen Weiche. Diese hat nicht nur ebenfalls die bereits beschriebene negative Wirkung der Rücklauftemperaturerhöhung durch Überströmen von heißem Vorlauf in den Geräterücklauf; sie erfordert auch den Einbau einer weiteren Umwälzpumpe im ungeregelten Heizkreis (75a). Die Betriebsweise der Kaskade entspricht ansonsten der üblichen Strategie, die aktuelle Heizlast auf eine möglichst große Anzahl von Heizern zu verteilen und nichtbenutzte Heizer einschließlich Umwälzpumpe (4) auszuschalten. Selbstverständlich gelten die oben beschriebenen vorteilhaften Betriebsweisen des konstanten Differenzdrucks zum Betrieb durchflußgeregelter Heizkreise und der maximalen Spreizung zur Beladung ungeregelter Speichersysteme in gleicher Weise, wobei die erstere in der Praxis der Kaskaden von größerer Bedeutung sein dürfte.
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9 zeigt eine weitere Ausbildungsform der vorgenannten Kaskade, bei der in nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten Heizern die Umwälzpumpe (4) durch ein Motorventil ersetzt wurde. Sie besteht aus einem bis m derartig modifizierten Heizern (90a) bis (90m), die jeweils über ein Motorventil (91a) bis (91m) mit je einer idealerweise nach Tichelmann weglängenoptimierten Sammel- bzw. Verteilerleitung (92) verbunden sind und n Heizkreise (95a) bis (95n) jeweils über einen Rückflußverhinderer (100a) bis (100n) versorgen, von denen optional einer (95a) ungeregelt und die anderen n-1 (75b) bis (75n) mischergeregelt sind; es können aber auch alle n Heizkreise mischergeregelt sein. Der zentrale Vorlauftemperaturfühler (94) befindet sich zur Reduzierung der Totzeit möglichst nahe an der Kaskade. Die mischergeregelten Heizkreise (95b) bis (95n) verfügen jeweils über einen Vorlauffühler (96b) bis (96n), einen Mischer (98b) bis (98n) und einen dazugehörigen Stellmotor (99b) bis (99n). Alle Heizkreise (95a) bis (95n) besitzen eine Umwälzpumpe (97a) bis (97n). Alle genannten Komponenten sind mit dem Zentralrechner der Kaskade (101) verbunden, der darüber hinaus einen eigenen Eingang (102) für externe Sollwertvorgaben besitzt. Diese können beispielsweise sein: Die Außentemperatur, die Raumtemperatur, ein konstanter Sollwert für die Brennerleistung, ein konstanter Sollwert für die Vorlauftemperatur, ein konstanter Sollwert für die Pumpenleistung oder ähnliches. Ebenfalls wirkt der Zentralrechner der Kaskade (101) auf die einzelnen Heizgeräte (90a) bis (90m) über deren Eingang (17) für externe Sollwertvorgaben. Gegenüber der vorgenannten Kaskade hat diese Bauform den Vorteil, daß anstatt n+m-1 Pumpen nur n Pumpen benötigt werden. Um eine möglichst gute Gleichverteilung des Gesamtdurchflußes auf die einzelnen Heizer (90a) bis (90m) der Kaskade zu erreichen, kann es erforderlich sein, den hydraulischen Widerstand der Motorventile (91a) bis (91m) größer auszubilden als den hydraulischen Widerstand der Überströmventile (9) in den Heizern. Die Betriebsweise der Kaskade entspricht ansonsten der üblichen Strategie, die aktuelle Heizlast auf eine möglichst große Anzahl von Heizgeräten zu verteilen. Nichtbenutzte Heizgeräte werden dabei durch die Motorventile vom Durchfluß abgetrennt.
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10. zeigt eine weitere Ausbildungsform der vorgenannten Kaskaden, bei der Heizer ohne eingebaute Umwälzpumpe (4) zum Einsatz kommen. Solche Geräte sind bereits bekannt und verbreitet, allerdings sind sie noch nicht in Kaskaden ohne hydraulische Weiche und ohne eine externe Umwälzpumpe je Heizgerät betrieben worden. Sie besteht aus einem bis m derartigen Heizern (110a) bis (110m), die jeweils über einen Motorventil (lila) bis (111m) mit je einer idealerweise nach Tichelmann weglängenoptimierten Sammel- bzw. Verteilerleitung (112) verbunden sind und n Heizkreise (115a) bis (115n) jeweils über einen Rückflußverhinderer (120a) bis (120n) versorgen, von denen optional einer (115a) ungeregelt und die anderen n-1 (115b) bis (115n) mischergeregelt sind, wobei zwischen den Heizgeräten (110a) bis (110m) und den Heizkreisen (115a) bis (115n) ein zentrales Überströmventil (9) in einem Gesamt-Bypaß (113) zwischen dem Vorlauf und dem Rücklauf der Sammel- und Verteilerleitung (112) eingebaut ist; wie zuvor beschrieben, können aber auch alle n Heizkreise mischergeregelt sein. Für die Dimensionierung des zentralen Überströmventiles (9) des Gesamt-Bypaß (113) ergeben sich die gleichen Regeln analog zur beschriebenen Bauform des eingebauten Überströmventiles (9). Nur muß für den maximalen Durchfluss am Ende des Regelbereiches des Überströmventiles (35) jetzt der maximale Gesamtdurch-fluß der Kaskade eingesetzt werden. Sinnvoll ist auch der Einsatz eines marktüblichen Überströmventiles mit einstellbarem Öffnungs-druck (32). Dadurch läßt sich die Heizanlage (140) an einer zen-tralen Stelle nachjustieren. Der zentrale Vorlauftemperaturfühler (114) befindet unmittelbar hinter dem Gesamt-Bypaß (113) mit dem Überströmventil (9) und zur Reduzierung der Totzeit möglichst nahe an der Kaskade. Die mischergeregelten Heizkreise (115b) bis (115n) verfügen jeweils über einen Vorlauffühler (116b) bis (116n), einen Mischer (118b) bis (118n) und einen dazugehörigen Stellmotor (119b) bis (119n). Alle Heizkreise (115a) bis (115n) besitzen eine Umwälzpumpe (117a) bis (117n). Alle genannten Komponenten sind mit dem Zentralrechner (121) der Kaskade verbunden, der darüber hinaus einen eigenen Eingang (122) für externe Sollwertvorgaben besitzt. Diese können beispielsweise sein: Die Außentemperatur, die Raumtemperatur, ein konstanter Sollwert für die Brennerleistung, ein konstanter Sollwert für die Vorlauftemperatur, ein konstanter Sollwert für die Pumpenleistung oder ähnliches. Ebenfalls wirkt der Zentralrechner (121) der Kaskade auf die einzelnen Heizgeräte (110a) bis (110m) über deren Eingang (17) für externe Sollwertvorgaben. Gegenüber der vorgenannten Kaskade hat diese Bauform den Vorteil, dass nur ein zentrales Überströmventil (9) des Gesamt-Bypaß (113) benötigt wird und sich die Gleichverteilung des Durchflusses auf die einzelnen Heizgeräte (110a) bis (110m) wegen des relativ hohen hydraulischen Widerstandes der Wärmetauscher (3) leicht von selbst einstellen wird. Die Betriebsweise der Kaskade entspricht ansonsten der üblichen Strategie, die aktuelle Heizlast auf eine möglichst große Anzahl von Heizgeräten zu verteilen. Nichtbenutzte Heizgeräte werden dabei durch die Motorventile vom Durchfluß abgetrennt.
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Legende
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- 1: Schema eines Heizers nach dem Stand der Technik
- 5: Schema des Heizers nach dem Stand der Technik
- 1
- Heizgerät
- 2
- Brenner des Heizgerätes
- 3
- Wärmetauscher
- 4
- Umwälzpumpe
- 5
- unmittelbarer Vorlauf des Wärmetauschers
- 6
- unmittelbarer Rücklauf des Wärmetauschers
- 7
- Sammelpunkt Bypass/Heizkreis
- 8
- Verteilpunkt Bypass/Heizkreis
- 9
- Überströmventil im Bypass
- 10
- Vorlaufleitung des Heizgerätes = mittelbarer Vorlauf des Wärmetauschers
- 11
- Rücklaufleitung des Heizgerätes = mittelbarer Rücklauf des Wärmetauschers
- 12
- Temperaturfühler im unmittelbaren Rücklauf des Wärmetauschers
- 13
- Volumenstromfühler im unmittelbaren Rücklauf des Wärmetauschers
- 14
- Temperaturfühler im unmittelbaren Vorlauf des Wärmetauschers
- 15
- Temperaturfühler im Vorlauf des Heizgerätes
- 16
- Regler
- 17
- Eingang für externe Sollwertvorgabe
- 2: Betriebszustände des Überströmventils
- 20
- Eintrittsöffnung des Überströmventils
- 21
- Austrittsöffnung des Überströmventils
- 22
- Beweglicher Stellkörper des Überströmventils
- 22a
- Beweglicher Stellkörper des geschlossenen Überströmventils
- 22b
- Beweglicher Stellkörper des regelnden Überströmventils
- 22c
- Beweglicher Stellkörper des voll geöffneten Überströmventils
- 23
- Mechanisches Federelement des Überströmventils
- 23a
- Mechanisches Federelement des geschlossenen Überströmventils
- 23b
- Mechanisches Federelement des regelnden Überströmventils
- 23c
- Mechanisches Federelement des voll geöffneten Überströmventils
- 3: Druckverlust-Kennlinienfeld des Überströmventils
- 4: Restförderhöhen-Kennlinienfeld des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Heizers
- 30
- Druckverlustachse
- 31
- Durchflußachse
- 32
- Differenzdruck am Beginn des Regelbesreiches des Überströmventils
- 33
- Druckverlust-Teilkennlinie des Regelbereiches des Überströmventils
- 34
- Differenzdruck am Ende des Regelbereiches des Überströmventils
- 35
- Betrag der Zunahme des Durchflusses am Ende des Regelbereiches des Überströmventils
- 36
- parabolische Druckverlust-Kenlinie des voll geöffneten Überströmventils
4: Restförderhöhen-Kennlinienfeld des erfindungsgemäßen Verfahrens
- 40
- Restförderhöhen-Kennlinie der Pumpe über dem Durchfluß
- 41
- maximale Restförderhöhe der Pumpe
- 42
- maximaler Durchfluß der Pumpe
- 43
- Restförderhöhen-Kennlinie der Reihenschaltung von Pumpe und Wärmetauscher über dem Durchfluß
- 44
- maximaler Durchfluß der Reihenschaltung von Pumpe und Wärmetauscher
- 45
- Restförderhöhen-Kennlinie der Reihenschaltung von Pumpe und der Parallelschaltung von Wärmetauscher und voll geöffnetem Überströmventil über dem Durchfluß
- 46
- maximaler Durchfluß der Reihenschaltung von Pumpe und der Parallelschaltung von Wärmetauscher und voll geöffnetem Überströmventil
- 47
- Restförderhöhe am Beginn des Regelbereiches des Überströmventils
- 48
- Durchfluß am Beginn des Regelbereiches des Überströmventils
- 49
- Restförderhöhen-Teilkennlinie des Heizgerätes bei geschlossenem Überströmventil
- 50
- Pumpenkennlinie am Beginn des Regelbereiches des Überströmventils
- 51
- Restförderhöhen-Teilkennlinie des Heizgerätes bei regelndem Überströmventil
- 52
- Durchfluß am Ende des Regelbereiches des Überströmventils
- 53
- Restförderhöhe der Pumpe am Ende des Regelbereiches des Überströmventils
- 54
- Mindestdurchfluß des Wärmetauschers bzw. des Heizgerätes
- 6: Restförderhöhen-Kennlinienfeld des Heizers Stand der Technik
- 60
- Restförderhöhen-Kennlinie der Pumpe über dem Durchfluß
- 61
- maximale Förderhöhe der Pumpe
- 62
- maximaler Durchfluß der Pumpe
- 63
- Restförderhöhen-Kennlinie der Reihenschaltung von Pumpe und Wärmetauscher über dem Durchfluß
- 64
- maximaler Durchfluß der Reihenschaltung von Pumpe und Wärmetauseher
- 65
- Restförderhöhe am Beginn des Regelbereiches des Überströmventils
- 66
- Restförderhöhe am Ende des Regelbereiches des Überströmventils
- 67
- Durchfluß am Ende des Regelbereiches des Überströmventils
- 68
- Restförderhöhen-Teilkennlinie des Heizgerätes bei geschlossenem Überströmventil
- 69
- Restförderhöhen-Teilkennlinie des Heizgerätes bei regelndem Überströmventil
- 8 Kaskade aus nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten Heizern
- 70a..m
- ein bis m Heizgeräte des beschriebenen Typs mit eingebauter Umwälzpumpe in Parallelkaskade
- 71a..m
- Rückflußverhinderer je Heizgerät
- 72
- Sammler/Verteiler in Parallelschaltung
- 74
- Temperaturfühler im Gesamt-Vorlauf der Kaskade
- 75a..n
- ein bis n Heizkreise, davon ...
- 75a
- ... ein Heizkreis ungeregelt (ohne Mischer) und ohne Pumpe
- 75b..n
- ... optional bis zu n-1 weitere gemischt geregelte Heizkreise mit Pumpe
- 76b..n
- Temperaturfühler im Vorlauf des gemischt geregelten Heizkreises
- 77b..n
- Umwälzpumpe im Vorlauf des gemischt geregelten Heizkreises
- 78b..n
- Mischer im Vorlauf des gemischt geregelten Heizkreises
- 79b..n
- Stellmotor des Mischers im Vorlauf des gemischt geregelten Heizkreises
- 80a..n
- Rückflußverhinderer je Heizkreis
- 81
- Zentralrechner der Kaskade
- 82
- Eingang für externe Sollwertvorgabe der Kaskade
- 9 Kaskade aus nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten modifizierten Heizern
- 90a..m
- ein bis m Heizgeräte des beschriebenen Typs mit ausgebauter Umwälzpumpe in Parallelkaskade
- 91a..m
- Motorventil je Heizgerät
- 92
- Sammler/Verteiler in Parallelschaltung mit Längenausgleich nach Tichelmann
- 94
- Temperaturfühler im Gesamt-Vorlauf der Kaskade
- 95a..n
- ein bis n Heizkreise, davon ...
- 95a
- ... ein Heizkreis ungeregelt (ohne Mischer) mit Pumpe
- 95b..n
- ... optional bis zu n-1 weitere gemischt geregelte Heizkreise mit Pumpe
- 96b..n
- Temperaturfühler im Vorlauf des gemischt geregelten Heizkreises
- 97a..n
- Umwälzpumpe im Vorlauf des Heizkreises
- 98b..n
- Mischer im Vorlauf des gemischt geregelten Heizkreises
- 99b..n
- Stellantrieb des Mischers im Vorlauf des gemischt geregelten Heizkreises
- 100a..n
- Rückflußverhinderer je Heizkreis
- 101
- Zentralrechner der Kaskade
- 102
- Eingang für externe Sollwertvorgabe der Kaskade
- 10 Kaskade aus nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten Heizern
- 110a..m
- ein bis m Heizgeräte des beschriebenen Typs mit eingebauter Umwälzpumpe in Parallelkaskade
- 111a..m
- Rückflußverhinderer je Heizgerät
- 112
- Sammler/Verteiler in Parallelschaltung
- 113
- Gesamt-Bypass der Kaskade mit Überströmventil
- 114
- Temperaturfühler im Gesamt-Vorlauf der Kaskade
- 115a..n
- ein bis n Heizkreise, davon ...
- 115a
- ... ein Heizkreis ungeregelt (ohne Mischer) mit Pumpe
- 115b..n
- ... optional bis zu n-1 weitere gemischt geregelte Heizkreise mit Pumpe
- 116b..n
- Temperaturfühler im Vorlauf des gemischt geregelten Heizkreises
- 117b..n
- Umwälzpumpe im Vorlauf des gemischt geregelten Heizkreises
- 118b..n
- Mischer im Vorlauf des gemischt geregelten Heizkreises
- 119b..n
- Stellantrieb des Mischers im Vorlauf des gemischt geregelten Heizkreises
- 120a..n
- Rückflußverhinderer je Heizkreis
- 121
- Zentralrechner der Kaskade
- 122
- Eingang für externe Sollwertvorgabe der Kaskade
- 7 Leistungs-Spreizungs-Kennlinienfeld
- 130
- Ursprung
- 131
- Leistungsbereich eines modulierenden Brenners
- 132
- Kennlinie der Leistungsanpassung durchflußgeregelter Heizkreise
- 133
- Durchflußverdoppelung durch gesteigerte Leistungsanforderung
- 134
- Leistungsverdoppelung der Vorlauftemperaturregelung bei konstantem Durchfluß
- 135
- resultierende Leistungsverdoppelung bei konstanter Spreizung
- 136
- Durchflußhalbierung durch verminderte Leistungsanforderung
- 137
- Leistungshalbierung der Vorlauftemperaturregelung bei konstantem Durchfluß
- 138
- resultierende Leistungshalbierung bei konstantem DT
- 139
- Kennlinie bei Leistungsanpassung maximale Spreizung
- P
- volle Leistung
- ½P
- halbe Leistung
- ¼P
- viertel Leistung
- ⅛P
- achtel Leistung
- DT
- maximale Spreizung
- ½DT
- halbe maximale Spreizung
- ¼DT
- viertel maximale Spreizung
- ⅛DT
- achtel maximale Spreizung
- 8Q
- achtfacher Nenndurchfluß des Wärmetauschers
- 4Q
- vierfacher Nenndurchfluß des Wärmetauschers
- 2Q
- dopplter Nenndurchfluß des Wärmetauschers
- Q
- Nenndurchfluß des Wärmetauschers
- ½Q
- halber Nenndurchfluß des Wärmetauschers
- ¼Q
- viertel Nenndurchfluß des Wärmetauschers
- ⅛Q
- achtel Nenndurchfluß des Wärmetauschers
- 140
- Heizungsanlage
- 141
- Wärmequelle
- 142
- Wärmesenke
- 143
- Heizzweig
- 144
- Bypaß
- 145
- Anschluß erster Heizzweig