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Verfahren zur Temperaturregelung von warmem Brauchwasser in Verteileranlagen und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
In Gebäuden - beispielsweise in Hotels - wird in einer Verteileranlage den einzelnen Abnehmern Brauchwasser zugeführt, dessen zentrale Aufbereitung im allgemeinen im Heizraum oder in dessen Nachbarschaft erfolgt, wobei ein vom Heizkessel oder einem gesonderten Kessel gespeister Heisswasserspeicher als Wärmequelle dient ; in diesem Speicher wird das Heisswasser zur Erzielung eines grossen thermischen Speichervermögens auf möglichst hoher Temperatur gehalten - z. B. auf 900c. Bei Entnahme von Brauchwasser wird dann das Heisswasser durch Beimischen von Rücklaufwasser aus der Verteileranlage sowie von Frischwasser (Kaltwasser) auf die verlangte Temperatur gebracht.
Die Verteileranlage ist über den Heisswasserspeicher in sich geschlossen und in dieser Ringleitung wird der Kreislauf des Brauchwassers mittels einer Umwälzpumpe bewirkt, wodurch den Wärmeverlusten der V ertei1er nlage entgegengewirkt und so die Brauchwasser-Temperatur auf dem Sollwert gehalten werden soll ; die Mischtemperatur wird dabei durch einen Regler konstant gehalten - im allgemeinen mittels stetiger oder schrittweiser Steuerung eines Dreiwegventils.
Bei derartigen Verteileranlagen treten am gemischten Vorlauf infolge s'ch stark ändernder Zapfmengen stets Temperaturschwankungen auf, zu deren raschem Ausgleich die erwähnten Regler jedoch zu träge sind, insbesondere in Stosszeiten der Brauchwasserentnahme ; eine präzisere Ausbildung dieser Regler auf ausreichend schnelle Reaktionsfähigkeit wäre viel zu kostspielig.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird nun in Verteileranlagen der oben beschriebenen Art die
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Zapfmenge entsprechende Frischwasser, auf eine den Heisswasserspeicher umgehende Frischwasser-Beimischleitung sowie auf den Heisswasserspeicher selbst derart aufgeteilt wird, dass die Mischtemperatur dieser nach dem Heisswasserspeicher gemeinsam der Ringleitung zugeführten Teilmengen für jede Zapfmenge der Solltemperatur des Brauchwasser-Vorlaufes gleich wird, und dass ferner die aus der Ringlei- tung rücklaufende Brauchwasser-Menge derart auf eine den Heisswasserspeicher umgehende BrauchwasserBeimischleitung sowie auf den Heisswasserspeicher derart aufgeteilt wird, dass die Mischtemperatur dieser nach dem Heisswasserspeicher gemeinsam der Ringleitung wieder zugeführten Teilmengen ebenfalls der Solltemperatur des Brauchwasser-Vorlaufes gleich wird,
wodurch sich in beiden Mischkreisen die Mischverhältnisse nur in Abhängigkeit von den Temperaturen im Heisswasserspeicher bzw. des Frischwassers sowie des Brauchwassers aus dem Ringleitungs-Rücklauf ändern.
Die Aufteilung des Frischwassers auf die Frischwasser-Beimischleitung sowie den Heisswasserspeicher erfolgt dabei im einfachsten Falle von Hand aus, wobei das Teilungsverhältnis sukzessive in dem Sinne geändert wird, dass die Abhängigkeit der Temperatur des Brauchwasser-Vorlaufes von der Zapfmenge verringert und schliesslich behoben wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemässen Regelverfahrens erfolgt wenigstens die Aufteilung des Frischwassers auf die Frischwasser-Beimischleitung sowie den Heisswasserspeicher auf Grund der Messung der Mischtemperatur dieser nach dem Heisswasserspeicher wiedervereinten Teilmengen automatisch durch PI-Regelung, wobei die Mischtemperatur auf die Solltemperatur des Brauchwasser-Vorlaufes eingeregelt wird.
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Nach der Erfindung werden weiters Anlagen zur Verteilung von warmem Brauchwasser, die aus einem Heisswasserspeicher, einer Ringleitung mit einzelnen Zapfstellen sowie einer Umwälzpumpe bestehen, dadurch zur Durchführung des beschriebenen Regelverfahrens ausgebildet, dass in beiden Mischkreisennämlich für Frischwasser bzw. für Brauchwasser - an der Verzweigungsstelle je ein thermostatisch regelbares Dreiwegventil angeordnet ist.
Die Mischkreise können hiebei hydraulisch getrennt oder auch hydraulisch miteinander gekoppelt sein : im ersten Falle regelt jedes Dreiwegventil das Mengenverhältnis inseinen ZweigleitungennurinAb- hängigkeit von der Abweichung der in der Verbindungsleitung seines Mischkreises zur Ringleitung gemessenen Mischtemperatur vom Sollwert der Temperatur des Brauchwasser-Vorlaufes ; die Regelung im Frischwasser-Mischkreis kann dabei von Hand oder automatisch erfolgen.
Bei hydraulischer Koppelung beider Mischkreise werden beide Dreiwegventile durch einen Regler in Abhängigkeit von der Temperatur des Brauchwasser-Vorlaufes gesteuert, wobei jedoch jeweils eines der Dreiwegventile durch einen Temperaturtendenzfühler in Abhängigkeit von steigender bzw. sinkender Mischtemperatur in der Zuleitung zum Heisswasserspeicher alternativ an einer Stellungsänderung gehindert ist.
In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele von erfindungsgemässen Verteileranlagen dargestellt. Hiebei zeigt Fig. 1 eine Anlage mit hydraulisch getrennten Mischkreisen, Fig. 2 eine solche mit hydraulisch geKoppelten Mischkreisen, Fig. 2a ein Diagramm zur Einstellung des optimalen Arbeitspunktes bei der Variante gemäss Fig. 2 und schliesslich Fig. 3 ein Schaltbild zur Erläuterung der elektrischen Steuerung der Mischventile bei der Anlage gemäss Fig. 2.
Die Einrichtung nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Heisswasserspeicher 1, einer Ringleitung 2, einer Zapfstelle 3, die alle andern an der Ringleitung 2 noch angeschlossenen Zapfstellen symbolisiert, aus einer Umwälzpumpe 4 sowie zwei Mischkreisen für Brauchwasser und Frischwasser mit je einem Dreiwegventil im Einlauf.
Durch den Brauchwasser-Mischkreis, der ein Teil der Ringleitung 2 ist, wird diese in zwei Teile geteilt, deren einer - die Brauchwasser-Beimischleitung 5 - ausserhalb des Heiss- wasserspeichers 1 vorbeigeführt ist und deren anderer - der aus einer Ringrücklaufleitung 6, einem Aufheizzylinder 7 und einer Heisswasser-Beimischleitung 8 besteht - teilweise durch den Heisswasserspeicher 1 hindurchführt ; beide Teile vereinigen sich wieder ausserhalb des Heisswasserspeichers 1 und werden über die Verbindungsleitung 9 an die Ringleitung 2 angeschlossen.
Beim Frischwasser-Mischkreis, der aus einer Zuleitung 10, einer Speicherzuleitung 11 sowie einer Beimischleitung 12 besteht, ist die für die Einrichtung erforderliche Frischwasserzufuhr entsprechend der jeweiligen Zapfmenge derart aufgeteilt, dass ein Teil des Frischwassers über die zugehörige Beimischleitung 12 unmittelbar der Heisswasser-Beimischleitung 8 und der andere über die Speicherzuleitung 11 dem Heisswasserspeicher 1 zugeführt wird. Nach Mischung des Heiss- und Frischwassers mündet das Frischwasser dieses Mischkreises über eine Verbindungsleitung 14, vorzugsweise in gleicher Höhe wie die Verbindungsleitung 9, in die Ringleitung 2 ein. Näheres über die verhältnismässige Mengenaufteilung in beiden Mischkreisen wird bei der funktionsmässigen Beschreibung der Einrichtung noch ausgeführt.
Die hydraulische Trennung beider Mischkreise wird dadurch erreicht, dass das aus der Ringleitung 2 durch die Ringrücklaufleitung 6 rücklaufende Brauchwasser mit dem Speicherwasser nicht unmittelbar in Berührung kommt, sondern von diesem beim Durchlauf durch den Aufheizzylinder 7, nur unmittelbar aufgeheizt, der Speicherwassertemperatur angeglichen wird. Um zu erreichen, dass die Mischwassertemperatur beider Mischkreise an der Einmündungsstelle in die Ringleitung 2 gleich gross und dem Sollwert gleich ist, ist im Einlauf jedes Mischkreises ein Dreiwegventil 15 bzw. 16 vorgesehen, dass jeweils zur vorzugsweisen automatischen Einregelung im Auslauf jedes Mischkreises einen Regler 17 bzw. 18, mit jeweils gleichem Sollwert aufweist, welcher je über einen zugehörigen Motor 19 bzw. 20, die Dreiwegventile steuert.
Da nach dem erfindungsgemässen Verfahren die Brauchwassertemperatur unabhängig von der jeweiligen Zapfmenge nur konstant bleibt, solange das der Ringleitung zugeführte Mischwasser beider Mischkreise gleiche Temperatur hat, wobei die Mischwassertemperatur des Brauchwasser-Mischkreises stets auf den Sollwert der Brauchwasservorlauftemperatur eingeregelt wird, muss auch die Mischwassertemperatur des Frischwasser-Mischkreises auf den gleichen Sollwert eingeregelt werden.
Die der Einrichtung zulaufende Frischwassermenge, die stets der Zapfmenge entspricht, wird daher im Frischwasser-Mischkreis durch das Dreiwegventil 15 derart verteilt, dass die in der Frischwasser-Beimischleitung 12 laufende Frischwassermenge jenen Wert hat, mit welchem sich das aus der Heisswasser-Beimischleitung 13 zulaufende Heisswasser auf den Temperatursollwert mischt, wobei der übrigbleibende Frischwasserüberschuss durch die Frischwasserspeicherzuleitung 11 in den Heisswasserspeicher 1 geleitet wird. Bei langsam oder selten erfolgenden Änderungen der Temperaturen des Frischwassers kann die Einregelung der Mischwasser-
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temperatur des Frischwasser-Mischkreises auf den Sollwert von Hand aus mittels des Dreiwegventils 15 erfolgen, so dass sich der Regler 17 und der Motor 19 erübrigen.
Die Einrichtung kann mit gleicher Wirkung auch in der Art aufgebaut sein, dass die beiden Mischkreise hydraulisch miteinander gekoppelt sind. In diesem Fall münden, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, die Ringrücklaufleitung 6 und die Frischwasserspeicherzuleitung 11, teilweise zu einer gemeinsamen Mischleitung 21 vereinigt, in den Heisswasserspeicher 1 ein. Die Heisswasser-Beimischleitung 13, die aus dem Heisswasserspeicher 1 herausgeführt wird und in den Zusammenlauf der Frischwasser- und BrauchwasserBeimischleitung 12 bzw. 5 einmündet, setzt sich gemeinsam mit diesen beiden Mischleitungen 12,5 als Ringleitung 2 fort. Die beiden Mischkreise sind nun nicht mehr hydraulisch voneinander getrennt, da ein Teil des rücklaufenden Brauchwassers über die Ringrücklaufleitung 6 direkt in den Heisswasserspeicher 1 geleitet wird.
Auch hier sind zwei Regler 22,23 und zwei über die Motoren 24,25 gesteuerte Dreiwegventile 15 bzw. 16 vorgesehen. Während jedoch bei hydraulisch voneinander getrennten Mischkreisen das Wasser beider Mischkreise erst nach entsprechender Temperaturregelung vereinigt wird und beide Mischkreise einander demgemäss während des Regelvorganges gegenseitig nicht beeinflussen, ist bei den hydraulisch gekoppelten eine gegenseitige Beeinflussung beider Mischkreise während des Regelvorganges durchaus gegeben. Dies wirkt sich nun in der Art aus, dass, obwohl bei jeder Zapfmenge die gewünschte Brauchwasservorlauftemperatur eingeregelt wird, sich die Dreiwegventile nicht mehr in den dem jeweiligen optimalen Mischverhältnis entsprechenden Stellungen befinden und die Mischtemperatur nunmehr von der Zapfmenge abhängig wird.
Daher ist bei dieser Einrichtung die Regelfunktion der einzelnen am Regelvorgang beteiligten Regelorgane im wesentlichen darauf ausgerichtet, die Mischtemperatur auf den gewünschten Sollwert so einzuregeln, dass die Dreiwegventile nach ihrer Stellungsverstimmung durch eine Störung, z. B. durch Änderung der Heisswassertemperatur im Speicher, stets wieder auf den optimalen Punkt zurückgeführt werden.
Zum besseren Verständnis des vorstehend Ausgeführten sei auf das Diagramm in Fig. 2a verwiesen.
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schar gilt für die Arbeitspunkte beim Sollwert der Mischwassertemperatur mit der Zapfmenge als Parameter und bringt zum Ausdruck, dass, wenn die Mischwassertemperatur im isoliert'gedachten Frischwassermischkreis, z. B. zu tief ist, d.h.AQz grösser als 0 ist, die Mischwassertemperatur im isoliert gedachten Brauchwasser-Mischkreis in einem bestimmten Mass zu hoch sein muss, d. h. AQ, j kleiner als 0, wenn die Brauchwasservorlauftemperatur den Sollwert aufweisen soll. Wie in diesem Diagramm dargestellt, soll die Einrichtung beispielsweise. auf dem Arbeitspunkt x arbeiten.
Dieser Arbeitspunkt entspricht zwar bei der vorliegenden Zapfmenge der richtigen Vorlauftemperatur des Brauchwassers, liegt jedoch neben dem Optimum ; die Vorlauftemperatur ist daher von der Zapfmenge abhängig, u. zw. derart, dass eine Erhöhung der Zapfmenge die Vorlauftemperatur senkt. Bei Einsatz des Frischwasser-Dreiwegventils 15 allein würde daher dieses unter dem Einfluss des Temperaturreglers 22 in Richtung der Senkung vonAQz steuern und die Brauchwasservorlauftemperatur wieder auf den Sollwert hinaufregeln, siehe Punkt y, wobei dieser'neue Arbeitspunkt y dem Optimalpunkt 0 näher liegt als der frühere Arbeitspunkt x. Demgegenüber würde bei Einsatz nur des Brauchwasser-Dreiwegventils 16 dieses unter dem Einfluss des Reglers 22 in Richtung der Senkung von-AQ, d. h. der Erhöhung des Absolutwertes von .
Qu steuern und die Brauchwasservorlauftemperatur zwar wieder auf den Sollwert hinaufregeln, siehe Punkt xi, jedoch würde dieser neue Arbeitspunkt 1 vom OptimalpunktO entfernter liegen als der frühere Arbeitspunkt x. In diesem Fall ist demnach nur der Einsatz des Frischwasser-Dreiwegventils 15 erwünscht. Bei Verringerung der Zapfmenge würde die Brauchwasservorlauftemperatur steigen, und wenn nur das Frischwasser-Dreiwegventil 15 allein arbeitet, würde es auf den vom Optimalpunkt 0 entfernteren Arbeitspunkt y 1 hinsteuern, und wenn hingegen nur das Brauchwassermischventil 16 allein arbeitet, würde dieses auf den dem Optimalpunkt 0 näheren Arbeitspunkt x hinsteuern. Hier ist also nur der Einsatz des Brauchwassermischventils 16 erwünscht.
Es gilt demnach zu verhindern, dass im ersten Fall das Dreiwegventil 16 und im zweiten Fall das Dreiwegventil 15 anspricht, so dass der Arbeitspunkt x schrittweise, bei jeder Änderung der Zapfmenge, gegen den Optimalpunkt 0 hingesteuert wird, wodurch sich eine Richtkraft ergibt, welche diesen Punkt anzusteuern bestrebt ist.
Zur praktischen Durchführung dieser schrittweisen Steuerung des Arbeitspunktes x ist von folgender Überlegung auszugehen : Die Temperatur der Mischleitung 21 wird bei grösser werdender Zapfmenge stets fallen, da mehr kaltes Frischwasser zugeführt wird. Bei Verwendung eines Reglers 23, der mit einem Tendenzfühler ausgestattet ist, welcher nur auf die Änderung der Temperatur anspricht, kann das Drei-
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wegventil 15 oder 16 je nach Erfordernis vorgewählt werden, u. zw. wird bei steigender Zapfmenge das Dreiwegventil 15 und bei sinkender Zapfmenge das Dreiwegventil 16 vorgewählt, während das nicht vorgewählte Dreiwegventil jeweils gesperrt bleibt.
Der Tendenzftthler ist ein im thermisch, stationären Zustand inaktiver Temperaturfühler, z. B. ein Stabfühler mit einem Messingfühlrohr und einem Messingbasisstab und besitzt einen Umschaltkontakt mit kleiner Schaltdifferenz.
Die Schaltung ist im Prinzip in Fig. 3 dargestellt. Die beiden Motoren 24, 25 sind je mit zwei Wicklungen und mit einem Kondensator versehen, um bei Umschaltung Vorwärts- bzw. Rückwärtslauf erzielen zu können. Die Anfänge dieser Wicklungf"-. liegen an den Kontakten 26 bzw. 27 des Reglers 22, dessen Schaltkontakt 28 durch die Längenänderung eines Temperaturfühlers 29 wahlweise den einen oder andern Kontakt an einen Netzleiter 30 schaltet und bei Solltemperatur eine Mittelstellung zwischen den beiden Kontakten 26,27 einnimmt.
Die Wicklungsenden des Motors 24 bzw. 25 sind miteinander verbunden und je über eine Leitung an die Kontakte 31 bzw. 32 des Reglers 23 angeschlossen, dessen Umschaltkontakt 33 mit dem ändern Netzleiter 34 verbunden ist und durch die Längenänderung eines thermischen, dynamisch aktiven Tendenzfühlers 35 bei steigender Temperatur dieses Fühlers den Motor 24, bei sinkender Tempe- ratur den Motor 25 an den Netzleiter 34 schaltet.
Die Steuerung der beiden Dreiwegventile 15 bzw. 16 durch die Regler 22 und 23 bewirkt nun, dass die Dreiwegventile nur vorübergehend vom optimalen Mischverhältnis abweichen können, indem die Enrichtung dieses Ergebnis auch für Arbeitspunkte mit negativen . Qz und positiven AQu Wertpaaren, d. h. auch für Arbeitspunkte im dritten Quadrant der Fig. 2a bewirkt.
Bei langsam oder selten erfolgenden Änderungen der Temperaturen des Frischwassers und des Heisswassers kann die Einregelung der Einrichtung auf den Optimalpunkt auch von Hand mittels des Dreiwegventils 15 erfolgen, u. zw. in der Weise, dass die Änderung des Aufteilungsverhältnisses der Frischwassermenge auf die Frischwasserbeimischleitung 12 und Frischwasserspeicherzuleitung 11 sukzessive in solcher Richtung vorgenommen wird, dass die Abhängigkeit der Brauchwasservorlauftemperatur von der Zapfmenge verringert und schliesslich behoben wird.
Im Fall der hydraulisch gekoppelten Mischkreise kann im Prinzip mittels eines zusätzlichen Mengenreglers einHeisswasserverteilungsverhältnis erzielt werden, welchesjenem der hydraulisch voneinander getrennten Mischkreise gemäss Fig. 1 gleich ist, so dass auch diese Einrichtung, wie bei Fig. 1 beschrieben, geregelt werden kann. Hiebei kommt derAufheizzylinder 7 in Wegfall und der Mengenregler muss gleiche Frischwassermenge in der Frischwasserzuleitung 10 gegenüber der Mischwassermenge in der Verbindungsleitung 14 mittels eines an der Einmündungsstelle der Verbindungsleitungen 14 und 9 in die Ringleitung 2 einzusetzenden Dreiwegventils erzielen. Diese Ausführung erfordert jedoch einen weitaus grösseren Aufwand als die gemäss Fig. 2.
Ausser der Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung auf Brauchwassertemperaturregelung in Wohnbauten für Bäder, Handwaschanlagen und Duschen, kommt dieses Verfahren auch für Industriebrauchwasser, wie z. B. in Färbereien usw. in Frage. Im weiteren lassen sich das Verfahren und die Einrichtung gemäss der Erfindung auch für zentrale Öl vorwärmung für mehrere Verbraucher, wie z. B. Ölbrenner, anwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Temperaturregelung von warmem Brauchwasser in Verteileranlagen, dadurch gekennzeichnet, dass das der Anlage zugeführte, stets der Zapfmenge entsprechende Frischwasser auf eine den Heisswasserspeicher (1) umgehende Frischwasser-Beimischleitung (12) sowie auf den Heisswasserspeicher selbst derart aufgeteilt wird, dass die Mischtemperatur dieser nach dem Heisswasserspeicher gemeinsam der Ringleitung (2) zugeführten Teilmengen für jede Zapfmenge der Solltemperatur des Brauchwas- ser-Vorlaufes gleich wird, und dass ferner die aus der Ringleitung (2) rücklaufende Brauchwassermenge derart auf eine den Heisswasserspeicher (1) umgehende Brauchwasser-Beimischleitung (5) sowie auf den Heisswasserspeicher derart aufgeteilt wird,
dass die Mischtemperatur dieser nach dem Heisswasserspeicher gemeinsam der Ringleitung wieder zugeführten Teilmengen ebenfalls der Solltemperatur des Brauchwasser-Vorlaufes gleich wird, wodurch sich in beiden Mischkreisen die Mischverhältnisse nur in Abhängigkeit von den Temperaturen im Heisswasserspeicher bzw. des Frischwassers sowie des Brauchwassers aus dem Ringleitungs-Rücklauf ändern.