Mehrpumpenanlage und Verfahren zu deren Betrieb

Die Erfindung betrifft eine Mehrpumpenanlage und ein Verfahren zu deren Betrieb.

Mehrpumpenanlagen werden unter anderem in Heizungskreisläufen eingesetzt, um zu Spitzenzeiten den Bedarf an Heizungswasser zu decken. Es ist möglich, verschiedene hydraulische Arbeitspunkte mit einer unterschiedlichen Anzahl an Pumpen anzufahren. Je nach Anzahl der laufenden Pumpen stellt sich eine elektrisch aufgenommene Gesamtleistung ein. Um den Gesamtwirkungsgrad der Anlage zu optimieren, muss die Anlage für einen Arbeitspunkt immer die Anzahl der laufenden Pumpen so auswählen, dass die hydraulische Leistung, welche durch den Arbeitspunkt gegeben ist, mit der geringsten elektrischen Leistung erzeugt wird.

Mehrpumpenanlagen werden beispielsweise eingesetzt, wenn der Verbraucher einen stark schwankenden Druckbedarf aufweist. Während der Druckbedarf niedrig ist, wird nur eine Pumpe betrieben. Steigt der Bedarf an, wird eine weitere Pumpe zugeschaltet. Der optimale Zu- bzw. Abschaltzeitpunkt wird in Abhängigkeit des Durchflusses (Q) und der Förderhöhe (H) nach einem wirkungsgradorientierten Verfahren ermittelt. Falls die Pumpe über keinen Q- bzw. H-Sensor verfügt, werden Q und H über Betriebspunktschätzungen ermittelt. Dabei können anhand von Pumpenkennlinien Q und H aus der momentanen Drehzahl (n) sowie der Wellenleistung (P) geschätzt werden. In der EP 0 864 755 B2 wird ein Verfahren zum Betrieb einer Doppelpumpe beschrie- ben, bei dem im Doppelbetrieb beide Pumpen mit einer synchronen Drehzahl laufen.

Die EP 1 323 986 B1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern einer drehzahlregelbaren Heizungsumwälzpumpe. Die Drehzahl der Pumpe ist längs einer Regelkurve veränder bar. Die Regelkurve wird in Abhängigkeit des Wärmebedarfs der Heizungsanlage angepasst. Als Maß für den Wärmebedarf wird der Rohrnetzwiderstand der Heizungsan lage herangezogen. Die Pumpe wird zur Ermittlung einer flachen und einer steilen Rohrnetzkennlinie nacheinander mit mindestens zwei unterschiedlichen Drehzahlen angesteuert. Die Regelkurve wird anhand dieser ermittelten Rohrnetzkennlinien festgelegt.

In der EP 2 469 094 A2 wird ein Verfahren zum Betrieb eines Pumpenaggregats be schrieben. Das Pumpenaggregat umfasst eine Grundlastpumpe und eine Spitzenlast- pumpe. Die Spitzenlastpumpe wird bedarfsweise zugeschaltet. Dabei wird das Pumpenaggregat auf einer vorgegebenen Regelkennlinie gefahren. In Abhängigkeit eines oberen und eines unteren Grenzwertes wird das Pumpenaggregat entweder mit zwei oder einer Pumpe betrieben. Durch die DE 27 56 916 ist eine Anordnung mit fünf parallel geschalteten Kreiselpumpen zur mengenvariablen Förderung von Flüssigkeiten in Rohrleitungssystemen bekannt, wobei auf der Druckseite der Pumpenanordnung ein Drucksensor zur Erfassung des Förderdruckes angeordnet ist. Ein Mikroprozessorsystem regelt in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors durch Beeinflussung der Drehzahl von einer als Re- gelpumpe verwendeten, drehzahlvariablen Kreiselpumpe den Förderdruck der Pum penanordnung.

Die DE 198 42 565 B4 betrifft eine Pumpenanordnung zur Druckregelung mit mindestens zwei parallel geschalteten Kreiselpumpen zur mengenvariablen Förderung von Flüssigkeiten in Rohrleitungssystemen. Auf der Druckseite der Pumpenanordnung ist ein Drucksensor zur Erfassung des Förderdruckes angeordnet. Ein Mikro- prozessorsystem regelt in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors durch Beeinflus- sung der Drehzahl von mindestens einer als Regelpumpe verwendeten, drehzahlvariab- len Kreiselpumpe den Förderdruck der Pumpenanordnung. Bei einem Aktivierungsoder Deaktivierungsvorgang ermittelt das Mikroprozessorsystem den Zeitverlauf der von ihm gebildeten Stellgröße eines Drehzahlsollwertes aller aktiven drehzahlvariablen Regelpumpen und des daraus resultierenden und mit Hilfe eines Drucksensors erfassten Zeitverlaufes des Förderdrucks. Das Mikroprozessorsystem errechnet aus den Zeitverläufen von Stellgröße und Regelgröße Kenngrößen für das regelungstechnische Verhalten der Regelstrecke. In der Praxis ist bekannt, dass nach dem Zu- bzw. Abschaltvorgang (im Folgenden Umschaltvorgang genannt) der geschätzte Förderstrom von dem vor dem Umschaltvorgang teilweise abweicht, ohne dass sich der Bedarf geändert hat. Dies kann zwei Ursachen haben. Zum Einen kann sich aufgrund der Umschaltung das Systemverhalten ge- ändert haben, sodass sich tatsächlich ein anderes Q eingestellt hat. Zum Anderen ist es möglich, dass sich das Q nicht geändert hat sondern dass der Schätzalgorithmus des Zweipumpenbetriebs von dem des Einpumpenbetriebs aufgrund von Toleranzen in den Kennlinien abweicht. Tritt der letztgenannte Fall ein, so kann es passieren, dass das neue geschätzte Q nach dem Umschaltvorgang bewirkt, dass die neu zugeschaltete Pumpe sofort wieder abgeschaltet wird und sich eine Situation des permanenten Zu- und Abschaltens (Flattern) einstellt.

Um diesem permanenten Flattern zu begegnen, wird häufig eine Hysterese um den Umschaltpunkt (QHysterese) eingeführt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mehrpumpenanlage möglichst energieeffizient zu betreiben. Das Verfahren soll eine möglichst lange Lebensdauer der Pumpen gewährleisten. Zudem soll sich das Verfahren möglichst einfach in bestehenden Anlagen inte grieren lassen. Weiterhin soll das Verfahren sich an geänderte Betriebsbedingungen anpassen. Weiterhin sollen Geräuschentwicklungen reduziert werden. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und einer Anlage mit dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Bei dem Verfahren werden Pumpen in Abhängigkeit eines Schaltpunktes zu -bzw. abgeschaltet. Um den Schaltpunkt werden Schaltschwellen vorgegeben, die im Folgenden auch als„Hysteresegrenzen“ bezeichnet werden. Es erfolgt eine Ermittlung der Häufigkeit an Schaltvorgängen innerhalb eines Zeitintervalls. Erfindungsgemäß werden die Schaltschwellen in Abhängigkeit der Häufigkeit der Schaltvorgänge verändert

Durch diese Optimierung der Schaltschwellen wird sowohl verhindert, dass zu enge Schaltschwellen eingestellt werden, die zu einem Flattern führen, als auch zu weite Schaltschwellen, welche die Energieeffizienz verschlechtern. Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung findet zunächst ein lernender Betrieb statt, bei dem die Schaltschwellen variiert werden. Die optimalen Schaltschwel len (QHysterese) werden in dieser ersten Phase gelernt und stetig optimiert. Zu Beginn des Verfahrens ist QHysterese zunächst sehr klein. Jedes Mal, wenn Flattern auftritt, werden die Schaltschwellen (QHysterese) erhöht. Sobald die Schaltschwellen ausreichend groß sind, tritt kein Flattern mehr auf. Dann ist auch keine weitere Anhebung von QHysterese, erforderlich.

Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung werden die Schaltschwellen in einem stabilen Betrieb stetig bis zu einem gewissen Punkt abgesenkt. Dadurch kann auf Situa- tionen reagiert werden, in denen ein Verbraucher sein Verhalten mehrfach in kurzen Zyklen ändert. Dieses zyklische Verbraucherverhalten könnte von der Steuerung als Flattern missinterpretiert werden, wodurch QHysterese fälschlicherweise erhöht würde. Um derartige Fehlentscheidungen zu korrigieren, wird das Verfahren um diese Funktion erweitert, bei der im stabilen Betrieb QHysterese stetig mit konstanter Geschwindigkeit ab- gesenkt wird, bis es eine festzulegende minimale Hysteresegrenze erreicht.

Vorzugsweise werden bei dem Verfahren bei einer Anzahl von n Pumpen insgesamt (n-1) obere Schaltschwellen und/oder (n-1) untere Schaltschwellen in einem lernenden Betrieb ermittelt.

Als besonders günstig erweist es sich, wenn eine Auswahl an zugeschalteten Pumpen aufgrund einer möglichst geringen Gesamtleistungsaufnahme erfolgt. Dazu kann zunächst die Leistungsaufnahme einer ersten Anzahl an Pumpen ermittelt werden. In einem nächsten Schritt wird die Anzahl der zugeschalteten Pumpen verändert und die Gesamtleistungsaufnahme dieser neuen Anzahl an Pumpen ermittelt. Dieser Vorgang wird mit unterschiedlichen Anzahlen an Pumpen wiederholt, so dass alle Möglichkeiten abgedeckt werden, also von einem Betrieb mit nur einer Pumpe bis im Bedarfsfall zu einem Betrieb mit der maximal möglichen Anzahl an Pumpen, die in der Anlage instal liert sind. Durch einen Vergleich der Leistungsaufnahmen wird die Anzahl an Pumpen mit der geringeren Gesamtleistungsaufnahme ausgewählt. Von einer Einheit zur Steuer- und/oder Regelung wird die Anzahl an Pumpen ermittelt, bei der der Gesamtwirkungsgrad am höchsten ist und die geringste elektrische Gesamt- leistung benötigt wird. Wird bei der neuen Anzahl an Pumpen eine geringere elektrische Energie benötigt, so wird diese Anzahl beibehalten. Wird mehr Energie benötigt, dann schaltet die Einheit die Anlage auf die vorherige Anzahl an Pumpen zurück. Die Einheit speichert die Pumpenanzahl, bei der die Anlage am energieeffizientesten betrieben wird. Dadurch ist die Einheit in der Lage, jede Mehrpumpenanlage bezüglich ihrer Energieeffizienz zu optimieren.

Vorzugsweise werden bei der Anlage baugleiche Pumpen eingesetzt, die mit bauglei- chen Motoren betrieben werden. Als günstig erweist es sich zudem, baugleiche Fre- quenzumrichter einzusetzen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.

Dabei zeigt Figur 1 eine Anlage mit mehreren Pumpen

Figur 2 Q-H Kennlinien in Ein- und Zweipumpenbetrieb, Figur 3 Änderungen von Qriysterese während unterschiedlicher Phasen.

Fig. 1 zeigt eine Anlage mit mehreren Pumpen, beispielsweise eine Mehrpumpenanla ge, die mehrere parallel geschaltete Pumpen 1 umfasst. Im Ausführungsbeispiel werden dabei Kreiselpumpen eingesetzt. Jede Pumpe 1 wird von einem Motor 2 angetrie- ben, der mit einem Frequenzumrichter 3 in Verbindung steht. Im Ausführungsbeispiel sind alle Pumpen 1 baugleich. Auch werden baugleiche Motoren und baugleiche Fre- quenzumrichter 3 eingesetzt.

Die Mehrpumpenanlage verfügt über einen Hauptschalter 4. Eine Einheit 5 erfasst die Signale von Sensoren 6 der Anlage. Weiterhin steht die Einheit 5 mit Aktoren der Anla ge in Verbindung. Bei der Einheit 5 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um eine Au- tomatisierungseinheit. Diese kann als Steuer- und/oder Regeleinrichtung ausgeführt sein. Die Einheit 5 ist dazu eingerichtet eine unterschiedliche Anzahl an Pumpen 1 zu- bzw. abzuschalten. Mittels der Frequenzumrichter 3 erfasst die Einheit 5 die elektrische Leistung der jeweiligen Pumpe 1. Je nach Anzahl der laufenden Pumpen 1 stellt sich eine elektrisch aufgenommene Gesamtleistung des Systems ein. Vorzugsweise wird vor dem Einsatz der Pumpe, beispielsweise anhand von Prototypen beim Hersteller, die Gesamtleistungsaufnahme ermittelt, um den optimalen Umschaltpunkt zu bestimmen, zunächst für eine erste Anzahl an Pumpen 1. Es wird die Anzahl der zugeschalteten Pumpen 1 verändert und die Gesamtleistungsaufnahme der neuen Anzahl an Pumpen ermittelt. Es wird der Betriebspunkt bei der neuen Anzahl an Pum- pen 1 an den Betriebspunkt mit der vorherigen Anzahl an Pumpen 1 angepasst, um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Dazu werden die Drehzahlen der Pumpen 1 geändert. Vorzugsweise werden die Drehzahlen der Pumpen 1 anhand des Drucks oder Diffe- renzdrucks als konstant zu haltender Führungsgröße geregelt. Der Durchfluss bzw. der Druck oder Differenzdruck kann sensorlos geschätzt werden oder von Sensoren 6 ge- messen werden. Werden Pumpen 1 zugeschaltet, so senkt die Einheit 5 die Drehzahl der Pumpen 1 so weit ab, dass der gleiche Druck oder Differenzdruck wie bei der vorherigen Anzahl an Pumpen 1 erreicht wird. Die Drehzahlen der Pumpen 1 werden mittels der Frequenzumrichter 3 eingestellt. Die Einheit 5 vergleicht die Gesamtleistungsaufnahme der neuen Anzahl an Pumpen 1 mit der Gesamtleistungsaufnahme der vorherigen Anzahl an Pumpen 1. Die Einheit 5 verfügt dazu über einen elektronischen Datenspeicher, in dem die Gesamtleistungsaufnahmen der unterschiedlichen Anzahl an Pumpen 1 hinterlegt werden, vorzugsweise vor dem Einsatz der Pumpe hinterlegt wurden. Es wird ein Vergleich der unterschiedli- chen Leistungsaufnahmen durchgeführt. Die Anlage wird auf die Anzahl an Pumpen 1 mit der geringsten elektrischen Gesamtleistungsaufnahme eingestellt.

Das Zu- bzw. Abschalten von Pumpen erfolgt in Abhängigkeit eines Schaltpunktes. Um diesen Schaltpunkt werden von der Einheit 5 Schaltschwellen (QHysterese) festgelegt. Die Einheit 5 ermittelt die Häufigkeit von Schaltvorgängen innerhalb eines Zeitintervalls und ändert die Schaltschwellen in Abhängigkeit der Häufigkeit dieser Schaltvorgänge.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine Mehrpumpenanlage äußerst energieeffizient zu betreiben. Für das Verfahren ist keine Parametrierung erforderlich, da es selbstlernend ist. Die Anlage speichert die angefahrenen Zustände und kann nach einer Erlernungsphase die energieeffizientesten Bedingungen einstellen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise die Anlage auf einen konstanten Druck oder Differenzdruck geregelt werden.

Um einem permanenten Flattern, also einem ständigen Zu- und Abschalten von Pumpen 1 , zu begegnen, sind gemäß der Darstellung in Figur 2 Schaltschwellen um den optimalen Schaltpunkt vorgesehen, die auch als Hysteresegrenzen ( QHysterese ) be- zeichnet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren optimiert diese Grenzen.

Figur 3 zeigt, dass die optimale Hysterese (QHysterese) im Pumpenbetrieb gelernt und stetig optimiert wird. Nach dem erstmaligen Einschalten einer Anlage mit zwei Pumpen ist QHysterese zunächst sehr klein (a). Jedes Mal, wenn Flattern auftritt, wird QHysterese er- höht (b). Sobald QHysterese ausreichend groß ist, findet kein Flattern mehr statt, das heißt, dass innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls kein unmittelbares Abschalten und wieder Zuschalten (Umschalten) erfolgt, und somit auch keine weitere Anhebung von QHys- terese. Für Anlagen mit n Pumpen werden n-1 Hysteresegrenzen gelernt.

Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt auch den Fall, dass Situationen auftre- ten können, in denen der Verbraucher sein Verhalten mehrfach in kurzen Zyklen ändert. Dieses zyklische Verbraucherverhalten könnte von der Steuerung als Flattern missin- terpretiert werden, wodurch QHysterese fälschlicherweise erhöht würde. Um derartige Fehlentscheidungen zu korrigieren, wird das Verfahren um eine Funktion des Verges- sens erweitert. Das Vergessen wird realisiert, indem QHysterese stetig mit konstanter Geschwindigkeit abgesenkt wird (c), bis es eine festzulegende minimale Hysteresegrenze erreicht.

Nach dem Einschalten der Anlage ist die Hysterese QHysterese zunächst sehr klein. Dies bewirkt ein häufiges Flattern. Die Steuerung erkennt dies und reagiert mit einem Anhe- ben von QHysterese. Über die gesamt Betriebsdauer wird QHysterese stetig abgesenkt, um ein eventuell zu groß eingestelltes QHysterese zu korrigieren. Die linke Hälfte des Bildes zeigt die Anlernphase, während QHysterese schrittweise auf sein Optimum ansteigt. Wenn das Optimum erreicht ist, stellt sich stabiles Verhalten (rechte Bildhälfte) ein. Dabei wird QHysterese permanent soweit abgesenkt bis erneutes Flattern auftritt. Wenn dieses stabile Verhalten über einen sehr langen Zeitraum beobachtet wird, ist die optimale Hysterese QHysterese bekannt und der Lernalgorithmus kann abgeschaltet werden.

Die Steuer- und Regeleinheit 5 der Pumpe 1 führt zusammenfassend folgende zwei Vorgänge durch. Zum Einen eine sprunghafte Erhöhung der Schaltschwellen QHysterese bei Auftreten eines Flatterns und zum Andern eine kontinuierliche Absenkung der SchaltSChwellen QHysterese.