Verfahren zum Steuern einer Pumpe und eines Wärmeerzeugers in einem Heizungssystem

Abstract

 Verfahren zum Steuern einer Pumpe und eines Wärmeerzeugers in einem Heizungssystem, wobei die Pumpe ein vom Wärmeerzeuger erwärmtes Fluidum in einem Heizkreis umwälzt, der mit wenigstens einem zu heizenden Raum thermisch gekoppelt ist, wobei das Fluidum am Ausgang des Wärmeerzeugers eine Vorlauftemperatur und am Eingang des Wärmeerzeugers eine Rücklauftemperatur aufweist und dass bei Überschreiten einer Ausschalttemperaturschwelle der Wärmeerzeuger und die Pumpe zeitverzögert ausgeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe nach dem Ausschalten des Wärmeerzeugers während einer Nachlaufzeit eingeschaltet bleibt und dabei die Vorlauf- oder Rücklauftemperatur gemessen wird und dass in Abhängigkeit von der gemessenen Vorlauf- oder Rücklauftemperatur und einer für das Heizungssystem ermittelten Zeitkonstanten und eines Masses für die Raumtemperatur eine virtuelle Temperatur berechnet wird, die zur Steuerung der Pumpe verwendet wird und dass die Pumpe wieder eingeschaltet wird, wenn die virtuelle Temperatur eine definierte Einschalttemperaturschwelle unterschreitet.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Pumpe und eines Wärmeerzeugers in einem Heizungssystem, wobei die Pumpe ein vom Wärmeerzeuger erwärmtes Fluidum in einem Heizkreis umwälzt, der mit wenigstens einem zu heizenden Raum thermisch gekoppelt ist, wobei das Fluidum am Ausgang des Wärmeerzeugers eine Vorlauftemperatur und am Eingang des Wärmeerzeugers eine Rücklauftemperatur aufweist und dass bei Überschreiten einer Ausschalttemperaturschwelle der Wärmeerzeuger und die Pumpe zeitverzögert ausgeschaltet werden.

[0002] Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist z. B. in der EP 0 983 473 B1 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird die Pumpe zeitverzögert ausgeschaltet, wenn der Brenner nicht in Betrieb ist. Die Ausschaltzeit der Pumpe ist dabei von der Zeitdauer zwischen den letzten Brennereinschaltungen abhängig. Ein Nachteil des bekannten Verfahrens liegt darin, dass die Steuerung der Pumpe Temperaturänderungen im Heizkreis, beispielsweise infolge einer Vorlauftemperatursollwertänderung nicht berücksichtigt. Dadurch ist ein energieeffizienter Betrieb der Pumpe nur bedingt möglich ist.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Steuern einer Pumpe und eines Wärmeerzeugers in einem Heizungssystem vorzuschlagen, welches auch bei im Heizkreis auftretenden Temperaturänderungen einen energieeffizienten Betrieb der Pumpe ermöglicht.

[0004] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Pumpe nach dem Ausschalten des Wärmeerzeugers während einer Nachlaufzeit eingeschaltet bleibt und dabei die Vorlauf- oder Rücklauftemperatur gemessen wird und dass in Abhängigkeit von der gemessenen Vorlauf- oder Rücklauftemperatur und einer für das Heizverhalten des Heizungssystem ermittelten Zeitkonstanten und eines Masses für die Raumtemperatur eine virtuelle Temperatur berechnet wird, die zur Steuerung der Pumpe verwendet wird und dass die Pumpe wieder eingeschaltet wird, wenn die virtuelle Temperatur eine definierte Einschalttemperaturschwelle unterschreitet.

[0005] Damit eine richtige Messung der Vorlauf- bzw. Rücklauftemperatur gewährleistet ist, muss zum Messzeitpunkt eine minimale Menge des Fluidums, z. B. Wasser durch den Wärmeerzeuger strömen. Daher bleibt die Pumpe, welche für die Durchströmung des Wärmeerzeugers verantwortlich ist, nach dem Ausschalten des Wärmeerzeugers während einer Nachlauf zeit eingeschaltet. Die Pumpe wird so lange eingeschaltet bleiben, bis die Wärme aus dem Wärmeerzeuger abtransportiert ist. Dies ist in der Regel nach wenigen Minuten der Fall.

[0006] Wenn die Vorlauftemperatur auf den Wert der Rücklauftemperatur gesunken ist, wird die Rücklauftemperatur mit einer für das Heizungssystem ermittelten Zeitkonstanten auf die Raumtemperatur des Gebäudes abfallen. Vorzugsweise wird als Maß für die Raumtemperatur eine nach dem Ausschalten des Wärmeerzeugers gemessene Raumtemperatur oder ein Raumtemperatursollwert oder ein Ersatzwert verwendet.

[0007] Je nach Anzahl und Art der in Betrieb befindlichen Heizkreise (Verbraucher) kann es vorteilhaft sein, mehrere Zeitkonstanten zu verwenden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Heizungssystem, z. B. eine Fußbodenheizung mit einem trägen Heizverhalten und eine Radiatorheizung mit einem schnellen Heizverhalten aufweist, die gleichzeitig oder auch einzeln in Betrieb sein können.
In den genannten Fällen werden die Zeitkonstanten abhängig von den jeweils in Betrieb befindlichen Heizkreisen allein oder in Kombination mit entsprechender Gewichtung verwendet. Die Erfindung ermöglicht somit für alle Betriebssituationen einen energieeffizienten Betrieb der Pumpe unter Berücksichtigung des jeweiligen Heizverhaltens des Heizungssystems.

[0008] Vorzugsweise wird die Zeitkonstante bzw. werden die Zeitkonstanten des Heizungssystems bei jeder oder nach mehreren Pumpeneinschaltungen überprüft und entsprechend der zwischen der gemessenen Temperatur und der virtuellen Temperatur ermittelten Differenz korrigiert.

[0009] Bei dem Wiedereinschalten der Pumpe wird die Vorlauf- bzw. Rücklauftemperatur nach einer Testlaufzeit erneut gemessen und der Wärmeerzeuger wird eingeschaltet, wenn die gemessene Temperatur die Einschalttemperaturschwelle unterschreitet. Die Pumpe wird ausgeschaltet, wenn die gemessene Temperatur die Einschalttemperaturschwelle überschreitet und dann wird die virtuelle Temperatur mit der zuletzt gemessenen Temperatur neu berechnet. Die Pumpe wird wieder eingeschaltet, wenn die virtuelle Temperatur die Einschalttemperaturschwelle unterschreitet.

[0010] Im Ausführungsbeispiel wird die Erfindung vorzugsweise anhand einer berechneten virtuellen Vorlauftemperatur beschrieben. Anstelle der virtuellen Vorlauftemperatur kann aber genauso gut eine virtuelle Rücklauftemperatur berechnet und zur Steuerung der Pumpe verwendet werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn als Wärmeerzeuger eine Wärmepumpe verwendet wird.
Im Folgenden wird die Erfindung zum besseren Verständnis nur in Verbindung mit einem Heizungssystem beschrieben. Die Erfindung kann aber ebenso für Kühlsysteme eingesetzt werden, wobei anstelle des Wärmeerzeugers dann ein Kälteerzeuger, z. B. ein Kühlkompressor verwendet wird.

[0011] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 ein Heizungssystem mit einem Heizkreis;

Figur 2: ein Heizungssystem mit zwei Mischerheizkreisen;

Figur 3 ein Schaltdiagramm für die Pumpe und den Wärmeerzeuger mit der virtuellen Vorlauftemperatur und

Figur 4 einen Verlauf der berechneten virtuellen Temperatur bei verschiedenen Zeitkonstanten

[0012] Figur 1 zeigt schematisch ein Heizungssystem, mit einem Wärmeerzeuger 1, der ein Fluidum 2 erwärmt und einer am Eingang des Wärmeerzeugers befindlichen Pumpe 3, die das Fluidum 2 in einem Heizkreis 4 umwälzt, wobei das Fluidum 2 am Ausgang des Wärmeerzeugers 1 eine Vorlauftemperatur Tfl und am Eingang des Wärmeerzeugers 1 eine Rücklauftemperatur Trt aufweist.

[0013] Figur 2 zeigt schematisch ein Heizungssystem, wobei das vom Wärmeerzeuger 1 erwärmte Fluidum 2 von der am Eingang des Wärmeerzeugers befindlichen Pumpe 3 zu zwei Mischerheizkreisen 5 und 6 transportiert wird. Der Mischerheizkreis 5 weist eine Pumpe 7 und ein Stellglied 9 auf. Der Mischerheizkreis 6 weist eine Pumpe 8 und ein Stellglied 10 auf. Die Mischerheizkreise können verschieden oder auch gleich aufgebaut sein.

[0014] Figur 3 zeigt ein Schaltdiagramm für den Wärmeerzeuger HG und die am Eingang des Wärmeerzeugers befindliche Pumpe Pu. Im Schaltdiagramm sind die Pumpennachlaufzeit t_Po und die Testlaufzeit t_T dargestellt. Weiterhin ist der dazu entsprechende Verlauf der berechneten virtuellen Temperatur Tfl_model zusammen mit dem Vorlauftemperatur-Istwert Tfl_x, dem Vorlauftemperatursollwert Tfl_w, der Ausschalttemperaturschwelle des Wärmeerzeugers Tfl_w+SD_aus und der Einschalttemperaturschwelle Tfl_w+SD_ein des Wärmeerzeugers dargestellt.

[0015] Der Wärmeerzeuger wird beim Überschreiten der Ausschalttemperaturschwelle Tfl_w+SD_off ausgeschaltet. Die Pumpe bleibt noch für eine den Wärmeerzeuger typische, einstellbare Nachlaufzeit t_Po eingeschaltet. Beispielsweise kann die Nachlaufzeit zwischen 2-10 Minuten betragen. Während der Nachlaufzeit wird z. B. die Vorlauftemperatur Tfl_x gemessen.

[0016] Anschliessend wird die Pumpe ausgeschaltet und im Heizkreis ist keine Strömung mehr vorhanden.

[0017] Gemäss der Erfindung erfolgt die Steuerung der Pumpe ab dem Zeitpunkt t_Po mit einer berechneten virtuellen Vorlauftemperatur Tfl_model. Wenn die virtuelle Vorlauftemperatur Tfl_model die Einschalttemperaturschwelle Tfl_w+SD_ein unterschreitet wird die Pumpe eingeschaltet und nach einer Testlaufzeit t_T wird die Vorlauftemperatur gemessen und der dadurch erhaltene Vorlauftemperatur-Istwert Tfl_x wird dann zur Steuerung der Pumpe verwendet. Wenn der Vorlauftemperatur-Istwert Tfl_x unterhalb der berechneten virtuellen Temperatur Tfl_model liegt, wird der Wärmeerzeuger HG eingeschaltet.

[0018] Figur 4: zeigt den Verlauf der virtuellen Vorlauftemperatur Tfl_model ausgehend vom Zeitpunkt Trt_0, welcher z. B. der Rücklauftemperatur zum Startzeitpunkt der Berechnung entspricht bis zum Erreichen der Raumtemperatur TR_x. Die virtuelle Vorlauftemperatur ist für unterschiedliche Zeitkonstanten Tk1, Tk2 und Tk3 dargestellt. Die Zeitkonstanten Tk1, Tk2 und Tk3 betragen beispielsweise 30, 50 oder 70 Minuten und sind von der Art des Heizkreises abhängig.

Ansprüche

1. Verfahren zum Steuern einer Pumpe und eines Wärmeerzeugers in einem Heizungssystem, wobei die Pumpe ein vom Wärmeerzeuger erwärmtes Fluidum in einem Heizkreis umwälzt, der mit wenigstens einem zu heizenden Raum thermisch gekoppelt ist, wobei das Fluidum am Ausgang des Wärmeerzeugers eine Vorlauftemperatur und am Eingang des Wärmeerzeugers eine Rücklauftemperatur aufweist und dass bei Überschreiten einer Ausschalttemperaturschwelle der Wärmeerzeuger und die Pumpe zeitverzögert ausgeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe nach dem Ausschalten des Wärmeerzeugers während einer Nachlaufzeit eingeschaltet bleibt und dabei die Vorlauf- oder Rücklauftemperatur gemessen wird und dass in Abhängigkeit von der gemessenen Vorlauf- oder Rücklauftemperatur und einer für das Heizungssystem ermittelten Zeitkonstanten und eines Masses für die Raumtemperatur eine virtuelle Temperatur berechnet wird, die zur Steuerung der Pumpe verwendet wird und dass die Pumpe wieder eingeschaltet wird, wenn die virtuelle Temperatur eine definierte Einschalttemperaturschwelle unterschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Wieder- einschalten der Pumpe die Vorlauf- oder Rücklauftemperatur erneut gemessen wird und dass der Wärmeerzeuger eingeschaltet wird, wenn die gemessene Temperatur die Einschalttemperaturschwelle unterschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Vorlauf- oder Rücklauftemperatur nach einer Testlaufzeit erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe ausgeschaltet wird, wenn die gemessene Temperatur die Einschalttemperaturschwelle überschreitet und dass die virtuelle Temperatur mit der zuletzt gemessenen Temperatur neu berechnet wird und dass die Pumpe wiedereingeschaltet wird, wenn die virtuelle Temperatur die Einschalttemperaturschwelle unterschreitet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder oder nach mehreren Pumpeneinschaltungen die Zeitkonstante des Heizungssystems in Abhängigkeit von der zwischen der gemessenen Temperatur und der virtuellen Temperatur ermittelten Differenz korrigiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Raumtemperatur eine nach dem Ausschalten des Wärmeerzeugers gemessene Raumtemperatur oder ein Raumtemperatursollwert oder ein Ersatzwert verwendet wird.

Zeichnung