VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER KASKADENSCHALTUNG KÜHL- UND / ODER WÄRMETECHNISCHER ANLAGEN

Abstract

 Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Kaskadenschaltung mehrerer kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1), welche über jeweils eine Vorlaufleitung (3) sowie eine Rücklaufleitung (5) mit der Primärseite einer hydraulischen Weiche (2) oder einem Wärme- oder Kältespeicher verbunden sind, sowie einem Temperatursensor (10), welcher in der hydraulischen Weiche (2), dem Wärme- oder Kältespeicher oder bei einem Verbraucher angeordnet ist, wobei der Temperatursensor (10) mit einer Kaskadenregelung (11), welche wiederum mit den Regelungen der kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1) gekoppelt ist, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaskadenschaltung eingeschaltet wird, wenn die mittels des Temperatursensors (10) gemessene Temperatur einen vorgegebenen Sollwert bei wärmetechnischen Anlagen (1) unterschreitet oder bei kältetechnischen Anlagen (1) überschreitet und dann Zeiterfassung gestartet wird, ein Systemwärmeprodukt S aus der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der mittels des Temperatursensors (10) gemessenen Temperatur T_h und einer Solltemperatur T_soll sowie der Zeit t gebildet, wird in Abhängigkeit des Systemwärmeprodukts S die kühl- und / oder wärmetechnischen Anlagen (1) zu und abgeschaltet werden, wobei wenn das Systemwärmeprodukt S bestimmte Grenzwerte unterschreitet eine erste und weitere Anlagen (1) sukzessive zugeschaltet werden und beim Überschreiten bestimmter Grenzwerte die Anlagen sukzessive abgeschaltet werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Kaskadenschaltung kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen.

[0002] Kaskadenschaltungen werden zumeist verwendet, um eine hohe Heiz- oder Kühlgesamtleistung bereitstellen zu können und hierbei einen sehr großen Modulationsbereich zu ermöglichen. Auch werden Kaskaden eingesetzt, um beim Ausfall eines Einzelgeräts mittels der anderen Wärme- beziehungsweise Kältebedarf befriedigen zu können und Servicezeiten zu überbrücken.

[0003] Bei Kaskadenschaltungen von Heizgeräten werden in Abhängigkeit von einer Führungsgröße, zumeist eine Systemvorlauftemperatur, Heizgeräte bedarfsgerecht zu- und abgeschaltet. Hierbei können entweder Geräte nur mit einer konstanten Leistung ein- und ausgeschaltet werden oder die einzelnen Geräte modulierend betrieben werden, so dass bestimmte Kaskadenleistungen auf mehrere Arten erreicht werden können. So können beispielsweise viele Geräte mit Teillast anstelle weniger Geräte mit hoher beziehungsweise maximaler Last und andere ohne Last betrieben werden.

[0004] Werden Geräte zu- und abgeschaltet, so besteht vor allem bei nicht modulierenden Geräten das Problem, dass es zu Vorlauftemperaturschwankungen und gegebenenfalls zum Takten kommt. Bei fossil betriebenen Geräten führt Takten stets zu erhöhten Anfahremissionen. Nach einem Abschalten wird häufig eine Wiederanlaufsperre aktiviert. Hierbei besteht das Problem, dass in manchen Fällen die Wärmeanforderung nicht oder nur unvollständig mit Komforteinbußen befriedigt werden kann. Ein weiterer Vorteil von modulierenden Geräten besteht darin, dass diese im Teillastbereich in der Regel effizienter arbeiten.

[0005] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Kaskadenschaltung kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen zu beschreiben, das einen möglichst kontinuierlichen Betrieb ermöglicht.

[0006] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Regelung mittels eines Systemwärmeprodukts S, das sich aus der Temperaturabweichung und der Zeit seit Beginn der Wärmeanforderung ergibt, erfolgt.

[0007] Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.

[0008] Die Erfindung wird im Folgenden näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine Kaskadenschaltung mit 3 Wärmepumpen, einer hydraulischen Weiche und einem Verbraucherkreislauf,

Figur 2 beispielhaft den Verlauf des Systemwärmeprodukts S und der Heizleistung P über der Zeit t.

[0009] Figur 1 zeigt eine Kaskadenschaltung mit 3 Wärmepumpen 1, die jeweils über eine Umwälzpumpe 6 verfügen und über jeweils eine Vorlaufleitung 3 sowie eine Rücklaufleitung 5 mit der Primärseite einer hydraulischen Weiche 2 verbunden sind. In jeder Vorlaufleitung 3 der Wärmepumpen 1 befindet sich ein Rückschlagventil 4. Die hydraulische Weiche 2 ist auf ihrer Sekundärseite mit einem Heizkreislauf 7, in dem sich eine Heizkreisumwälzpumpe 9 und ein thermischer Verbraucher 8 befinden, verbunden. Bei dem thermischen Verbraucher kann es sich um einen Heizungskreislauf, einen thermischen Speicher und / oder eine Brauchwasserbereitung handeln. Ein thermischer Speicher ist nicht nur zur Bevorratung von Wärme, sondern auch zum Ausgleich von Schwankungen auf der Quellen- und Verbraucherseite vorteilhaft. Im Bereich der Eingänge der Vorlaufleitungen 3 in die hydraulische Weiche 2 ist in dieser ein Temperatursensor 10 angeordnet. Der Temperatursensor 10 ist mit einer Kaskadenregelung 11, welche wiederum mit den Regelungen der Wärmepumpen 1 gekoppelt ist, verbunden.

[0010] Beim Betrieb der Kaskadenschaltung wird die Temperatur T_h in der hydraulischen Weiche 2 mittels des Temperatursensors 10 gemessen und mit einem Sollwert T_soll verglichen. Ist der aktuelle Wert T_h kleiner als der Sollwert T_soll, so liegt eine Wärmeanforderung vor und die Kaskadenschaltung wird eingeschaltet, indem eine erste Wärmepumpe 1 zum Zeitpunkt t₀ eingeschaltet wird. Zugleich wird eine Temperaturdifferenz ΔT aus der aktuellen Temperatur T_h und dem Sollwert T_soll gebildet und die Zeit t ab dem Einschalten erfasst.

[0011] In der Regel sorgen eine Wärmeabnahme auf der Seite des Heizkreislaufs 7 sowie die thermische Trägheit des Systems dafür, dass die Temperatur T_h in der hydraulischen Weiche 2 nicht gleich wieder ansteigt. Nun wird das Systemwärmeprodukt S aus der Temperaturdifferenz ΔT und der Zeit t gebildet.

[0012] Der Verlauf des Systemwärmeprodukts S und die dazugehörige Kaskadenleistung P sind in Figur 2 über der Zeit dargestellt.

[0013] Die erste Wärmepumpe steigert zunächst kontinuierlich ihre Wärmeleistung bis zu einer konstanten Leistung. Unterschreitet das Systemwärmeprodukt S zu einem Zeitpunkt t₁ einen bestimmten Grenzwert S₁ (da ΔT kleiner null ist, ist auch das Systemwärmeprodukt S kleiner null), so wird die zweite Wärmepumpe 1 zugeschaltet und deren Wärmeleistung bis zu einer konstanten Leistung gesteigert, wobei die Zeit t sowie das Systemwärmeprodukt S weiterhin erfasst werden. Hierzu wird stetig die Temperatur T_h in der hydraulischen Weiche 2 erfasst und in der Berechnung berücksichtigt. Unterschreitet das Systemwärmeprodukt S im weiteren Verlauf zu einem weiteren Zeitpunkt t₂ einen weiteren bestimmten Grenzwert S₂, so wird die dritte Wärmepumpe 1 modulierend zugeschaltet und die Zeit t sowie das Systemwärmeprodukt S erfasst. Im vorliegenden Fall können keine weiteren Wärmepumpen mehr zugeschaltet werden; erfindungsgemäß können jedoch beliebig viele Wärmepumpen 1 zugeschaltet werden.

[0014] Übersteigt das Systemwärmeprodukt S einen Summenwert aus vorgenanntem Grenzwert S₂ und einer Hysterese Δh₁, so wird die dritte Wärmepumpe 1 wieder abgeschaltet (Zeitpunkt t₃). Übersteigt das Systemwärmeprodukt S weiterhin einen Wert aus vorgenanntem Grenzwert S₁ und einer Hysterese Δh₁, so wird auch die zweite Wärmepumpe 1 wieder abgeschaltet (Zeitpunkt t₄). Ist das Systemwärmeprodukt null, so ist der Wärmebedarf befriedigt. Um ein Takten zu vermeiden wird die Anlage noch weiter betrieben, bis zu einem Zeitpunkt t5 das Systemwärmeprodukt S den Wert einer Hysterese Δh₃ überschreitet. Die Kaskade wird dann abgeschaltet.

[0015] Kommt es zwischen dem Beginn des Kaskadenbetriebs und der Abschaltung zu Schwankungen, so können bedarfsgerecht Wärmepumpen 1 zu- und abgeschaltet werden. Um Sperrzeiten der Wärmepumpen 1 zu beachten und einen gleichmäßigen Verschleiß der Wärmepumpen 1 zu gewährleisten, kann die Reihenfolge der Wärmepumpen 1 verändert werden. Hierbei können optional die Betriebszeiten berücksichtigt werden. Hierbei kann eine Kesselumkehrfolge eingesetzt werden, welche regelmäßig die Laufzeiten der einzelnen Geräte auswertet und dann bei einem Zuschalten jeweils das Gerät mit der niedrigsten Laufzeit präferiert.

[0016] Die einzelnen Geräte können hierbei digital ein- beziehungsweise ausgeschaltet werden oder auch modulierend betrieben werden. Hierbei können die Geräte optional bis zu ihrer Maximallast betrieben werden bevor ein weiteres Gerät zugeschaltet wird oder die Geräte werden bis zu einer bestimmten Last, beispielsweise 70 % ihrer Maximallast, betrieben, ehe das nächst Gerät zugeschaltet wird. Befinden sich alle Geräte zusammen im Teillastbetrieb ohne den Wärmebedarf zu befriedigen, so wird deren Last erhöht bis maximal alle Geräte mit Maximallast betrieben werden. Analoges gilt für das Herunterfahren der Systemleistung.

[0017] Das Systemwärmeprodukt S besitzt vorzugsweise eine anlagenspezifische Untergrenze, die einem Betrieb aller Geräte mit Maximallast entspricht, da dann keine weitere Erhöhung der Anlagenleistung möglich ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass auch bei großen Schwankungen im Wärmebedarf das Systemwärmeprodukt S nicht zu weit absinkt, wodurch ein ordnungsgemäßes Abschalten der Kaskadenteilnehmer nicht gewährleistet wird. Der minimale Wert ist anlagenspezifisch und sollte den Wert für das Einschalten des letzten Kaskadenteilnehmers nicht wesentlich unterschreiten.

[0018] Optional werden die Betriebszeiten der einzelnen Geräte in der Kaskade erfasst und bei dem Einschalten derart berücksichtigt, dass alle Geräte möglichst gelichmäßig in Betrieb genommen werden, so dass alle Geräte möglichst gleichen Serviceintervallen unterliegen.

[0019] Erfindungsgemäß kann beim Systemwärmeprodukt S durch Umkehr der Temperaturdifferenz oder die Erfassung des Betrags ein positiver Wert als Steuergröße dienen. Beim beanspruchten Verfahren wird dann bei der Überschreitung eines bestimmten Wertes jeweils zugeschaltet und beim Unterschreiten abgeschaltet.

Bezugszeichenliste

[0020] 

1 Wärmepumpe

2 hydraulischen Weiche

3 Vorlaufleitung

4 Rückschlagventil

5 Rücklaufleitung

6 Umwälzpumpe

7 Heizkreislauf

9 Heizkreisumwälzpumpe

8 thermischer Verbraucher

10 Temperatursensor

11 Kaskadenregelung

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Kaskadenschaltung mehrerer kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1), welche über jeweils eine Vorlaufleitung (3) sowie eine Rücklaufleitung (5) mit der Primärseite einer hydraulischen Weiche (2) oder einem Wärme- oder Kältespeicher verbunden sind, sowie einem Temperatursensor (10), welcher in der hydraulischen Weiche (2), dem Wärme- oder Kältespeicher oder bei einem Verbraucher angeordnet ist, wobei der Temperatursensor (10) mit einer Kaskadenregelung (11), welche wiederum mit den Regelungen der kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1) gekoppelt ist, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaskadenschaltung eingeschaltet wird, wenn die mittels des Temperatursensors (10) gemessene Temperatur einen vorgegebenen Sollwert bei wärmetechnischen Anlagen (1) unterschreitet oder bei kältetechnischen Anlagen (1) überschreitet und dann Zeiterfassung gestartet wird,
ein Systemwärmeprodukt S aus der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der mittels des Temperatursensors (10) gemessenen Temperatur T_h und einer Solltemperatur T_soll sowie der Zeit t gebildet, wird
in Abhängigkeit des Systemwärmeprodukts S die kühl- und / oder wärmetechnischen Anlagen (1) zu und abgeschaltet werden, wobei
wenn das Systemwärmeprodukt S bestimmte Grenzwerte unterschreitet eine erste und weitere Anlagen (1) sukzessive zugeschaltet werden
und beim Überschreiten bestimmter Grenzwerte die Anlagen sukzessive abgeschaltet werden.

2. Verfahren zum Betreiben einer Kaskadenschaltung mehrerer kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzwerte zum sukzessive Zugeschalten weitere Anlagen (1) um eine vorgegebene Hysterese von den Grenzwerten zum sukzessive Abschalten derselben Anlagen (1) abweichen.

3. Verfahren zum Betrieben einer Kaskadenschaltung mehrerer kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagen (1) modulierend betrieben werden, wobei zunächst alle zugeschalteten Anlagen (1) zunächst erst bis zu einer vorgegebenen Teillast betrieben werden und erst wenn alle Anlagen (1) mit dieser Teillast betrieben werden die Last der Anlagen weiter gesteigert wird.

4. Verfahren zum Betrieben einer Kaskadenschaltung mehrerer kühl- und / oder wärmetechnischer Anlagen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschalten der Kaskade das Systemwärmeprodukt S auf null gesetzt wird.

Zeichnung