DE19909188A1 - Verfahren zur Regelung der Heizkörpertemperatur - Google Patents

Verfahren zur Regelung der Heizkörpertemperatur

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Abstract

Verfahren zur Regelung einer Temperatur in einem Heizungs- oder Kühlsystem, das zur Temperierung eines Gebäudes oder eines Verkehrsmittels mit mehreren Räumen dient und das in den Räumen angeordnete und von einem Medium durchflossene Wärmeübertragungselemente mit einer Vorlaufleitung und einer Rücklaufleitung aufweist, wobei das Medium von einer Pumpe gefördert wird, wobei einem einzelnen Raum eine separate Pumpe 6 bzw. 7 zugeordnet ist, die ein in dem Raum befindliches Wärmeübertragungselement 3 bzw. 4 mit dem flüssigen und auf Vorlauftemperatur 2 befindlichen Medium versorgt, und wobei die Temperatur theta¶m¶ des im Wärmeübertragungselement 3 bzw. 4 befindlichen Mediums mittels einer Beimischung von Medium mit Rücklauftemperatur theta¶R¶ zum Medium mit Vorlauftemperatur theta¶v¶ verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Temperatur in einem Heizungs- oder Kühlsystem, das zur Temperierung eines Gebäudes oder eines Verkehrsmittels mit mehreren Räumen dient und das in den Räumen angeordnete und von einem Medium durchflossenen Wärmeübertragungselemente mit einer Vorlaufleitung und mit einer Rücklaufleitung aufweist, wobei das Medium von einer Pumpe gefördert wird. Gleichzeitig betrifft die Erfindung ein Heizungs- oder Kühlsystem, das insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Bekanntermaßen werden derartige Heizungs- oder Kühlsysteme von einem zentral angeordneten aktiven Wärmeübertrager, beispielsweise einem Heizkessel, mit Medium versorgt. Das Medium ist auf Vorlauftemperatur gebracht und wird von einer ebenfalls zentral angeordneten Pumpe durch das System gefördert. Die Temperaturregelung innerhalb der einzelnen Räume geschieht derart, daß die Temperatur in einem Raum von einem Fühler gemessen wird und der Durchfluß des Mediums über ein im System befindliches Ventil kontrolliert wird. Die Aufgabe der Temperaturkontrolle und der Durchflußregelung kann vorteilhafterweise von einem im System integrierten Thermostaten bewerkstelligt werden.
Solche Zentralheizungssysteme sind als sogenannte Bedarfsheizungen ausgelegt, welche die voraussichtlich benötigten Heizleistungen über den Druck und die benötigte Vorlauftemperatur an allen Wärmeübertragern gleichermaßen bereitstellen, was zu entsprechenden Energieverlusten führt.
Zu weiteren Energieverlusten trägt bei, daß die Wärmeverteilung in einem jeden Heizkörper inhomogen ist und damit die Wärmeübertragung lediglich von einem Teil der aktiven Fläche des Heizkörpers ausgeht. Dieses Problem der ineffektiven Nutzung der Heizfläche tritt insbesondere dann auf, wenn das Thermostatventil die Zufuhr wegen einer geringeren benötigten Wärmeabgabe drosselt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, das unter dem Einsatz einfacher Mittel eine zuverlässige Regelung der Raumtemperatur gewährleistet und dabei zu einer effektiven Ausnutzung der Leistung des Wärmeübertragers und damit zu einem effektiveren Energieeinsatz führt. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein System zu schaffen, das insbesondere zum Einsatz eines solchen Verfahrens geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch ein System nach Anspruch 7 gelöst.
Die Erfindung beinhaltet im wesentlichen zwei Ideen, die miteinander kombiniert werden und damit zu besonderen Vorteilen gegenüber den bisher bekannten Verfahren und Systemen führen. Die erste Idee betrifft den Einsatz von dezentral im System angeordneten Pumpen, die insbesondere ein einzelnes in einem Raum angeordnetes Übertragungselement beispielsweise einen Heizkörper mit auf Vorlauftemperatur befindlichem Medium versorgen. Die zweite Idee bezieht sich auf die Regelung der Raumtemperatur mittels derartiger dezentraler Pumpen, wobei die mittlere Temperatur des im Wärmeübertragungselement befindlichen Mediums mittels einer Beimischung von Medium mit Rücklauftemperatur zum Medium mit Vorlauftemperatur verändert wird. Die Erfindung ist somit in der besonderen Art der Temperaturregelung und insbesondere der Regelung dezentral angeordneter Pumpen zu sehen, die, in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, innerhalb des von einer am Wärmeübertragungselement vorbeiführenden Bypassleitung definierten Kreislaufes angeordnet sind, wobei die Bypassleitung die Rücklaufleitung mit der Vorlaufleitung verbindet.
Der Vorteil dieser Regelung liegt insbesondere darin, daß mit einem einfachen Heiz- bzw. Kühlsystem ein höherer Grad an Energieausbeute erreicht werden kann. Die optimierte Übertragungsleistung ist dabei insofern auf die homogenere Temperaturverteilung im Heizkörper zurückzuführen, als die Fläche des Wärmetauschers insbesondere im Strahlungsbereich und für die Konvektion erfindungsgemäß wesentlich effektiver zur Übertragung ausgenutzt wird. An dieser Stelle sei betont, daß das im folgenden für Heizsysteme Beschriebene nahezu uneingeschränkt auch für Kühlsysteme gilt. Als vorteilhaft an der Erfindung ist anzusehen, daß das Verfahren von einer konstanten Vorlauftemperatur ausgeht, die wegen der besseren Übertragungsleistung gesenkt werden kann, ohne daß es zu einer Unterversorgung eines Heizkörpers kommt. Das Problem, daß bei hoher Vorlauftemperatur das Thermostatventil zu früh schließt und der verbleibende kleine Durchfluß des Mediums nicht zu einer homogenen Temperaturverteilung auf der Heizfläche führt, ist durch die erfindungsgemäße Regelung gelöst. Die homogenere Temperaturverteilung bringt damit einerseits ein angenehmeres Raumklima und andererseits eine größere Übertragungsleistung bei geringerer Vorlauftemperatur.
Außerdem hat die Temperaturregelung anhand der konstanten Vorlauftemperatur den weiteren Vorteil, daß die Regelung der Kesseltemperatur insofern vereinfacht werden kann, als nunmehr auf eine elektronisch aufwendige bedarfsgeführte Regelung der Kesseltemperatur, z. B. in Abhängigkeit von der Außentemperatur und/oder der Zeit, verzichtet werden kann. Statt dessen braucht lediglich eine ausreichend hohe, aber im Vergleich zu anderen Systemen dennoch niedrige Kesselwasser­ temperatur eingestellt zu werden, die dann durch die erfindungsgemäße Beimischung von Rücklaufmedium zum Vorlaufmedium am Heizkörper optimal ausgenützt wird.
Ein besonders vorteilhaftes Regelverhalten ist dann gewährleistet, wenn die Pumpe direkt im Vor- oder Rücklauf des Heizkörpers entweder hinter der Mündung der Bypassleitung oder vor dem Abzweig der Bypassleitung angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Beimischung des rücklaufenden Mediums unmittelbar gesteuert werden.
Die Regelung der Temperatur funktioniert derart, daß dem System eine Temperatur, beispielsweise eine Raumtemperatur, eine Heizkörpertemperatur oder eine Rücklauftemperatur als Sollwert (Regelgröße) vorgegeben wird. Der Istwert der Temperatur wird mittels eines Fühlers gemessen und die Menge des beizumischenden Mediums wird über eine Stellgröße, beispielsweise die Förderleistung der Pumpe und/oder die Stellung eines oder mehrerer Ventile bis zum Erreichen des Sollwertes eingestellt. Die Regelung kann dabei um beliebige Regelmechanismen ergänzt werden, die beispielsweise selbstlernende Algorithmen enthalten.
Die Mischung der verschieden temperierten Wasserströme kann in einer separaten, vor dem Heizkörper angeordneten Mischkammer, in der Pumpe, in der Leitung oder im Heizkörper geschehen. Im Falle einer Mischung im Heizkörper kann die Bypassleitung auch an geeigneter Stelle direkt in den Heizkörper münden. Die Pumpe beinhaltet vorteilhafterweise ein Drei-Wegeventil mit zwei Einlässen einstellbarer Öffnung und einem Auslaß. Mit einer derartigen Pumpe kann eine optimale Regulierung der Ströme erreicht werden. Dabei findet die Mischung vorteilhafterweise in einer Mischkammer statt, in welche die Einlässe münden.
Um die Menge des aus dem Rücklauf abzuzweigenden Mediums einstellen zu können, ist es vorteilhaft, in der Rücklaufleitung ein stufenlos einstellbares Drei-Wege-Ventil, von dem die Bypassleitung abzweigt, oder hinter dem Abzweig ein einstellbares Absperrventil anzuordnen. Ein ähnlicher Effekt wird dadurch erreicht, daß ein solches Ventil an entsprechender Stelle in der Vorlaufleitung angeordnet ist.
Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Systems näher beschrieben.
In der Figur ist ein Heizungssystem gezeigt, das zur Temperierung eines lediglich angedeuteten Gebäudes mit zwei übereinanderliegenden Räumen dient. Das System wird von einem im Keller befindlichen Heizkessel 1 mit Heizwasser (Pfeil A) einer bestimmten Vorlauftemperatur versorgt. Das heiße Wasser wird über eine Vorlaufleitung 2 den in den Räumen angeordneten Wärmeübertragungselementen (Heizkörpern) 3 und 4 zugeführt. Über eine Rücklaufleitung 5 wird das auf eine Rücklauftemperatur abgekühlte Wasser dem Heizkessel 1 zurückgeführt (Pfeil B).
Die einzelnen Heizkörper 3 und 4 werden über jeweils eine in ihrer Drehzahl regelbare elektrische Pumpe 6 und 7, die im Vorlauf angeordnet ist, mit Heizwasser versorgt. Bei den Pumpen 6 und 7 handelt es sich um dezentral in jeweils einem Raum angeordnete Pumpen, die jeweils für die Versorgung nur eines Raumes bzw. nur eines Heizkörpers vorgesehen sind. Die Regelung der Raumtemperatur erfolgt über eine Beimischung von Wasser mit Rücklauftemperatur ϑR zu dem Wasser mit höherer Vorlauftemperatur ϑV, wobei die Mischung über eine am Heizkörper 3, 4 vorbeiführende Bypassleitung 8 erfolgt, welche die Rücklaufleitung 5 mit der Vorlaufleitung 2 verbindet. Durch die Mischung wird im Heizkörper eine Temperatur von ϑm erzeugt.
In der Figur sind zwei Varianten der möglichen Beimischung gezeigt. In dem oberen Raum ist die Pumpe 7 mit zwei Einlässen und einem Auslaß versehen, wobei die Vorlaufleitung 2 in dem einem und die Bypassleitung 8 in dem anderen Einlaß mündet. Die Mischung findet innerhalb der Pumpe 7 statt. Im Rücklauf ist in Strömungsrichtung hinter dem Abzweig der Bypassleitung 8 ein in seiner Öffnung kontinuierlich einstellbares Ventil 9 angeordnet. Ventil 9 und Pumpe 7 werden über eine gemeinsame Schaltung gesteuert. Mittels der Drehzahl der Pumpe 7 und mittels der Öffnung des Ventiles 9 wird die über die Bypassleitung 8 geförderte Menge an Wasser mit Rücklauftemperatur (Pfeil C) eingestellt, bis die am Temperaturfühler 10 gemessenen Raumtemperatur der vorgegebenen Solltemperatur entspricht. Der Temperaturfühler 10 ist mit der Pumpenelektronik direkt über eine Leitung 11 verbunden.
In unteren Raum ist im Vorlauf des Heizkörpers 3 eine Pumpe 6 mit einem Zulauf und einem Ablauf abgeschlossen. In der Vorlaufleitung 2 vor der Pumpe 6 mündet die Bypassleitung in einer dort vorgesehenen Mischkammer 12. Die Menge des in diese Mischkammer 12 geführten Wassers mit Rücklauftemperatur wird mittels der Pumpendrehzahl und mittels eines Drei-Wege- Ventiles 13 eingestellt. Die Istgröße der Temperatur wird in diesem Falle mittels eines am Heizkörper angebrachten Temperaturfühlers 14 gemessen.

Claims (13)

1. Verfahren zur Regelung einer Temperatur in einem Heizungs- oder Kühlsystem, das zur Temperierung eines Gebäudes oder eines Verkehrsmittels mit mehreren Räumen dient und das in den Räumen angeordnete und von einem Medium durchflossenen Wärmeübertragungselemente mit einer Vorlaufleitung und einer Rücklaufleitung aufweist, wobei das Medium von einer Pumpe gefördert wird, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß einem einzelnen Raum eine separate Pumpe (6, 7) zugeordnet ist, die ein in dem Raum befindliches Wärmeübertragungselement (3, 4) mit dem flüssigen und auf Vorlauftemperatur (2) befindlichen Medium versorgt, und
  • - daß die Temperatur (ϑm) des im Wärmeübertragungselement (3, 4) befindlichen Mediums mittels einer Beimischung von Medium mit Rücklauftemperatur (ϑR) zum Medium mit Vorlauftemperatur (ϑm) verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beimischung über eine am Wärmeübertragungselement (3, 4) vorbeiführende Bypassleitung (8) erfolgt, welche die Rücklaufleitung (5) mit der Vorlaufleitung (2) verbindet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mittels der Pumpe (6, 7) durch die Bypassleitung (8) gefördert wird, wobei die Pumpe (6, 7) an oder hinter der Mündung der Bypassleitung (8) in der Vorlaufleitung
(2) oder an oder vor dem Abzweig der Bypassleitung (8) in der Rücklaufleitung (5) angeordnet ist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß dem System eine Temperatur als Sollwert vorgegeben wird,
  • - daß eine Temperatur als Istwert gemessen wird und
  • - daß zum Erreichen des vorgegebenen Sollwertes der Durchfluß durch die Bypassleitung (8) über die Förderleistung der Pumpe (6, 7) und/oder über die Stellung eines Ventiles (9, 13) geregelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Solltemperatur eine Raumtemperatur vorgegeben wird, die von einem Temperaturfühler (10) gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Solltemperatur eine Rücklauftemperatur vorgegeben wird, die von einem im Rücklauf (5) angeordneten Temperaturfühler gemessen wird.
7. Heizungs- oder Kühlsystem, das zur Temperierung eines Gebäudes oder eines Verkehrsmittels mit mehreren Räumen dient und das in den Räumen angeordnete und von einem Medium durchflossenen Wärmeübertragungselemente mit einer Vorlaufleitung und einer Rücklaufleitung aufweist, wobei einem einzelnen Raum eine separate Pumpe zugeordnet ist, die im Vor- oder Rücklauf eines in dem Raum befindlichen Wärmeübertragungselementes angeordnet ist und dieses mit dem flüssigen und auf Vorlauftemperatur befindlichen Medium versorgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufleitung (5) und die Vorlaufleitung (2) über eine Bypassleitung (8) verbunden sind und daß die Pumpe (6, 7) in dem Kreislauf aus Vorlaufleitung (2), Wärmeübertragungselement (3, 4), Rücklaufleitung (5) und Bypassleitung (8) angeordnet ist.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Pumpe (6, 7) und damit der Durchfluß durch die Bypassleitung (8) regelbar ist.
9. System nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (7) zwei Einlässe aufweist, die in einer Mischkammer münden, und daß die Öffnung der Einlässe durch Ventile in beliebigen Zwischenstellungen steuerbar ist.
10. System nach einem der Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (7) im Vorlauf angeordnet ist und daß in einen Einlaß die Vorlaufleitung (2) und in den anderen Einlaß die Bypassleitung (8) mündet.
11. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rücklaufleitung (5) ein stufenlos einstellbares Drei- Wege-Ventil (13) angeordnet ist, von dem die Bypassleitung (8) abzweigt.
12. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorlaufleitung (2) ein stufenlos einstellbares Drei- Wege-Ventil angeordnet ist, in das die Bypassleitung (8) mündet.
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