DE19710905C1

DE19710905C1 - Verfahren zum Betreiben einer Wärmeversorgungsanlage

Info

Publication number: DE19710905C1
Application number: DE19710905A
Authority: DE
Inventors: Robert Mack
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-03-15
Filing date: 1997-03-15
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2017-03-16

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmever sorgungsanlage für Räume mit einer Wärmeerzeugereinheit, der ein Energieträger zugeführt wird und die ein Heizmedium erwärmt, zumindest einer Heizflächen einheit, der über einen Vorlauf das Heizmedium von der Wärmeerzeugereinheit zugeführt und über einen Rücklauf zu der Wärmeerzeugereinheit abgeführt wird und die die Wärme abgibt, einer Pumpeneinheit, die das Heizmedium innen um wälzt, einem Temperatursensor für die Vorlauftemperatur, einem Temperatursen sor für die Rücklauftemperatur, einem Temperatursensor für die Umgebungs- bzw. Außentemperatur und/oder Raumtemperatur und einer Steuer-/Regeleinheit, die in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur, Rücklauftemperatur und Umge bungstemperatur und/oder Raumtemperatur die der Heizflächeneinheit zugeführte Wärmemenge steuert/regelt, wobei der Verlauf der Vorlauftemperatur und der Verlauf der Rücklauftemperatur in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur fest gelegt ist.

Stand der Technik

Bekannte Wärmeversorgungsanlagen der eingangs genannten Art werden in der Regel mit einer Steuerung/Regelung ausgestattet, die die Heizmitteltemperatur der Umgebungstemperatur anpaßt, wobei zumeist die Vorlauftemperatur verwen det wird. Dabei werden die Anlagen bei niedriger Umgebungstemperatur mit re lativ hoher Heizmitteltemperatur betrieben. In Fig. 3 ist schematisch der Zu sammenhang zwischen der Heizmitteltemperatur ϑ_H und der Umgebungstempera tur ϑ_U in einem Diagramm angegeben. Für den Funktionsverlauf gelten die gestri chelten Linien, jeweils für den Vorlauf 50 und den Rücklauf 52. Bei einer Ausle gungs-Außentemperatur von z. B. -12°C beträgt die Vorlauftemperatur z. B. 75°C (= Auslegungsvorlauftemperatur). Diese nimmt ab auf z. B. 20°C sobald die Um gebungstemperatur 20°C erreicht hat. Die Rücklauftemperatur 52 beträgt bei z. B. -12°C Umgebungstemperatur z. B. 60°C (= Auslegungsrücklauftemperatur) und nimmt wie die Vorlauftemperatur auf +20°C mit der Umgebungstemperatur ab.

Seit geraumer Zeit gewinnen in der Heizungstechnik Wärmeerzeuger mit stark temperaturabhängigen Wirkungsgraden (z. B. Brennwertgeräte, Sonnenkollekto ren) immer größere Bedeutung. Um mit diesen Geräten eine deutliche Ver brauchsreduzierung zu erzielen, muß jedoch die Heizrücklauftemperatur weniger als ca. 50°C betragen.

Aus diesem Grund werden beim Einsatz derartiger Geräte die Heizmitteltempera turen in der Regel sehr niedrig angesetzt. Ein Ausführungsbeispiel ist in dem Dia gramm gemäß Fig. 3 mit strichpunktierten Funktionsverläufen dargestellt. Der Vorlauf 54 beginnt bei -12°C Umgebungstemperatur mit dem Wert von z. B. 50°C und nimmt bis auf den Wert von z. B. 20°C bei einer Außentemperatur von 20°C ab. Der Rücklauf 56 beginnt bei einer Außentemperatur von -12°C mit dem Wert von z. B. 40°C und nimmt auf denselben Wert wie der Vorlauf 54 bei 20°C Au ßentemperatur ab.

Durch die niedrigen Temperaturen kann der Wärmeerzeuger ganzjährig mit gutem Wirkungsgrad arbeiten, wodurch eine deutliche Verbrauchsreduzierung erreicht wird.

Nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß infolge der niedrigen Heizmitteltemperatu ren (Vorlauf- und Rücklauftemperatur) drastisch größere Heizflächen benötigt werden um die jeweiligen Räume mit dem erforderlichen Wärmestrom zu versor gen. Dies bedeutet eine deutliche Verteuerung der Gesamtanlage.

Weiterhin wird hierdurch der Primärenergieaufwand für das Gesamtsystem not wendigerweise so vergrößert, daß die Energieeinsparung insgesamt zumindest stark beeinträchtigt wird. Hinzu kommt, daß sogenannte Strahlungsheizungen wegen des zu großen Heizflächenbedarfs meist nicht mehr ausgeführt werden können. An deren Stelle müssen Heizflächen vorgesehen werden, die einen hohen Anteil an Konvektion aufweisen, was hinsichtlich der Gesundheit der Nutzer der Wärmeversorgungsanlagen nicht optimal ist.

Um die genannten Nachteile zu umgehen, wurden verschiedene Vorschläge ge macht. In DE 43 12 808 wird vorgeschlagen, die Drehzahl der Pumpe so zu steuern, daß sich eine weitgehend konstante Differenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur einstellt.

Hierbei wird das Potential einer optimalen Verbrauchsreduzierung jedoch nicht ausgeschöpft, da die Rücklauftemperatur in Abhängigkeit von der Umge bungstemperatur noch relativ hoch liegt.

In DE 43 34 664 wird für die Vorgabe der Heizungstemperatur ein Verfahren vorgeschlagen, das mittels anlagenspezifischer Werte die kostengünstigste Paarung von Volumenstrom und Heizungstemperatur bei der jeweiligen Umge bungstemperatur festlegt.

Hierbei wird jedoch der Verlauf der Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur nicht vorgegeben, so daß insbesonders beim Einsatz von Brennwertgeräten mit steigender Umgebungstemperatur, nicht gewünschte, hohe Vorlauftemperaturen, die höher als die Auslegungsvorlauftemperaturen sein kön nen, auftreten. Dies hat zur Folge, daß während der Heizperiode Heizflächentem peraturen auftreten können, bei denen eine Gefährdung der Nutzer entsteht, und daß eine wünschenswerte Vorgabe der Heizungstemperaturen in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur nicht erfolgen kann. Je nach Vorgabe der Ausle gungsvorlauf- und -rücklauftemperatur muß außerdem die Heizflächengröße, welche für die Gesamtkosten des Heizsystems wichtig ist, größer als notwendig gewählt werden.

Schließlich wird in DE 32 35 364 ein Verfahren vorgeschlagen, die Differenz von Vor- und Rücklauftemperatur auf einem vorgegebenen Sollwert zu halten, bzw. in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur zu verändern.

Hierbei wird jedoch der Verlauf der Heizmitteltemperaturen nicht in Abhängig keit von der Umgebungstemperatur, sondern in Abhängigkeit der Belastung der Heizanlage, beeinflußt. Die Differenz aus Vor- und Rücklauftemperatur soll ent weder auf einem vorgegebenen Sollwert gehalten, oder in Abhängigkeit von der sich im Heiznetz einstellenden Rücklauftemperatur gewählt werden.

Somit wird nicht versucht, die Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur während der gesamten Heizperiode möglichst groß zu halten, wodurch insbeson ders beim Einsatz von Heizgeräten mit temperaturabhängigen Wirkungsgraden nicht die optimale Betriebsweise, mit größtmöglichem Wirkungsgrad, erzielt wird.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem bzw. die Aufgabe zu grunde, ausgehend vom genannten Stand der Technik, die dargestellten Nachteile zu umgehen und ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmeversorgungsanlage anzugeben, das einen zuverlässigen und gefahrlosen Betrieb gewährleistet und bei dem ein niedriger Energieverbrauch erreicht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkinale des unabhängigen An spruchs 1 gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung sind Gegen stand der abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich demgemäß dadurch aus, daß der funktionsmäßig vorgegebene Spreizungsverlauf (Differenz zwischen der Vorlauf temperatur und der Rücklauftemperatur) in Abhängigkeit von der Umge bungstemperatur oder dem Erreichen einer gewünschten Raumtemperatur bzw. der Erfüllung der Heizaufgabe, gegenüber dem bekannten vorgegebenen Sprei zungsverlauf vergrößert ist und daß die maximale Vorlauftemperatur der Ausle gungsvorlauftemperatur entspricht. Dabei geht die Erfindung von der Überlegung aus, daß für die Auslegung der Heizflächengröße die mittlere Heizflächentempe ratur (ein geeigneter Mittelwert aus Vorlauf- und Rücklauftemperatur) ausschlag gebend ist, während die Höhe des Wirkungsgrades des Wärmeerzeugers im we sentlichen von der Heizungsrücklauftemperatur abhängt.

Dadurch, daß erfindungsgemäß die Spreizung des Heizsystems (Differenz zwi schen Vorlauf- und Rücklauftemperatur) möglichst groß gewählt wird, kann eine relativ hohe mittlere Heizflächentemperatur erzielt werden und gleichzeitig in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur eine relativ niedrige Rücklauftempe ratur, wodurch der Wärmeerzeuger mit hohem Wirkungsgrad arbeiten kann, ohne daß hierdurch die Heizflächen vergrößert werden müssen. Es kann auch die Raumtemperatur erfaßt werden, um hierdurch die Erfüllung der Heizaufgabe, nämlich das Erreichen und Halten vorgegebener Raumtemperaturen, zu kontrol lieren.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß die Vorlauftemperatur unabhängig von der Umgebungstempera tur konstant bleibt, wobei eine bevorzugte Weiterbildung sich dadurch auszeich net, daß der festgelegte Verlauf der Vorlauftemperatur zumindest bei niedriger Umgebungstemperatur konstant ist und der festgelegte Verlauf der Rücklauftem peratur in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur zumindest bei höheren Umge bungstemperatur konstant ist.

Praktikable Temperaturbereiche des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlauftemperatur im Bereich tiefer Umgebungstempera tur im Bereich zwischen 60°C und 95°C festgelegt ist und die Rücklauftempera tur im Bereich tiefer Umgebungstemperaturen im Bereich zwischen 50°C und 80°C und im Bereich hoher Umgebungstemperatur zwischen 20°C und 25°C festgelegt ist.

Eine funktionsfähige technische Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt durch die Beeinflussung des Heizmittelvolumenstromes in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, z. B. durch Veränderung des geförderten Pum penvolumenstroms oder durch mehr oder weniger Drosselung des Heizmittelvo lumenstroms, z. B. über die Thermostatventile an den Heizflächen. Hierbei wird bevorzugt eine drehzahlvariable Pumpeneinheit in einer Ausgestaltung eingesetzt, die von der Steuer-/Regeleinheit beaufschlagt wird.

Bei leistungsgeregelten Wärmeeinheiten wird die Wärmezufuhr so gesteu ert/geregelt, daß die funktionsmäßig vorgegebene Vorlauftemperatur erreicht wird.

Bei Wärmeerzeugern mit konstanter oder nur in geringem Maß veränderlichen Heizleistung kann das Verfahren durch Zwischenschalten eines Pufferspeichers realisiert werden. Hierbei kann z. B. die Pumpe zwischen Speicher und Heizflä chen sowie die Pumpe zwischen Wärmeerzeuger und Pufferspeicher in der Dreh zahl beeinflußt werden.

Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die nachstehend angegebenen Ausführungsbeispiele.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung sowie vorteilhaft Ausführungsformen und Weiterbildungen dersel ben werden im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu ent nehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Blockdarstellung einer Wärmeversorgungsanlage,

Fig. 2 schematische Diagrammdarstellung des Zusammenhangs des Verlaufs der Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur in Abhängigkeit der Umgebungstem peratur und

Fig. 3 schematisches Diagramm des Verlaufs der Vorlauftemperatur und Rück lauftemperatur in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bei bekannten Wär meversorgungsanlagen.

Wege zum Ausführen der Erfindung

Eine Wärmeversorgungsanlage 10 besitzt eine Wärmeerzeugungseinrichtung 12, der von außen ein Energieträger zugeführt wird, was in Fig. 1 symbolisch durch den Pfeil 60 dargestellt ist.

Die Wärmeerzeugereinrichtung 12 erwärmt ein Heizmittel, das über einen Vor lauf 16 zu Heizflächeneinheiten 14 gelangt und über einen Rücklauf 18 der Wär meerzeugungseinrichtung 12 wieder zugeführt wird. Im Vorlauf ist ein Tempera tursensor 20 vorhanden, der die Temperatur des Heizmittels im Vorlauf mißt und entsprechende Signale an eine Steuer-/Regeleinheit 26 abgibt. Ebenso ist im Rücklauf 18 ein Temperatursensor 22 vorhanden, der die Temperatur im Rück lauf 18 mißt und entsprechende Signale an die Steuer-/Regeleinheit 26 abgibt. Schließlich ist noch ein Temperatursensor 24 vorhanden, der die Umgebungstem peratur (Außentemperatur) mißt und entsprechende Signale an die Steuer-/Regeleinheit 26 abgibt. Außerdem kann die Raumtemperatur über einen Sensor 25 erfaßt und die Signale an die Regeleinheit 26 abgegeben werden.

Abhängig von den Signalen der Temperatursensoren 20, 22, 24 und evtl. 25, regelt die Steuer-/Regeleinheit 26 die Wärmeerzeugungseinrichtung 12 und eine im Vorlauf oder Rücklauf angeordnete Pumpeneinheit 28.

Ein Heizkurvenbeispiel, nach dem die Wärmeversorgungsanlage betrieben wird, ist in Fig. 2 in einem Diagramm schematisch dargestellt. Der Verlauf 40 der Vorlauftemperatur und der Verlauf 42 der Rücklauftemperatur ist so ausgebildet, daß zwischen beiden Verläufen eine große Spreizung S vorhanden ist und daß in zwei getrennten Umgebungstemperaturbereichen einmal die Vorlauf- und einmal die Rücklauftemperatur konstant ist. Das Diagramm weist einen in Fig. 2 auf der Abszisse schematisch angegebenen Bereich 30 mit relativ tiefen Umgebungstem peraturen und konstanten Vorlauftemperaturen und einen weiten Bereich 34 mit Umgebungstemperaturen bis zu 20°C auf, wo die Rücklauftemperatur konstant ist.

Der Verlauf 40 der Vorlauftemperatur beginnt bei 90°C und bleibt auch bei zu nehmender Umgebungstemperatur in diesem Bereich. Bei höherer Umge bungstemperatur fällt der Verlauf dann mit einer konvexen Krümmung auf 20°C ab.

Der Verlauf 42 der Rücklauftemperatur beginnt bei 70°C bei einer Umge bungstemperatur von -12°C. Er fällt relativ rasch mit konkaver Krümmung auf den Temperaturwert von etwas über 20°C ab um dann konstant zu bleiben. Der gestrichelte Verlauf 41 stellt den Mittelwert zwischen Vorlauf 40 und Rücklauf 42 dar.

Mit den dargestellten Heizkurven wird einerseits erreicht, daß die momentane Vorlauftemperatur die festgelegte Auslegungsvorlauftemperatur nicht übersteigen kann, so daß eine Gefährdung durch zu hohe Heizmitteltemperaturen ausge schlossen ist und daß der Verlauf 41 des Mittelwerts der Temperatur ϑ_H,Mitte von Vorlauf- und Rücklauftemperatur für große Bereiche relativ hoch gehalten wer den kann, so daß ein hoher Heizflächenwärmestrom erzielt werden kann. Dar überhinaus ist die Rücklauftemperatur in weiten Teilen unter 50°C gehalten, so daß beispielsweise Brennwertgeräte eingesetzt werden können, die dann mit ho hem Wirkungsgrad arbeiten. Gleichzeitig können Heizflächen eingesetzt werden, die die Wärme zum Großteil durch Strahlung abgeben, was von den Nutzern der Wärmeversorgungsanlage als sehr angenehm empfunden wird. Eine Vergröße rung der Heizfläche wie bei den bekannten Systemen bei Niedertemperaturbetrieb ist nicht erforderlich.

Mit dem dargestellten Verfahren zum Betreiben einer Wärmeversorgungsanlage ist ein Betrieb bei niedrigem Brennstoffverbrauch möglich. Gleichzeitig wird es ermöglicht, mit einer geringeren Heizfläche dieselbe Wärmemenge zu Verfügung zu stellen. Dadurch reduziert sich der Primärenergie- und Kostenaufwand für das Gesamtsystem deutlich.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Wärmeversorgungsanlage für Räume mit

- einer Wärmeerzeugereinheit (12), der ein Energieträger zugeführt wird und die ein Heizmedium erwärmt,
- zumindest einer Heizflächeneinheit (14), der über einen Vorlauf (16) das Heizmedium von der Wärmeerzeugereinheit (12) zugeführt und über einen Rücklauf (18) zu der Wärmeerzeugereinheit (12) abgeführt wird und die die Wärme abgibt,
- einer Umwälzpumpe (28), die das Heizmedium transportiert,
- einem Temperatursensor (20) für die Vorlauftemperatur (ϑ_H,V),
- einem Temperatursensor (22) für die Rücklauftemperatur (ϑ_H,R),
- einem Temperatursensor (24) für die Umgebungs- bzw. Außentemperatur (ϑ_U) und/oder (25) für die jeweilige Raumtemperatur (ϑ_R) und
- einer Steuer-/Regeleinheit (26), die in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur (ϑ_H,V), Rücklauftemperatur (ϑ_H,R), evtl. Umgebungstemperatur (ϑ_U) und/oder Raumtemperatur (ϑ_R), die der Heizflächeneinheit (14) zugeführte Wärmemen ge steuert/regelt, wobei der Verlauf der Vorlauftemperatur (ϑ_H,V) und der Ver lauf der Rücklauftemperatur (ϑ_H,R) in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur (ϑ_U) bzw. Raumtemperatur (ϑ_R), festgelegt ist,
- dadurch gekennzeichnet, daß die funktionsmäßig vorgegebene Vorlauftempe ratur während der gesamten Heizperiode oder zumindest für den Teil der Heiz periode in dem die Rücklauftemperatur größer als ein vorgegebener Minimal wert ist, auf der bei niedrigster Umgebungstemperatur definierten Auslegungs vorlauftemperatur konstant oder näherungsweise konstant gehalten wird und die Rücklauftemperatur mit zunehmender Umgebungstemperatur abnimmt, bis sie einen vorgegebenen Minimalwert erreicht und ab diesem ebenfalls konstant bleibt, wobei die zeitliche Umwälzmasse des Heizmediums von der Regelein heit (26) so geregelt wird, daß sich die funktionsmäßig vorgegebenen Tempera turen von Vor- und Rücklauf in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur einstellen können und die Wärmeerzeugereinheit so geregelt wird, daß die vor gegebene Vorlauftemperatur erreicht wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geförderte Volumenstrom der Umwälzpumpe in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur funktionsmäßig vorgegeben und von einer Regel-/Steuereinheit eingestellt wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Umwälzpumpe erzeugte Differenz druck in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur funktionsmäßig vorgege ben und von einer Regel-/Steuereinheit eingestellt wird.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich einstellende Rücklauftemperatur, bzw. die zeitliche Änderung derselben, oder die Raumtemperatur, bzw. deren zeitlich Än derung, von einer Regel-/Steuereinheit als Maß für die Verstellung und Einstel lung des Volumenstroms verwendet wird.

5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- zwischen der Wärmeerzeugereinheit und Heizflächeneinheit eine Pufferspei chereinheit eingesetzt wird,
- das Heizmedium von der Wärmeerzeugungseinheit mittels einer Pumpeneinheit zur Pufferspeichereinheit transportiert wird und diese so geregelt wird, daß die funktionsmäßig vorgegebene Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der Um gebungstemperatur erreicht wird,
- im Vorlauf oder Rücklauf zwischen Pufferspeichereinheit und Heizflächenein heit eine Pumpeneinheit mit variabler Drehzahl eingesetzt wird, die von der Steuer-/Regeleinheit beaufschlagt wird.