[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Schichtladespeichern nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
[0002] Bei Schichtladespeichern handelt es sich um eine Weiterentwicklung der herkömmlichen
Trinkwarmwasserspeicher. Ihre Besonderheit liegt darin, dass sie mit einem vergleichsweise
geringen Speichervolumen eine hohe Warmwasserverfügbarkeit gewährleisten.
[0003] Herkömmliche Trinkwarmwasserspeicher verfügen oft über einen Speicherbehälter mit
einer unten angeordneten, von einem Heizträgermedium durchströmten Wärmetauscherwendel.
Das diesen Wärmetauscher berührende Speicherwasser erwärmt sich durch Wärmeleitung,
wird dabei leichter und steigt im Behälter nach oben. Hierdurch wird eine Strömungswalze
in Gang gesetzt, die allmählich das gesamte Speicherwasser erfasst und es nach und
nach auf Solltemperatur aufheizt. Eine Umwälzpumpe fördert das Heizträgermedium.
[0004] Das in Schichtladespeichern bereitgestellte Trinkwarmwasser wird demgegenüber im
unteren Bereich des Speicherbehälters aus diesem abgezogen, von einem extern liegenden
Wärmetauscher oder einem nach dem Durchlaufprinzip arbeitenden Wärmeerzeuger auf Solltemperatur
erwärmt und in den oberen Behälterbereich eingeschichtet. Einströmhilfen sorgen dafür,
dass das Speicherwasser weder durch den Kaltwasserabfluss noch durch den Warmwasserzufluss
verwirbelt wird. Auf die Weise liegt bereits mit Beginn der Speicherbeladung heißes
Trinkwarmwasser für die Nutzung bereit.
[0005] Die dieser Erfindung vorausgesetzten Schichtladespeichersysteme für Trinkwarmwasser
zum hydraulischen Anschluss an Trinkwasserdurchlauferhitzer umfassen üblicherweise
eine Kaltwasseranschlussleitung, einen Speicherbehälter mit Kaltwassereintritt, Kaltwasseraustritt,
Warmwassereintritt und Warmwasseraustritt, einen Speicherwassertemperatur-Messfühler
zur Erfassung einer Speicherwassertemperatur, einen Warmwassereintrittstemperatur-Messfühler
zur Erfassung einer Warmwassereintrittstemperatur sowie eine Warmwasserladepumpe zum
Umwälzen von Speicherwasser. Die Anschlüsse für Kaltwassereintritt und -austritt sowie
die für Warmwassereintritt und -austritt können konstruktiv zusammengefasst sein.
[0006] Eine Steuereinrichtung für den Ladevorgang befindet sich üblicherweise im Regelgerät
des Trinkwasserdurchlauferhitzers. Das setzt voraus, dass dieser ein verhältnismäßig
komplexes Regelgerät besitzen muss, das die Anforderungen zur Steuerung einer Warmwasserladepumpe
mitsamt einer geeigneten Temperaturüberwachung erfüllt.
[0007] Zur Kombination von Schichtladespeichern mit Trinkwasserdurchlauferhitzern mit vergleichsweise
einfachen Regelgeräten kann die Steuerung des Schichtladespeichers völlig autark und
unabhängig vom Zustand und von der Art des Durchlauferhitzers erfolgen. In diesem
Fall verfügt der Schichtladespeicher über ein eigenes Steuergerät. Der Durchlauferhitzer
muss dann nur die Eigenschaft besitzen, immer dann zu starten, wenn er den von der
Warmwasserladepumpe geförderten Speicherwasserdurchsatz erkennt.
[0008] Die gewünschte Trinkwarmwassertemperatur muss dann sowohl am Durchlauferhitzer als
auch am Speicher-Steuergerät vorgegeben werden: Der Durchlauferhitzer muss Wasser
der gewünschten Temperatur zur Verfügung stellen, das Steuergerät muss den Beladungsvorgang
steuern, d.h. in Abhängigkeit des Beladungsgrades die Warmwasserladepumpe betreiben.
Dies kann durch zweifache manuelle Einstellung der Soll-Temperatur geschehen, oder
durch eine Datenverbindung, die den am Durchlauferhitzer eingestellten Wert an das
Speicher-Steuergerät übermittelt. Beide Methoden sind wegen ihrer Fehleranfälligkeit
oder des Verkabelungsaufwandes unbefriedigend. Für Schichtladesysteme mit autarken
Schichtladespeichern wäre es wünschenswert, auf eine Doppeleinstellung oder auf eine
Datenverbindung zwischen Durchlauferhitzer und dem Speicher-Steuergerät zu verzichten.
Das hätte zur Folge, dass dem Steuergerät keine Information darüber vorläge, welche
Warmwassertemperatur am Durchlauferhitzer eingestellt wurde.
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben eines autarken
Schichtladespeichers zu entwickeln, das es diesem ermöglicht, selbsttätig die an einem
Trinkwasserdurchlauferhitzer gewählten Temperaturvorgaben zu ermitteln und einen Beladungsprozess
zu steuern, sowie auch bei Ausfall der Spannungsversorgung aus dem öffentlichen Netz
einen Notbetrieb sicherzustellen.
[0010] Erfindungsgemäß wird dies mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 und mit einem Trinkwarmwassersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
[0011] Das Verfahren ist gekennzeichnet durch ein Speicher-Steuergerät, das aus den von
den Messfühlern erfassten Messsignalen selbsttätig einen am Trinkwasserdurchlauferhitzer
eingestellten Speicherwassertemperatur-Sollwert ermittelt und in einem Steuergeräte-internen
RAM-Datenspeicher abspeichert. Anhand dieses ermittelten Speicherwassertemperatur-Sollwertes
leitet es Vorgaben für das Ein- und Ausschalten der Warmwasserladepumpe ab, prüft
die Messsignaleingänge auf das Vorliegen der so vorgegebenen Bedingungen und schaltet
die Pumpe entsprechend ein und aus.
[0012] Im Auslieferungszustand oder nach Löschung ist der RAM-Datenspeicher leer, ein ermittelter
Speicherwassertemperatur-Sollwert liegt nicht vor. In diesem Fall leitet das Steuergerät
die Vorgabe für das Einschalten der Warmwasserladepumpe aus einem vorgebbaren Speicherwassertemperatur-Sollwert
und einem vorgebbaren zulässigen ersten Temperaturdifferenzwert ab, indem die Einschaltschwelle
dem vorgegebenen Sollwert, vermindert um den vorgegebenen zulässigen Temperaturdifferenzwert,
gleichgesetzt wird. Bei nicht leerem RAM-Datenspeicher leitet das Steuergerät die
Vorgabe für das Einschalten der Warmwasserladepumpe entsprechend aus dem ermittelten
und im RAM-Baustein abgespeicherten Speicherwassertemperatur-Sollwert und dem vorgebbaren
zulässigen ersten Temperaturdifferenzwert ab.
[0013] Die Vorgabe für das Ausschalten der Warmwasserladepumpe leitet das Steuergerät aus
dem ermittelten und im RAM-Baustein abgespeicherten Speicherwassertemperatur-Sollwert
ab, wobei die vorgegebene Bedingung für das Ausschalten der Warmwasserladepumpe dann
vorliegt, wenn das aktuell gemessene Speicherwassertemperatur-Messsignal größer oder
gleich dem Speicherwassertemperatur-Sollwert ist. Berücksichtigung finden bei diesem
Vergleich kann ein vorgebbarer zweiter Temperaturdifferenzwert, der größer, kleiner
oder gleich Null sein kann.
[0014] Der RAM-Datenspeicher des Steuergerätes ist ein Schreib-Lese-Speicher, der aufgrund
von im Steuergerät implementierten Vorgaben, zum Beispiel zeitlicher Art, oder auch
über eine Schnittstelle, zum Beispiel in Form einer manuellen Eingabe durch den Anlagenbesitzer
oder Installateur, gelöscht und/oder überschrieben werden kann. So ist gewährleistet,
dass das Steuergerät automatisch oder auf aktuellen Wunsch hin einen neuen Speicherwassertemperatur-Sollwert
ermittelt.
[0015] Die Ermittlung des Speicherwassertemperatur-Sollwertes im Steuergerät beruht auf
einer (arithmetischen) Mittelwertbildung aus Temperatureinzelmesswerten, die aus den
Messsignalen des Warmwassereintrittstemperatur-Messfühlers gebildet werden. Die Signale
an diesem Messfühler zeigen einen ansteigenden Verlauf, der mit der Leitungslänge
zwischen Durchlauferhitzer und Messfühler und deren thermischer Trägheit zusammenhängt.
Die Mittelwertbildung kann sich auf eine vorgebbare Anzahl von Temperatureinzelmesswerten
stützen, die anfangend mit dem Starten der Warmwasserladepumpe gebildet werden. Alternativ
kann die Bildung der vorgebbaren Anzahl von Temperatureinzelmesswerten auch erst nach
Ablauf einer vorgebbaren, mit dem Starten der Warmwasserladepumpe beginnenden Zeitdauer
anfangen und so die durch Leitungslänge und thermische Trägheit bedingte Totzeit zwischen
Pumpenstart und effektiver Temperaturerhöhung berücksichtigen.
[0016] Bei dem Mittelwert kann es sich auch um einen gleitenden Mittelwert handeln, der
auf der fortlaufenden Bildung einer vorgebbaren Anzahl von jeweils zuletzt erzeugten
Temperatureinzelmesswerten, mit dem Starten der Warmwasserladepumpe anfangend, beruht.
Die Gleichsetzung von Mittelwert und Speicherwassertemperatur-Sollwert geschieht bei
dieser Methode in dem Moment, wenn dieser gleitende Mittelwert höchstens um einen
vorgebbaren Betrag von einem Minimalwert und einem Maximalwert der zuletzt gebildeten
Temperatureinzelmesswerte abweicht. Auch in diesem Fall kann die Bildung der vorgebbaren
Anzahl von jeweils zuletzt gebildeten Temperatureinzelmesswerten erst nach Ablauf
einer vorgebbaren, mit dem Starten der Warmwasserladepumpe beginnenden Zeitdauer anfangen
und so die durch Leitungslänge und thermische Trägheit bedingte Totzeit zwischen Pumpenstart
und effektiver Temperaturerhöhung berücksichtigen. Damit wird sichergestellt, dass
die Mittelwertbildung anhand geeigneter, nämlich stabiler Temperatureinzelmesswerte
erfolgt und der so ermittelte Sollwert sehr nah an der tatsächlich vom Durchlauferhitzer
gelieferten Warmwassertemperatur liegt.
[0017] Die Erzeugung der Temperatureinzelmesswerte im Steuergerät aus den stetig anliegenden
Messsignalen des Warmwassereintrittstemperatur-Messfühlers kann zweckmäßigerweise
in einer vorgebbaren Frequenz erfolgen. Bei den verwendeten Messfühlern handelt es
sich beispielsweise um NTC-Widerstände.
[0018] Um auch bei Ausfall der Spannungsversorgung aus dem öffentlichen Netz einen Notbetrieb
sicherzustellen, ist grundsätzlich die Verwendung eines für den stromnetzunabhängigen
Betrieb geeigneten Trinkwasserdurchlauferhitzers in Kombination mit einem autarken
Schichtladespeicher empfehlenswert.
[0019] Das erfindungsgemäße Trinkwarmwassersystem ist gekennzeichnet durch ein in der Kaltwasseranschlussleitung
angeordnetes schaltbares Ventil, das sich bei funktionierender Spannungsversorgung
in einer ersten Ventilstellung befindet und den sich bei Warmwasserzapfung einstellenden
Kaltwasserzufluss in den Kaltwassereintritt des Schichtladespeichers lenkt. In einer
zweiten Ventilstellung, die für den Ausfall der Spannungsversorgung vorgesehen ist,
wird der Kaltwasserzufluss direkt in einen Kaltwassereintritt des Trinkwasserdurchlauferhitzers
gelenkt. Diese zweite Ventilstellung stellt sich entweder automatisch bei fehlender
Spannungsversorgung ein oder kann auch manuell angefahren werden. Die Trinkwarmwasserversorgung
basiert dann auf dem Durchlaufprinzip ohne Nachladung des Schichtenspeichers, da die
Warmwasserladepumpe nicht mehr betrieben werden kann. Schaltet das Ventil bei Stromausfall
sofort automatisch in die zweite Stellung, so wird die Trinkwarmwasserversorgung rein
nach dem Durchlaufprinzip aufrechterhalten. Ist eine manuelle Ventilbetätigung vorgesehen,
besteht die Möglichkeit, zunächst noch das im Schichtladespeicher vorhandene Warmwasser
zu nutzen, erst bei Versiegen des warmen Wassers das Ventil umzuschalten und Warmwasser
dann rein nach dem Durchlaufprinzip zu bereiten.
[0020] Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführung ist dann gegeben, wenn das schaltbare
Ventil in der zweiten Ventilstellung den Kaltwasserzufluss über eine Bypass-Leitung
an der Warmwasserladepumpe vorbei lenkt und somit den bei Durchströmung der stillstehenden
Pumpe auftretenden Druckverlust vermeidet, wobei eine Rückschlagklappe einen Kaltwasserrückfluss
durch die Warmwasserladepumpe in den Kaltwasseraustritt des Schichtladespeichers sperrt.
[0021] Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil eines optimierten Betriebs eines
autarken Schichtladespeichers, wobei das Speicher-Steuergerät selbsttätig die an einem
Trinkwasserdurchlauferhitzer gewählten Temperaturvorgaben ermittelt und den Beladungsprozess
steuert. Bei Ausfall der Spannungsversorgung aus dem öffentlichen Netz ist einen Notbetrieb
sichergestellt.
[0022] Die Zeichnung stellt in zwei Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigt
ein Trinkwarmwassersystem mit Trinkwasserdurchlauferhitzer 1 und Schichtladespeicher
2.
[0023] Figur 1 zeigt einen Schichtladespeicher 2, umfassend eine Kaltwasseranschlussleitung
3, einen Speicherbehälter 4 mit Kaltwassereintritt 5 und Kaltwasseraustritt 6 - hier
konstruktiv zusammengefasst, Warmwassereintritt 7 und Warmwasseraustritt 8, einen
Speicherwassertemperatur-Messfühler 9 zur Erfassung einer Speicherwassertemperatur,
einen Warmwassereintrittstemperatur-Messfühler 10 zur Erfassung einer Warmwassereintrittstemperatur,
eine Warmwasserladepumpe 11 zum Umwälzen von Speicherwasser, sowie ein Steuergerät
12 zur Auswertung der Messsignale der Messfühler 9, 10 und zum Einschalten und Ausschalten
der Warmwasserladepumpe 11. In der Kaltwasseranschlussleitung 3 ist ein als Umschaltventil
ausgebildetes schaltbares Ventil 13 angeordnet, das in verschiedenen Ventilstellungen
den Kaltwasserzufluss in den Kaltwassereintritt 5 des Schichtladespeichers 2 bzw.
in einen Kaltwassereintritt 14 des Trinkwasserdurchlauferhitzers 1 lenkt. Im letzteren
Fall strömt der Kaltwasserzufluss über eine Bypass-Leitung 15 an der Warmwasserladepumpe
11 vorbei. Eine der Warmwasserladepumpe 11 vorgeschaltete Rückschlagklappe 16 sperrt
einen Kaltwasserrückfluss durch die Warmwasserladepumpe 11.
[0024] Figur 2 unterscheidet sich von Figur 1 dadurch, dass hier Ventil 13 als im Kaltwassereintritt
5 angeordnetes Absperrventil 13 ausgebildet ist. Dieses Absperrventil 13 schließt
im stromlosen Zustand und lenkt den Kaltwasserzufluss in den Kaltwassereintritt 14
des Trinkwasserdurchlauferhitzers 1.
1. Verfahren zum Betreiben eines Schichtladespeichers (2) für Trinkwarmwasser, insbesondere
für Schichtladespeicher mit eigenem Steuergerät (12), zum hydraulischen Anschluss
an einen Trinkwasserdurchlauferhitzer (1), umfassend eine Kaltwasseranschlussleitung
(3), einen Speicherbehälter (4) mit Kaltwassereintritt (5), Kaltwasseraustritt (6),
Warmwassereintritt (7) und Warmwasseraustritt (8), einen Speicherwassertemperatur-Messfühler
(9) zur Erfassung einer Speicherwassertemperatur, einen Warmwassereintrittstemperatur-Messfühler
(10) zur Erfassung einer Warmwassereintrittstemperatur, eine Warmwasserladepumpe (11)
zum Umwälzen von Speicherwasser, sowie ein Steuergerät (12) zur Auswertung der Messsignale
der Messfühler (9, 10) und zum Einschalten und Ausschalten der Warmwasserladepumpe
(11),
dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (12) aus den von den Messfühlern (9, 10) erfassten Messsignalen selbsttätig
einen am Trinkwasserdurchlauferhitzer (1) eingestellten Speicherwassertemperatur-Sollwert
ermittelt und in einem Steuergeräte-internen RAM-Datenspeicher abspeichert, anhand
dieses ermittelten Speicherwassertemperatur-Sollwertes Vorgaben für das Ein- und Ausschalten
der Warmwasserladepumpe (11) ableitet, das Vorliegen der so vorgegebenen Bedingungen
für das Ein- und Ausschalten der Warmwasserladepumpe (11) feststellt und die Warmwasserladepumpe
(11) entsprechend ein- und ausschaltet.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (12) bei leerem RAM-Datenspeicher die Vorgabe für das Einschalten
der Warmwasserladepumpe (11) aus einem vorgebbaren Speicherwassertemperatur-Sollwert
und einem vorgebbaren zulässigen ersten Temperaturdifferenzwert ableitet.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (12) bei nicht leerem RAM-Datenspeicher die Vorgabe für das Einschalten
der Warmwasserladepumpe (11) aus dem ermittelten und im RAM-Baustein abgespeicherten
Speicherwassertemperatur-Sollwert und dem vorgebbaren zulässigen ersten Temperaturdifferenzwert
ableitet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (12) die Vorgabe für das Ausschalten der Warmwasserladepumpe (11)
aus dem ermittelten und im RAM-Baustein abgespeicherten Speicherwassertemperatur-Sollwert
ableitet, wobei die vorgegebene Bedingung für das Ausschalten der Warmwasserladepumpe
dann vorliegt, wenn das aktuell gemessene Speicherwassertemperatur-Messsignal größer
oder gleich der Summe aus dem Speicherwassertemperatur-Sollwert und einem vorgebbaren
zweiten Temperaturdifferenzwert ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der RAM-Datenspeicher ein Schreib-Lese-Speicher ist, der aufgrund von im Steuergerät
(12) implementierten Vorgaben oder auch über eine Schnittstelle gelöscht und/oder
überschrieben werden kann.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (12) aus den Messsignalen des Warmwassereintrittstemperatur-Messfühlers
(10) Temperatureinzelmesswerte bildet und den Speicherwassertemperatur-Sollwert gleich
einem arithmetischen Mittelwert der Temperatureinzelmesswerte setzt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung einer vorgebbaren Anzahl von Temperatureinzelmesswerten mit dem Starten
der Warmwasserladepumpe (11) anfängt.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung der vorgebbaren Anzahl von Temperatureinzelmesswerten nach Ablauf einer
vorgebbaren, mit dem Starten der Warmwasserladepumpe (11) beginnenden Zeitdauer anfängt.
9. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung von Temperatureinzelmesswerten, mit dem Starten der Warmwasserladepumpe
(11) anfangend, fortlaufend erfolgt, wobei der Speicherwassertemperatur-Sollwert einem
gleitenden Mittelwert einer vorgebbaren Anzahl von zuletzt gebildeten Temperatureinzelmesswerten
gleichgesetzt wird, wenn dieser gleitende Mittelwert höchstens um einen vorgebbaren
Betrag von einem Minimalwert und einem Maximalwert der zuletzt gebildeten Temperatureinzelmesswerte
abweicht.
10. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung von Temperatureinzelmesswerten, nach Ablauf einer vorgebbaren, mit dem
Starten der Warmwasserladepumpe (11) beginnenden Zeitdauer anfangend, fortlaufend
erfolgt, wobei der Speicherwassertemperatur-Sollwert einem gleitenden Mittelwert einer
vorgebbaren Anzahl von zuletzt gebildeten Temperatureinzelmesswerten gleichgesetzt
wird, wenn dieser gleitende Mittelwert höchstens um einen vorgebbaren Betrag von einem
Minimalwert und einem Maximalwert der zuletzt gebildeten Temperatureinzelmesswerte
abweicht.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (12) die Temperatureinzelmesswerte aus den Messsignalen des Warmwassereintrittstemperatur-Messfühlers
(10) in einer vorgebbaren Frequenz bildet.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Messfühler (9, 10) NTC-Widerstände sind.
13. Trinkwarmwassersystem, einschließend einen Trinkwasserdurchlauferhitzer (1) für den
stromnetzunabhängigen Betrieb sowie einen Schichtladespeicher (2), umfassend eine
Kaltwasseranschlussleitung (3), einen Speicherbehälter (4) mit Kaltwassereintritt
(5), Kaltwasseraustritt (6), Warmwassereintritt (7) und Warmwasseraustritt (8), einen
Speicherwassertemperatur-Messfühler (9) zur Erfassung einer Speicherwassertemperatur,
einen Warmwassereintrittstemperatur-Messfühler (10) zur Erfassung einer Warmwassereintrittstemperatur,
eine Warmwasserladepumpe (11) zum Umwälzen von Speicherwasser, sowie ein Steuergerät
(12) zur Auswertung der Messsignale der Messfühler (9, 10) und zum Einschalten und
Ausschalten der Warmwasserladepumpe (11),
gekennzeichnet durch ein in der Kaltwasseranschlussleitung (3) oder im Kaltwassereintritt (5) angeordnetes
schaltbares Ventil (13), das in einer ersten Ventilstellung den Kaltwasserzufluss
in den Kaltwassereintritt (5) des Schichtladespeichers (2) und in einer zweiten Ventilstellung
den Kaltwasserzufluss in einen Kaltwassereintritt (14) des Trinkwasserdurchlauferhitzers
(1) lenkt, wobei die zweite Ventilstellung für einen stromlosen Betriebszustand vorgesehen
ist und sich automatisch einstellt oder auch manuell angefahren wird.
14. Trinkwarmwassersystem nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass das schaltbare Ventil (13) in der zweiten Ventilstellung den Kaltwasserzufluss über
eine Bypass-Leitung (15) an der Warmwasserladepumpe (11) vorbei lenkt, wobei eine
der Warmwasserladepumpe (11) vorgeschaltete Rückschlagklappe (16) einen Kaltwasserrückfluss
durch die Warmwasserladepumpe (11) in den Kaltwasseraustritt (6) des Schichtladespeichers
(2) sperrt.