Verfahren zur Regelung einer Umwälzpumpe sowie Umwälzpumpe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Umwälzpumpe mit variabler Drehzahl in einer hydraulischen Anlage, insbesondere in einer Heizungsanlage, wobei die Pumpenregelung die Soll-Förderhöhe einstellt und die Drehzahl der Pumpe an passt, um die Soll-Förderhöhe zu erreichen.

Ältere Heizungs-Umwälzpumpen, insbesondere für Heizungsanlagen kleiner oder mitt lerer Leistung, sind oftmals ungeregelt. Die Pumpendrehzahl muss hier manuell auf die jeweilige Leistungsanforderung der Heizungsanlage eingestellt werden, wobei die Pumpe üblicherweise unterschiedliche Drehzahlstufen zur manuellen Auswahl bereit hält. Die passende Drehzahlstufe sollte so gewählt werden, dass auch in Zeiten auftre tender Leistungsspitzen ein ausreichender Förderstrom für die Raumbeheizung bereit gestellt wird. Da solche Leistungsspitzen meist unregelmäßig und nur kurzzeitig auftre- ten, läuft eine solche Pumpe überwiegend in einem energetisch ungünstigen Betrieb.

Moderne Umwälzpumpen sind mit Umrichter und Drehzahlregler ausgestattet, wodurch die Pumpen ihre Leistungsaufnahme durch Drehzahlanpassung reduzieren können. Die Anpassung der Drehzahl erfolgt anhand einer spezifischen Regelkurve. Während des Betriebs ermittelt die Pumpe per Sensorik oder Schätzalgorithmus den aktuellen För derstrom und die Ist-Förderhöhe und stellt die Drehzahl so ein, dass sich der Betriebs punkt nur entlang der verwendeten Regelkurve verschiebt. Die Art der Regelkurve defi niert also die zu Grunde gelegte Regelstrategie. Beispielsweise wird bei einer Konstant- druckregelung die Drehzahl unabhängig vom Förderstrom stets auf eine konstante För derhöhe geregelt. Abweichend davon wird bei einer Proportionaldruckregelung die För derhöhe entlang einer linear ansteigenden Geraden geregelt, d.h. die Soll-Förderhöhe verhält sich proportional zum Ist-Förderstrom.

Die vorliegende Anmeldung fokussiert sich auf eine solche Proportionaldruckregelung und sucht nach Optimierungsmöglichkeiten, um die resultierende Leistungsaufnahme der Pumpe weiter reduzieren zu können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen An sprüche.

Erfindungsgemäß wird für das gattungsgemäße Verfahren zur Regelung einer Umwälz pumpe vorgeschlagen, die Dynamik der Drehzahlanpassung anzupassen. Mit der Dy namik der Drehzahlanpassung bzw. Drehzahlregelung ist hiermit die Geschwindigkeit einer solchen Drehzahlanpassung gemeint, um die Pumpe von der Ist-Förderhöhe auf die durch die Regelkurve vorgegebene Soll-Förderhöhe zu bringen. Die Dynamik der Drehzahlregelung soll erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Ist- und Soll-Förderhöhe variiert werden und zwar abhängig davon, ob die Soll-Förderhöhe größer oder kleiner der aktuellen Ist-Förderhöhe ist.

Die Pumpenregelung kann auf Grundlage einer Konstantdruckregelung oder einer Pro portionaldruckregelug arbeiten. Alternativ kann die Pumpenregelung auch den von der Anmelderin entwickelten Eco-Mode einsetzen. Das Verfahren ist jedoch auch für tem peraturgeregelte Pumpen einsetzbar.

Bei der angewendeten Pumpenregelung zur Einstellung der Soll-Förderhöhe wird die Drehzahl des Pumpenantriebs nicht sprungartig verstellt, sondern kontinuierlich erhöht oder reduziert. Die Dynamik der Drehzahlregelung entspricht daher der Drehzahlände rungsrate. Erfindungswesentlich ist daher, dass die Drehzahländerungsrate für den Fall, dass die Ist-Förderhöhe Hist kleiner als H _SO II ist, abweicht von der Drehzahländerungs rate im Fall Hist größer H _S oii. Durch eine solche Dynamisierung der Drehzahländerungs rate für die beiden Regelungsfälle lässt sich die mittlere Leistungsaufnahme der Um wälzpumpe verringern.

Idealerweise wird für den Fall, dass die Soll-Förderhöhe H _SO II kleiner ist als die aktuelle Ist-Förderhöhe His _t eine höhere Drehzahländerungsrate gewählt als wenn die erforderli che Soll-Förderhöhe H _SO II größer ist als die aktuelle Ist-Förderhöhe Hist. Demzufolge wird die Drehzahl bei einer notwendigen Reduzierung schneller geändert als bei einer not wendigen Anhebung der Drehzahl. Durch die vergleichsweise schnelle Verringerung der Pumpendrehzahl kann im Mittel eine geringere Leistungsaufnahme der Pumpe er zielt werden. Demgegenüber wird bei einer Erhöhung der Ist-Förderhöhe und dadurch notwendigen Anhebung der Drehzahl eine vergleichsweise langsamere Drehzahlanpas sung gefahren, wodurch die gewünschte Soll-Förderhöhe erst mit gewisser Verzöge rung erreicht wird. Durch diese Verzögerung kann es zwar kurzfristig zu einer Unterver sorgung der zu beheizenden Räume kommen, aufgrund der thermischen Trägheit ist dies für die Rauminsassen jedoch kaum spürbar.

Gemäß bevorzugter Ausführung der Erfindung erfolgt die Drehzahlerhöhung bzw. -Ver ringerung gemäß einer definierbaren zeitabhängigen Drehzahlrampe bis die erforderli che Soll-Förderhöhe erreicht ist. Eine solche Drehzahlregelung entspricht daher in steu erungstechnischer Hinsicht einem Verzögerungsglied erster Ordnung und die Drehzahl rampe verhält sich daher wie ein Tiefpassfilter erster Ordnung. Durch Anpassung der Zeitkonstante kann daher die Steilheit der Rampe und damit die Geschwindigkeit der Drehzahländerung, sprich die Drehzahländerungsrate variiert werden.

Die herangezogenen Drehzahlrampen für die vorgenannte Fallunterscheidung H _S oii<Hi _St oder Hsoii>His _t unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Steigung bzw. hinsichtlich ihrer Zeit konstante. Bevorzugt wird also für den ersten Fall (H _S oii<Hi _St) eine sehr steile Drehzahl rampe eingestellt, d. h. die Rampe für H _S oii<Hi _St zeichnet sich durch eine niedrigere Zeit- konstante aus als die zweite Drehzahlrampe, wodurch es zu einer raschen Drehzahlän derung der Pumpe kommt und die Sollförderhöhe deutlich schneller erreicht wird. Die mittlere Leistungsaufnahme der Pumpe wird dadurch reduziert.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann in der Pumpenrege lung eine erste und zweite Drehzahlrampe hinterlegt sein. Der Pumpenregler schätzt o- der erfasst den aktuellen Förderstrom und die aktuelle Förderhöhe und vergleicht letz tere mit der gemäß der Proportionaldruckkennlinie definierten Soll-Förderhöhe. Liegt die aktuelle Ist-Förderhöhe über der Soll-Förderhöhe, wird für die Einstellung der Soll-För derhöhe eine notwendige Drehzahländerung gemäß der ersten Drehzahlrampe ausge führt. Im umgekehrten Fall bei H _S oii>Hi _S t wird hingegen die zweite Drehzahlrampe für die Drehzahländerung verwendet.

Wie bereits vorstehend erläutert wurde, kann bei einer Erhöhung der Ist-Förderhöhe und einer dadurch notwendigen Anhebung der Drehzahl eine vergleichsweise langsa mere Drehzahlanpassung erfolgen, wodurch die gewünschte Soll-Förderhöhe erst mit gewisser Verzögerung erreicht wird. Durch die verzögerte Drehzahlanhebung wird eine notwendige Voraussetzung für eine Überwachung der Heizungsanlage auf mögliche Über- oder Unterversorgung geschaffen, denn durch die verzögerte Drehzahlanhebung ist sichergestellt, dass die Reaktionszeit der Thermostatventile im Vergleich zur Pum penregelung schneller ist.

Dies ermöglicht zunächst die vorteilhafte Überwachung des Förderstroms während der Drehzahlregelung. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass die Pumpe während der Drehzahlanpassung, insbesondere während einer Erhöhung der Drehzahl aufgrund Hsoii>Hist den Förderstrom laufend überwacht. Dabei kann gemäß vorteilhafter Ausfüh rungsform des Verfahrens vorgesehen sein, dass bei einem nahezu konstant bleiben den Förderstrom während der Drehzahlregelung die gefahrene Drehzahländerungsrate weiter abgesenkt wird, insbesondere bis zu einem minimalen Wert, der nur knapp grö ßer null ist. Vorstellbar ist es beispielsweise, dass neben der hier eingesetzten zweiten Drehzahl rampe noch eine dritte minimale Drehzahlrampe verfügbar ist, auf die bei einer entspre chenden Drehzahlregelung gemäß zweiter Drehzahlrampe umgeschaltet wird, sofern der Ist-Förderstrom auf einem nahezu konstanten Level verbleibt. Bleibt nämlich der Förderstrom trotz Erhöhung der Drehzahl der Pumpe konstant, ist davon auszugehen, dass die verbauten Thermostatventile im Heizkreislauf gleichzeitig schließen, um eine Überversorgung der Räume zu vermeiden. In einem solchen Fall ist es energetisch sinnvoll, auch die Drehzahlerhöhungsrate auf ein Minimum zu reduzieren, d.h. die Dreh zahl wird nur noch mit einer minimalen, sehr flachen Drehzahlrampe erhöht. Sinnvoller weise wird währenddessen weiterhin der Förderstrom überwacht, um eine ausrei chende Versorgung der zu beheizenden Räume zu prüfen. Tritt bspw. eine Änderung des Förderstroms, d.h. eine Erhöhung des Förderstroms auf, ist dies ein Indiz für das Öffnen der Heizungsventile, so dass auch die Drehzahlregelung von der minimalen Än derungsrate bzw. minimalen Drehzahlrampe zurück auf die ursprüngliche Änderungs rate, d.h. die zweite Drehzahlrampe umgeschaltet werden sollte.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine Umwälzpumpe, insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe, mit einer Pumpenre gelung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung bzw. einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung. Die Umwälzpumpe zeichnet sich demzufolge durch dieselben Vorteile und Eigenschaften wie das erfindungsgemäße Verfahren aus, weshalb an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet werden soll.

Neben der Umwälzpumpe betrifft die vorliegende Erfindung ebenso eine Heizungsan lage mit einer erfindungsgemäßen Umwälzpumpe. Auch diesbezüglich ergeben sich dieselben Vorteile und Eigenschaften.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen: Figur 1 : ein Beispieldiagramm zur Verdeutlichung des Verhaltens eines Tiefpassfil ters und

Figur 2: eine Funktionsskizze zur Prinzipbeschreibung des erfindungsgemäßen

Verfahrens mit adaptiver Rampe

Die Erfindung soll nachfolgend anhand einer Fleizungsumwälzpumpe beschrieben wer den, die innerhalb eines Fleizkreislaufs mit Fleizkessel und ein oder mehreren Heizkör- pern zum Einsatz kommt. Die Fleizkörper sind mit Thermostatventilen ausgestattet, die den Durchfluss durch die Fleizkörper in Abhängigkeit der Raumtemperatur steuern.

Die Fleizungsumwälzpumpe umfasst einen Umrichter mit Drehzahlregelung, die nach einer Proportionaldruck-Regelkurve arbeitet und die Soll-Förderhöhe proportional zum Ist-Förderstrom einstellt. Das Verfahren ist jedoch auch dann einsetzbar, wenn die Pumpenregelung eine alternative Regelstrategie verfolgt, der Einfachheit halber wird das Verfahren nachfolgend jedoch mit Bezug zu einer Proportionaldruck-Regelkurve er läutert. Um die Sollförderhöhe zu erreichen, steigert oder verringert die Pumpenrege lung die Drehzahl des Pumpenantriebs unter Berücksichtigung einer einstellbaren Dreh zahlrampe, bis die Soll-Förderhöhe erreicht wird. Eine solche Drehzahlrampe verhält sich in funktionaler FH insicht wie ein Tiefpass-Filter erster Ordnung mit einstellbaren Zeit konstanten.

Exemplarisch ist in Figur 1 das zeitliche Verhalten eines bekannten Tiefpasses erster Ordnung gezeigt. Die Figur 1 zeigt einen Sollwertsprung 1 sowie die zugehörige Sprungantwort 3 des Systems. Der Schnittpunkt zwischen der Tangente 2 der

Sprungantwort 3 mit dem Endwert ist die Zeitkonstante T. Nach einer Faustregel er reicht die Sprungantwort ihren Endwert nach einer Dauer der sechsfachen Zeitkon stante T.

Um Energie einzusparen, werden zwei Drehzahlrampen verwendet. Ist die Sollförder höhe FHSOM kleiner als die Ist-Förderhöhe Hist, dann sinkt die Drehzahl ab. In diesem Fall wird eine steile Drehzahlrampe (niedrige Zeitkonstante) eingestellt, damit die Drehzahl schnell abfällt und die Leistungsaufnahme der Pumpe reduziert wird. Wenn die Sollför derhöhe Hsoii über der Ist-Förderhöhe Hist liegt, wird stattdessen eine sehr langsame Drehzahlrampe (hohe Zeitkonstante) verwendet, sodass die Drehzahl nur langsam an steigt und die Ist-Förderhöhe His _t erst verzögert erreicht wird. In diesem Fall kann es durch die Verzögerung kurzzeitig zu einer Unterversorgung des zu beheizenden Rau mes kommen, was aufgrund der üblichen thermischen Trägheit des Raumes aber nicht von den Rauminsassen spürbar ist. Die Pumpe allerdings hat ihre mittlere Leistungsauf nahme reduziert.

Neben der reduzierten Leistungsaufnahme lässt sich mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren zudem feststellen, ob der Raum tatsächlich eine Unterversorgung erfahren hat oder ob gegebenenfalls eine Förderhöhe kleiner der Soll-Förderhöhe für die Wär meversorgung der Räume ausreichend ist. Hierfür ist es notwendig, dass die Regelung der Pumpe langsamer ist als die Reaktion der Thermostatventile der Heizkörper. Die Er fahrung hat gezeigt, dass die Thermostatventile der Heizkörper sehr schnell auf eine Drehzahländerung reagieren. Wenn die Drehzahl der Pumpe sehr langsam steigt, so schließen sich die Ventile (bei ausreichender Wärmeversorgung des Raumes) im Ver hältnis dazu schneller und gleichen eine Überversorgung des Raumes aus. Der Förder strom bleibt in einem solchen Fall trotz steigender Drehzahl der Umwälzpumpe kon stant.

Die Pumpe überwacht fortlaufend während dem Abfahren der Drehzahlrampe ihren För derstrom. Erkennt die Pumpe in diesem Fall einen konstant bleibenden Förderstrom, so kann die Pumpe den Drehzahlanstieg stoppen, ohne dass der Raum einen Temperatur abfall erfährt. Um fortan zu prüfen, ob der Raum noch ausreichend versorgt bleibt, kann die Pumpe die Drehzahl weiter mit minimaler Drehzahlrampe (nur knapp über null) er höhen und eine Änderung des Förderstroms prüfen. Dadurch wird permanent über wacht, ob eine Unterversorgung auftritt. Dieses Prinzip ist in Figur 2 verdeutlicht.