Verfahren zum Regeln von Heizungsanlagen und Heizungsanlage zur Ausführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von mit flüssigem Wärmeträger arbeitenden Heizungsanlagen mit mindestens einer Umwälzpumpe im Wärmeträgerzirkulationssystem sowie einer Vorrichtung zur Beimischung rückströmender, abgekühlter Flüssigkeit in den Vorlaufstrom zur Erreichung und Aufrechterhaltung einer Regelgrösse. Die Erfindung betrifft auch eine Heizungsanlage zur Ausführung des Verfahrens.
In Zentralheizungsanlagen mit flüssigen Wärmeträgern und konstant gehaltener Temperatur im Wärmeerzeuger (z. B. in Form eines Kessels, Wärmeumformers oder dergl.) wird üblicherweise eine den Wärmeerzeuger überbrückende Leitung, eine sog. Bypassleitung, vorgesehen, welche über ein Dreiwegmischorgan in die Vorlaufleitung mündet. Dieses Dreiwegmischorgan kann z. B. mittels einer Stellmotors betätigt werden, der von einem Regelgerät gesteuert wird. Das Regelgerät wiederum erhält seine Signale von z. B. im Wärmemittelvorlauf und in einem Zimmer angeordneten Temperaturfühlern.
Dabei sorgt das Regelgerät dafür, dass durch entsprechende Stellung des Mischorgans aus dem Vorlauf den Heizkörpern der Wärmeträger mit der entsprechenden Mischtemperatur zuströmt, so dass die Wärmeabgabe dieser Heizkörper bei der vorgesehenen bzw. vorbestimmten Temperatur oder den Soll-Temperaturen stationär verläuft. Bei ändernder Aussentemperatur wird dann über das Regelgerät die Vorlauftemperatur geregelt. Diese Regelung wird als witterungsabhängige Regelung bezeichnet, wobei die Aussentemperatur die Führungsgrösse und die Vorlauftemperatur die Regelgrösse darstellt.
Es könnten Temperaturregelungen allein nach der Raumtemperatur oder nach konstanter Vorlauftemperatur durchgeführt werden. Anstelle des Motorantriebes des Dreiwegmischorgans kann ein thermischer, z. B. ein bimetall betätigter Antrieb treten, welcher das Mischorgan in die vom Regelgerät vorgeschriebene Stellung bringt.
Es sind ferner sehr einfache Temperaturregulierungen an Zentralheizungsanlagen bekannt, bei welchen mittels einer von einem Thermostaten gesteuerten, stellmotorbetätigten Drosselklappe der Vorlauf geöffnet oder geschlossen wird.
Der Nachteil dieser Regelungsarten besteht einerseits in ihrem komplizierten Aufbau und mithin ihrem hohen Preis oder aber in der stossweisen Beschickung der Radiatoren mit heissem Kesselwasser, was grosse Schwankungen der Raumtemperatur und ein sehr unbehagliches Klima zur Folge hat, indem in derart geheizen Räumen immer entweder ein Kältegefühl oder das Gefühl zu grosser Hitze herrscht.
Auch der an sich naheliegende Gedanke, die Fördermenge der Umwälzpumpe in stetiger Art und Weise durch einen Regler nach dem Wärmebedarf der Heizanlage zu steuern, scheitert im allgemeinen, weil bei geringem Wärmebedarf, also bei kleiner Fördermenge, die Wärmeverteilung im Heizungssystem sehr schlecht wird.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung eines Verfahrens, das die vorerwähnten Nachteile umgeht und den Bau einer Heizungsanlage ermöglicht, welche die zu heizenden Räume auf praktisch konstanten Temperaturen hält.
Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verstellung der Rücklaufbeimischungsvorrichtung mit Hilfe einer durch die Umwälzpumpe bedingten, im Zirkulationssystem auftretenden Druckdifferenz erfolgt, welche man im Sinne einer Regelwirkung verändert.
Die Heizungsanlage zur Ausführung des Verfahrens, bei welcher zwischen dem Wärmeerzeuger und der Einmündung einer Bypassleitung in den Vorlauf ein druckdifferenzgesteuertes Mengenregulierorgan zur Erzeugung einer vorbestimmten Vorlaufmischtemperatur angeordnet ist, ist gekennzeichnet durch ein Regelgerät, welches Mittel zum Verändern der Druckdifferenz steuert.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Anlageschema einer Zentralheizungsanlage nach der Erfindung,
Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen von Regulierorganen im Vorlauf und in der Bypassleitung der Heizungsanlage, mit schematisch eingezeichneter Umwälzpumpe.
Aus einem Wärmespender, beispielsweise einem Heizkessel 1, führt eine Heizkesselvorlaufleitung 3 über eine Pumpenvorlaufleitung 5 zu einer Umwälzpumpe 7. Von dieser führt eine Versorgerleitung 9 den Wärmeträger zu einem Radiator 11. Nach Abgabe eines Teils seiner Wärme strömt der Wärmeträger durch eine Rücklaufleitung 13 in den Heizkessel 1 zurück. Eine Bypassleitung 15 ermöglicht es, den Heizkessel 1 kurzzuschliessen bzw. zu überbrücken und dem heissen Wärmemedium in der Heizkesselvorlaufleitung 3 kälteres Rücklaufwasser beizumischen.
Zum Zweck der Steuerung der Temperatur des in die Pumpenvorlaufleitung 5 gelangenden Wärmeträgers ist in der Heizkesselvorlaufleitung 3 und in der Bypassleitung 15 ein Stellorgan 16 bekannter Bauart mit einer als Stellmotor wirkenden Membrane 17, welche ein Gehäuse in zwei Kammern 17, 17a unterteilt, und einem Ventil 19 eingebaut, dessen Bauart in der Folge näher erläutert wird. Das Ventil 19 weist einen Ventilteller 20 am Ventilschaft 22 auf, der in den Schliesslagen entweder auf dem Sitz einer Ventilsitzplatte 18 oder auf dem als Ventilsitz ausgebildeten Ende des Bypassrohres 15 aufliegt. Die Verbindung der Pumpensaugleitung 5 mit der unteren Kammer 17a auf der einen Seite der Stellmembrane 27 erfolgt über eine Leitung 24, diejenige der Pumpendruckleitung bzw.
Versorgerleitung 9 mit der oberen Kammer 17 auf der anderen Seite der Membrane 27 über eine Leitung 26.
Ein Aussentemperaturfühler 21 und ein Vorlaufwassertemperaturfühler 23 wirken auf ein Regelgerät 25, das seinerseits die Drehzahl der Umwälzpumpe beeinflusst, wodurch sich der in der Heizungsanlage zirkulierende Wärmemittelstrom gleichzeitig, bedingt durch die sich gemäss der Pumpencharakteristik ändernden Widerstände im System, mit der Förderhöhe der Umwälzpumpe ändert. Die Membrane 27 ist auf ihren Umfang eingespannt und ihre Rückstellkraft basiert auf ihrer Elastizität. Wenn nötig, ist die Membrane 27 mit einer justierbaren Rückholfeder (nicht dargestellt) versehen.
Die AnIage ist derart abgestimmt, dass bei sinkender Aussentemperatur und mithin sinkender Temperatur im Raume des Radiators 11, der Sollwert der Temperatur des Vorlaufwassers steigt und die geforderte Vorlaufwassertemperatur durch Änderung der Pumpendrehzahl erreicht wird. Bei sinkender Aussentemperatur, d. h. bei steigendem Wasser-Vorlauftemperatursollwert, erhöht somit das Regelgerät 25 die Drehzahl der Umwälzpumpe 7, wodurch einerseits die von der Pumpe geschaffene Druckdifferenz, die Förderhöhe, zwischen Saug- und Druckseite ansteigt und andererseits die Durchsatzmenge wächst. Dieses Ansteigen des Differenzdruckes wird zur Steuerung des Stellorgans 16 in dem Sinne verwendet, dass die Vorlaufleitung 3 entsprechend geöffnet und die Bypassleitung 15 entsprechend geschlossen, m. a. W. gegen die Schliesstellung hin verstellt wird.
Der Ventilteller 20 bewegt sich gegen die Mündung der Bypassleitung 15. Es steigt die Vorlauftemperatur und damit die Wärmeabgabe des Radiators 11, wodurch dem Sinken der Aussentemperatur durch entsprechende Regulierung der Heizungsanlage Rechnung getragen wird und die Temperatur des Zimmers mit dem Radiator 11 im vorgesehenen Temperaturbereich bleibt. Es ist natürlich auch möglich, anstelle des Aussenthermometers ein Zimmerthermometer zu installieren, welches entsprechend auf das Regelgerät 25 einwirkt.
Das Regelgerät 25 ist bezüglich seines Ausgangssignals oder Steuerbefehles den Bedürfnissen der Umwälzpumpe 7 und des Antriebsmotors der Pumpe 7 angepasst. Das Stellorgan 16 ist so dimensioniert und angeordnet, dass es bei extremen Betriebszuständen die Vorlaufleitung 3 voll offen freigibt bzw. die Bypassleitung 15 ganz geschlossen hält oder umgekehrt.
In Fig. 2 wird in schematischer Darstellung ein Ausschnitt aus der Heizungsanlage im Bereich der Umwälzpumpe 7 und der Vorlaufleitung 3 sowie der Bypassleitung 15 gezeigt. Die Vorlaufleitung 3 und die Bypassleitung 15 sind seitlich am Ventilgehäuse 50 angeschlossen. Der Abfluss erfolgt über die Umwälzpumpensaugleitung 5, welcher die Umwäzpumpe 7 folgt. Es sind im Ventilgehäuse 50 zwei Käfige 52 und 54 angeordnet. Auf einer Ventilstange 56 ist für die Vorlauf leitung 3 und für die Bypassleitung 15 je ein Ventiltel; ler 59 bzw. 60 vorgesehen. Eine auf dem Käfig 54 abgestützte Feder 63 erzeugt die entsprechende Rückstellkraft auf die Ventilstange 56. Am einen Ende der Ventilstange 56 befindet sich, der Pumpe 7 zugewendet, ein Schwebekolben 65.
Bedingt durch die gezeigte Anordnung der Ventilteller 59 und 60 tritt ein Druckausgleich am verschiebbaren Teil des Ventils ein. Die durch den Flüssigkeitsdruck bewirkten Kräfte auf die Ventilteller 59 und 60 sind ausgeglichen. Daher wird bei dieser Ausführung die Stellkraft in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl bzw. von der Fördermenge der Pumpe und dem Förderdruck mit Hilfe des Schwebekolbens 65 verändert. Bei steigender Durchsatzmenge wird, bedingt durch die grösseren Schleppkräfte am Schwebekolben 65, dieser gegen die Pumpe 7 hin bewegt, wobei er den Ventilteller 59 des Mischventils für die Heizkesselvorlaufleitung 3 öffnet und den Ventilteller 60 gegen den Sitz des Käfigs 54, d. h. schliessend, bewegt. Die Vorlaufmischtemperatur wird er höht, wie dies durch die Erhöhung der Drehzahl der Umwälzpumpe 7 angestrebt wurde.
Die Feder 63 übernimmt die Gegenkraft der Schleppkraft am Schwebekolben 65. Es ist diese Feder 63 eine Rückführfeder.
Bei der Ausführung gemäss Fig. 3 sind wiederum zwei als Käfige 71 und 72 Einlaufstutzen in einem Ventilgehäuse 70 sowie eine Ventilstange 74 mit den Ventiltellern 77 und 78 vorgesehen. Das freie Ende der Ventilstange 74 ist an einer Membrane 81, welche den Stellmotor darstellt, befestigt. Sie unterteilt, zusammen mit der Umwälzpumpe 7, das Ventilgehäuse 70 in einen Saug- und einen Druckraum. Hier erfolgt, da die Druckkräfte auf die Ventilteller 77 und 78 sich ausgleichen, die Verschiebung der Ventilstange 74 und der Teller 77 und 78 durch die auf die Membrane 81 wirkende Differenz der druckbedingten Kräfte. Diese ergibt auch die nötige Rückstellkraft. Entsprechend der Anderung der Förderhöhe der Pumpe wird bei steigenden Werten die Membrane nach links gedrückt.
Die Öffnung des Mischventils für die Heizkesselvorlaufleitung 3 öffnet sich, indem sich der Ventilteller 77 von seinem Sitz im Käfig 71 entfernt. Die Öffnung des Mischventils für die Bypassleitung 15 schliesst sich, indem der Ventilteller 78 gegen den Sitz seines Käfigs 72 hin bewegt wird. Wird die Pumpendrehzahl der Umwälzpumpe erniedrigt, so sinkt die Druckdifferenz zwischen der rechten und der linken Seite der vorzugsweise bezüglich Härte einstellbaren Membrane 81 und diese verschiebt sich aus ihrer nach links ausgebauchten Lage gegen ihre gestreckte Ruhelage hin, wobei entsprechend der Ventilteller 77 der Heizkesselvorlaufleitung 3 schliesst und derjenige 78 in der Bypassleitung 15 öffnet.
Als Umwälzpumpen können Verdrängerpumpen, Propeller- oder Zentrifugalpumpen verwendet werden, Dabei wird zu deren Antrieb vorteilhafterweise ein drehzahlsteuerbarer Elektromotor benützt, der möglicherweise vom Regelgerät als Leistungsquelle gespiesen wird.
Für die Rückstellung der Ventile können auch andere Mittel als Federn, z. B. pneumatische Elemente benützt werden, deren Einstellung ebenfalls durch entsprechende Mittel, z. B. Blenden usw. ermöglicht ist.
Gegebenenfalls können die Rückstellelemente zentral bedient werden. Auch ist es möglich, mehrere Mengenregulierorgane starr, wie erläutert, oder aber elastisch, z. B. über eine Feder, miteinander verbinden.
Durch die Einstellung der Federkräfte und deren Verhältnis zueinander kann die Heizcharakteristik der Heizanlage bezogen auf das zu heizende Objekt (Gebäude, Gebäudeteil, Raum usw.) eingestellt werden.
Ebenso wird durch die Wahl der Federkräfte der Leistungsbereich, m. a. W. der Arbeitsbereich, in welchem die Umwälzpumpe ausgesteuert wird, bestimmt.
Die Abhängigkeit der Aussentemperatur und der Vorlauftemperatur voneinander, d h. deren Quotient, wird als Steilheit bezeichnet. Ebenfalls im Sinne der Vereinfachung der Apparatur, deren Montage, deren Bedienbarkeit und nicht zuletzt deren elektrischen Teiles, kann das Regelgerät mit all seinen Einstell- und Bedienungsmitteln und, wo gewünscht, mit einer Uhr für das Zeitprogramm, mit der Umwälzpumpe und den Regulierorganen zusammengebaut werden.
Um die Umwälzpumpe dem Heizsystem, in welches sie eingebaut wird, anpassen zu können, ist das einfachste, wenn die Pumpe mit einer veränderbaren, beim Montieren des Systems festzulegenden und einzustellenden Drossel versehen wird, mit deren Hilfe die Widerstandsparabel des ganzen Systems für einen Pumpentyp der Sollwertparabel ausgeglichen wird.
Dazu wird die Drossel mehr oder weniger geschlossen.
Dies ermöglicht, dass die Pumpe mit vorbestimmten Variations-Drehzahlbereich unabhängig vom System angeliefert werden kann, da sie immer auf dem gleichen Kurventeil der Widerstandsparabel läuft.
Eine weitere, jedoch kompliziertere, möglicherweise aber im Betrieb billigere Lösung besteht im Abstimmen des Variations-Drehzahlbereiches durch Einstellung der entsprechenden Pumpendrehzahl zur Erreichung einer vorbestimmten Normaldurchflussmenge pro Radiator. Diese Drehzahleinstellung kann durch Zuschalten von elektrischen Widerständen erfolgen.
Diese Lösung verlangt aber wegen des geänderten Sollwertes der Regel-Druckdifferenz für das Mischorgan auch eine jeweilige Abstimmung dieses Mischorgans.
Der Erfindungsgegenstand bringt eo ipso eine weitere Vereinfachung der elektrischen Installation mit sich:
Die übliche Praxis, bei abgestellter Heizung auch die Umwälzpumpe abzustellen, bedingt für eine automatische Anlage einen zusätzlichen Schalter oder einen Kontakt in der Einrichtung für die Programmwahl und dessen elektrische Verbindungsleitung zur Umwälzpumpe. Beim beschriebenen Regelsystem wird zum Abstellen der Heizung die Umwälzpumpe abgestellt.
Der Pumpendruck wird null, das Ventil in der Kesselvorlaufleitung schliesst und dasjenige in der Bypassleitung öffnet sich.
Ein wesentlicher Gedanke, wie er anhand der Aus führungsbeispiele erläutert wurde, besteht darin, dass ein primärer Regeleingriff mittels des sich ändernden Differenzdruckes zur Hauptsache auf das Beimischungsverhältnis und ein gleichzeitig auftretender, daraus sich ergebender Regeleingriff auf die Umwälzmenge erfolgt, da u. a. eine Verstellung des Beimischventils die Widerstandsparabel des Systems ändert. Es entstehen damit zwei sich unterstützende Stellwirkungen auf die Regelstrecke.