DE3508049C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanord­ nung gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Eine solche Schaltungsan­ ordnung geht aus der DE-PS 32 25 141 hervor.

Heizungsanlagen gibt es in den unterschiedlichsten Größenordnungen. Sie sind beispielsweise in Einfami­ lienhäusern, in Mietshäusern, in großen Bürohäusern oder auch bei Firmen mit einer Vielzahl von Gebäuden installiert. In Abhängigkeit von der Größe der Hei­ zungsanlage, die im wesentlichen von der Anzahl der Verbraucher bestimmt wird, ist die benötigte Pumpen­ leistung zu bemessen. So reicht in vielen Fällen eine einzige Umwälzpumpe aus. Bei größeren Anlagen wer­ den eine Hauptpumpe und zusätzliche Pumpen für ein­ zelne Heizkreise eingesetzt. Die maximale Förderlei­ stung wird stets so bemessen, daß alle in einer Anlage befindlichen Verbraucher auch dann ausreichend ver­ sorgt werden können, wenn sie gleichzeitig eingeschal­ tet sind. "Verbraucher" sind dabei beispielsweise Heiz­ körper, Flächenheizungen, Wärmetauscher oder Kli­ maanlagen.

Die volle Pumpenleistung wird nur dann benötigt, wenn alle Verbraucher oder zumindest der größte Teil derselben eingeschaltet ist. In den Zeiten - beispiels­ weise nachts oder in der wärmeren Jahreszeit - in denen nur ein Teil der Verbraucher eingeschaltet ist, kann die Pumpenleistung vermindert werden. Das gilt auch, wenn der von den Verbrauchern benötigte Bedarf beispielsweise über Thermostatventile gedrosselt wird. Wenn die Pumpe in diese Fällen mit voller Leistung weiter fördert, kann es zu störenden Strömungsgeräu­ schen im Rohrsystem der Heizungsanlage kommen. Au­ ßerdem hat die Pumpe dabei durchgehend den maxima­ len Energiebedarf mit entsprechend hohen Stromko­ sten.

Es sind daher Umwälzpumpen auf dem Markt erhält­ lich, deren Elektromotor in Stufen mit unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben werden kann. Die Umschal­ tung kann mit entsprechenden Umschaltern von Hand oder auch automatisch mittels eines Zeitglieds, wie einer Schaltuhr, durchgeführt werden. In beiden Fällen wird die Umschaltung nach Erfahrungswerten zeitabhängig vorgenommen. Eine Anpassung an die tatsächlich benö­ tigte Förderleistung ist nicht möglich. So kann bei den bekannten Verfahren bzw. Anordnungen beispielsweise nicht erfaßt werden, wenn während der Vollastzeit eine größere Anzahl von Verbrauchern abgeschaltet oder während der Zeit mit verminderter Pumpenleistung ei­ ne größere Anzahl von Verbrauchern zugeschaltet wird. Insbesondere im zweiten Fall kann das sehr stören, da der Wärmebedarf insgesamt dann nicht befriedigt wer­ den kann.

Aus der DE-OS 32 30 058 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage bekannt, bei dem zur Regelung der Drehzahl einer Umwälzpumpe die Durchflußmenge des Wärmeträgers als Führungsgröße verwendet wird. Für dieses Verfahren wird ein sehr teures, induktiv arbeitendes Meßgerät zur Erfassung des Volumenstromes eingesetzt. Die Meßgröße dieses Meßgeräts hängt stark von der Zusammensetzung des Wärmeträgers (Wasser) ab. Da die Anzahl der im Wärmeträger vorhandenen Metallteilchen, die zur Erfassung des Volumenstromes benötigt werden, dauernd schwankt, ergeben sich entsprechend ungenaue Meßgrößen bis hin zu Fehlmessungen. Die gleichen Nachteile gelten für das bekannte Verfahren nach der DE-OS 32 11 814, mit welchem die stufenlose Drehzahlregelung bei einer Heizungsanlage auch von der Förderstrommenge des Wassers im Heizkreis bestimmt werden kann.

In der eingangs erwähnten DE-PS 32 25 141 ist eine Schaltungsanordnung beschrieben, bei der zur Steuerung der Umwälzpumpe der Druck auf deren Druckseite und der Druck auf deren Ausgangsseite gemessen werden. Die Druckdifferenz wird zur Regelung der Drehzahl der Umwälzpumpe verwendet. Beispielsweise bei einem geringeren Verbrauch im Heizungssystem steigt der Druck auf der Druckseite. Die Druckdifferenz wird größer und die Pumpe wird auf die nächst kleinere Drehzahlstufe geregelt. In dieser Drehzahlstufe ist der Druck auf der Druckseite der Pumpe in den meisten Fällen so niedrig, daß die Druckdifferenz zu klein wird. Die Umwälzpumpe wird also wieder auf die nächst höhere Drehzahlstufe geregelt. Auf diese Weise pendelt die Umwälzpumpe mit entsprechenden Geräuschen durch Wasserschläge im Heizungssystem zwischen zwei Drehzahlen hin und her. Das stört nicht nur die Bewohner eines Hauses mit einer solchen Heizungsanlage, sondern kann auch zur Zerstörung des Motors der Umwälzpumpe führen. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung werden daher Zeitglieder eingesetzt, mit denen die Umwälzpumpe jeweils nach Umschaltung für eine vorgebbare Zeitdauer in der neuen Drehzahlstufe arbeitet. Das wiederum kann für diese festgelegte Zeitdauer zu einer Unterversorgung oder auch zur nicht gewünschten Überversorgung der Verbraucher in der Heizungsanlage führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mittels derer die För­ derleistung einer Umwälzpumpe automatisch dem tat­ sächlichen Bedarf der in einer Warmwasser-Heizungs­ anlage installierten Verbraucher angepaßt werden kann, und zwar ohne wesentliche Zeit­ verzögerung und ohne störende Geräusche in der Heizungsanlage.

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeich­ nenden Merkmalen des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers der Heizungs­ anlage im Rohrsystem von der Anzahl der zu versor­ genden Verbraucher abhängt. Die Strömungsgeschwin­ digkeit ist am größten, wenn alle Verbraucher der Hei­ zungsanlage in Betrieb sind. Sie wird geringer, wenn Verbraucher der Heizungsanlage abgeschaltet oder ge­ drosselt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit wird von dem Meßgerät erfaßt und in eine proportionale elektrische Spannung umgesetzt.

Je nach Höhe der Spannung wird einer der Schalter geschlossen, wodurch das zugehörige Relais erregt wird und seinen Hauptkontakt schließt. Dadurch wird der Stromkreis des entsprechenden Umschalters geschlos­ sen, wodurch der Elektromotor der Umwälzpumpe auf eine Drehzahl eingestellt wird, die der benötigten För­ derleistung entspricht. Es ist auf diese Weise möglich, die Drehzahl des Elektromotors in Stufen automatisch der Anzahl der zu versorgenden Verbraucher anzupas­ sen.

Im Extremfall wird mit der Schaltungsanordnung die Umwälzpumpe völlig abgeschaltet und durch das Zeitrelais mit niedrigster Drehzahl in Abständen wieder eingeschaltet, bis wieder eine genügend große Anzahl von Verbrauchern angeschlossen ist, so daß die gemessene Strömungsge­ schwindigkeit groß genug ist, um den Elektromotor in einer der vorgegebenen Drehzahlstufen zu betreiben.

Die Schalter können zusätzlich mit einem Bauteil aus­ gerüstet sein, durch welches sie auch dann noch für eine einstellbare Zeitdauer in der geschlossenen Stellung bleiben, wenn die vom Meßgerät gelieferte Spannung unter den für diesen Schalter vorgegebenen Wert sinkt. Kurzzeitige Schwankungen der Strömungsgeschwin­ digkeit des Wassers machen sich dann für die Schal­ tungsanordnung nicht bemerkbar.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Heizungsan­ lage, in welcher die Schaltungsanordnung nach der Er­ findung enthalten ist,

Fig. 2 und 3 unterschiedliche Schaltungsteile der Schaltungsanordnung.

Mit 1 ist ein in einem beliebigen Gebäude aufgestell­ ter Heizkessel bezeichnet, an den über ein Rohrsystem im Gebäude angeordnete Verbraucher angeschlossen sind. Stellvertretend für eine beliebige Anzahl von Ver­ brauchern ist in Fig. 1 ein Verbraucher 2 eingezeichnet. Das Wasser der Warmwasser-Heizungsanlage wird ent­ sprechend den eingezeichneten Pfeilen mittels einer Umwälzpumpe 3 - im folgenden kurz als "Pumpe" bezeichnet - über den Verbraucher 2 zurück zum Heizkessel 1 geführt. Die Pumpe 3 wird von einem Elek­ tromotor angetrieben, der in bekannter Weise mit min­ destens zwei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden kann. Hierzu kann der Elektromotor beispiels­ weise zwei Wicklungen haben, die wahlweise einge­ schaltet werden können.

Im Rohrsystem der Heizungsanlage ist ein Meßge­ rät 4 angeordnet, das die Strömungsgeschwindigkeit des zurückströmenden Wassers erfaßt und eine porportio­ nale elektrische Gleichspannung liefert. Das Meßgerät 4 ist im darge­ stellten Ausführungsbeispiel im Rücklaufrohr der Heizungs­ anlage installiert. Solche Meßge­ räte sind bekannt. Sie arbeiten beispielsweise mittels Ultraschalls. Das Meßgerät 4 kann beispielsweise eine Gleichspannung bis zu 10 V liefern, die der maximalen Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohrsystem entspricht, wenn alle Verbraucher der Heizungsan­ lage voll eingeschaltet sind. Die Wassermenge ent­ spricht dabei 100%. Wenn die Wassermenge und damit auch die Strömungsgeschwindigkeit um 10% zurück­ geht, dann sinkt auch die vom Meßgerät 4 gelieferte Gleichspannung von 10%, also um 1 V.

An das Meßgerät 4 ist ein Regler 5 angeschlossen, dessen genauerer Aufbau aus den Fig. 2 und 3 hervor­ geht. Durch den Regler 5 wird eine im Prinzip bekannte Steuereinheit 6 angesteuert, durch welche der Elektro­ motor der Pumpe 3 stufenweise auf unterschiedliche Drehzahlen umgeschaltet werden kann. Bei bekannten Ausführungen sind dazu in der Steuereinheit 6 beispiels­ weise Schütze angebracht, die von Hand oder elektrisch über eine Schaltuhr betätigt werden können.

Die Umschaltung der Drehzahlen des Elektromotors der Pumpe 3 wird entsprechend der Erfindung durch den Regler 5 wie folgt durchgeführt:

Je nach Anzahl der Drehzahlstufen des Elektromo­ tors der Pumpe 3 ist der Regler 5 mit einer korrespon­ dierenden Anzahl von spannungsabhängig betätigbaren Schaltern ausgerüstet. Die Schalter sind im dargestell­ ten Ausführungsbeispiel als Transistoren ausgebildet. In Fig. 2 sind drei Transistoren 7, 8 und 9 eingezeichnet, entsprechend zwei Drehzahlstufen des Elektromotors der Pumpe 3. In den Strompfaden der Transistoren 7, 8 und 9 liegen Relais 10, 11 und 12, die entsprechend Fig. 3 zur Ansteuerung der Steuereinheit 6 dienen.

An die Steuerelektroden (Basis) der Transistoren 7, 8 und 9 sind Spannungsteiler bzw. Potentiometer 13, 14 und 15 angeschlossen, durch welche die Transistoren auf unterschiedliche Spannungswerte eingestellt werden können, bei denen sie stromdurchlässig werden. Wenn das Meßgerät 4 - wie schon erwähnt - maximal 10 V liefert, dann kann der Transistor 7 bei 3 V stromdurch­ lässig werden. Der Transistor 8 wird beispielsweise auf 6 V eingestellt und der Transistor 9 auf 9 V. Bei mehr Drehzahlstufen und entsprechend mehr Transistoren wird die Aufteilung entsprechend angepaßt. Der Regler 5 ist über einen Transformator 16 und eine Gleichrich­ terschaltung 17 an das 220 V-Wechselstromnetz 18 an­ geschlossen. Er wird beispielsweise mit 12 V Gleich­ spannung versorgt, die zwischen dem Phasenleiter P und Masse M anstehen.

Vor Inbetriebnahme der Heizungsanlage wird die Schaltungsanordnung mit dem Meßgerät 4 und dem Regler 5 auf die Gegebenheiten der Anlage eingestellt. Dabei wird mit maximaler Last bei voll aufgedrehten Verbrauchern begonnen. Durch Abschalten von immer mehr Verbrauchern wird die Wassermenge, die durch das Rohrsystem strömt, nach und nach gedrosselt.

In Fig. 2 sind aus Platzgründen nur drei Transistoren mit zugehörigen Relais für zwei Drehzahlstufen darge­ stellt. Die Schaltung ist - wie schon erwähnt - in gleicher Weise, wie dargestellt, erweiterbar, beispiels­ weise auf vier Drehzahlen, die in Fig. 3 durch die Ziffern I bis IV in der Steuereinheit 6 angedeutet sein soll. Es werden dementsprechend fünf Transistoren mit fünf Relais und fünf Spannungsteilern benötigt. In Fig. 3 sind nur die fünf Relais 10, 11, 12, 19 und 20 dargestellt, die alle einen Hauptkontakt a und einen Hilfskontakt b auf­ weisen, die starr miteinander verbunden sind. Die Schal­ tungsanordnung soll so ausgelegt sein, daß die Dreh­ zahlstufe I bei 4,5 V, die Drehzahlstufe II bei 6,0 V, die Drehzahlstufe III bei 7,5 V und die Drehzahlstufe IV bei 9,0 V der vom Meßgerät 4 gelieferten Spannung einge­ schaltet werden.

Es sei angenommen, daß vom Meßgerät 4 eine Span­ nung von 4 V geliefert wird. Dadurch wird zunächst der Transistor 21 durchgeschaltet, so daß am Spannungstei­ ler 13 eine genügend hohe Spannung ansteht, um den Transistor 7 durchzuschalten, der bei eine Spannung von 3 V stromdurchlässig wird. Dadurch wird der Hauptkontakt a des Relais 10 geschlossen, so wie in Fig. 3 dargestellt. Die Schaltungsanordnung ist damit in Bereitschaft.

Wenn die vom Meßgerät 4 gelieferte Spannung über 4,5 V steigt, dann wird auch der Transistor 8 strom­ durchlässig und das Relais 11 wird erregt, dessen Haupt­ kontakt schließt. Damit wird die Spannung von 220 V, welche zwischen Phase L und Nulleiter N anliegt durch­ geschaltet und die Drehzahlstufe I wird für den Elektro­ motor der Pumpe 3 eingeschaltet.

Bei weiter steigender Spannung am Meßgerät 4, also bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit, wird das Relais 12 erregt, dessen Hauptkontakt a schließt, wäh­ rend sein Hilfskontakt b öffnet und damit die Spannung für das Relais 11 wegschaltet, so daß die Drehzahlstufe I nicht mehr mit Strom versorgt wird. Statt dessen wird die Drehzahlstufe II eingeschaltet. Bei weiter steigender Spannung folgen das Relais 19, dessen Hilfskontakt den Strom für das Relais 12 unterbricht und zum Schluß das Relais 20, dessen Hilfskontakt den Strom für das Relais 19 unterbricht. Bei sinkender Strömungsgeschwindig­ keit werden die Relais in umgekehrter Richtung betä­ tigt.

Damit sich kleine Schwankungen der Strömungsge­ schwindigkeit und damit geringe Spannungsschwankun­ gen am Ausgang des Meßgeräts 4 nicht mit dauerndem Umschalten der Drehzahl des Elektromotors bemerk­ bar machen, bleiben die Transistoren der Relais auch dann für einen einstellbaren Zeitraum noch stromdurch­ lässig, wenn die Spannung des Meßgeräts 4 unter den vom zugehörigen Spannungsteiler vorgegebenen Wert sinkt. Hierzu ist jeweils an die Basis der Transistoren 7, 8 und 9 ein Kondensator 22 angeschlossen, der entspre­ chend seiner Kapazität als zeitlich begrenzte Span­ nungsquelle dient. Erst wenn die Spannung des Meßge­ räts 4 über einen längeren Zeitraum von beispielsweise 2 min unter dem vorgegebenen Wert bleibt, wird der zu­ gehörige Transistor stromundurchlässig. Der Haupt­ kontakt a des entsprechenden Relais öffnet dann, wäh­ rend sein Hilfskontakt b schließt.

Die Kondensatoren 22, welche als Hilfsspannungs­ quelle anzusehen sind, werden aufgeladen, sobald der Transistor 21 stromdurchlässig ist. Wenn die vom Meß­ gerät 4 gelieferte Spannung nach einer längeren Vol­ lastzeit beispielsweise unter 6 V sinkt, dann liegt zwi­ schen der Steuerlinie S und Masse M nur noch 6 V an. Der Transistor 9 würde dann gesperrt werden. Damit das nicht sofort geschieht, liefert der Kondensator 22 eine Spannung, welche den Transistor 9 noch strom­ durchlässig hält. Um zu verhindern, daß der Kondensa­ tor 22 zu schnell entladen wird, sind Sperrdioden 23 und 24 vorgesehen. Der Kondensator 22 entlädt sich daher über den Widerstand 25, dessen Größe die Zeitkonstan­ te der Entladung bestimmt.

Wenn die vom Meßgerät 4 gelieferte Spannung unter 3 V sinkt, werden alle Transistoren stromundurchlässig, und zwar auch der Transistor 7, so daß auch der Haupt­ kontakt a des Relais 10 geöffnet wird, während dessen Hilfskontakt b schließt. Der Elektromotor der Pumpe 3 erhält dann keinen Strom mehr. Die Pumpe 3 bleibt stehen. Dieser Fall tritt ein, wenn von den Verbrauchern der Heizungsanlage keine Wasserversorgung mehr an­ gefordert wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohrsystem geht dann gegen Null und das Meßgerät 4 liefert keine Spannung mehr.

Wenn dann Verbraucher der Heizungsanlage wieder eingeschaltet werden, erhalten sie keine Versorgung, da die Pumpe 3 stillsteht und mangels Strom auch nicht wieder anläuft. Um diesen Fall auszuschließen, ist ein Zeitrelais 26 vorgesehen, das durch Schließen seines Kontaktes 27 den Elektromotor kurzzeitig über den Hilfskontakt b des Relais 10 an Spannung legt. Die Pum­ pe 3 läuft dann an. Wenn mindestens ein Verbraucher eingeschaltet ist, ergibt sich im Rohrsystem eine Strö­ mung und das Meßgerät 4 liefert eine proportionale Spannung. Es läuft dann der oben geschilderte Vorgang ab. Wenn kein Verbraucher eingeschaltet ist, fällt das Zeitrelais 26 wieder ab. Es schließt dann nach kurzer Zeit erneut.

Die geschilderte automatische Ansteuerung der Drehzahlstufen I-IV mit der Schaltungsanordnung nach den Fig. 2 und 3 läuft ab, wenn der Schalter 28 seine in Fig. 3 eingezeichnete Position hat. Sollte in der Schaltungsanordnung einmal eine Störung sein, dann kann die Steuerung auch wie bisher bekannt von Hand vorgenommen werden. Der Schalter 28 brauchen dann nur in die entsprechenden Stellungen 1 bis 4 gedreht zu werden.

Die Schaltungsanordnung ist nicht auf Elektromo­ toren mit zwei oder vier Drehzahlstufen beschränkt. Es können auch Elektromotoren mit drei oder mehr als vier Drehzahlstufen verwendet werden.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Einstellen der Förder­ leistung einer durch einen Elektromotor antreibba­ ren Umwälzpumpe, die im Rohrsystem einer Warmwasser-Heizungsanlage angeordnet ist und deren Elektromotor durch Umschalter stufenweise mit mindestens zwei unterschiedlichen Drehzahlen antreibbar ist, mit welcher das von einem Heizkes­ sel kommende Wasser durch in unterschiedlichen Räumen der Heizungsanlage befindliche Verbrau­ cher gepumpt und über ein Rücklaufrohr zurück zum Heizkessel bewegt wird, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß im Rohrsystem ein die Strö­ mungsgeschwindigkeit des Wassers erfassen­ des Meßgerät (4) angebracht ist, das eine der Strömungsgeschwindigkeit proportionale elektrische Spannung liefert,
• - daß mit dem Meßgerät (4) ein an eine Span­ nungsquelle angeschlossener Regler (5) mit ei­ ner der Anzahl der Drehzahlstufen des Elek­ tromotors entsprechenden Anzahl von span­ nungsabhängig betätigbaren Schaltern ver­ bunden ist, von denen jeder für einen anderen Spannungswert ausgelegt ist,
• - daß im Stromkreis jedes Schalters ein Re­ lais angeschlossen ist,
• - daß jedes Relais mit einem Hauptkontakt (a) ausgerüstet ist, der mit einem der für den Elektromotor vorgesehenen Umschalter in ei­ nem Stromkreis liegt,
• - daß die Relais über einen Hilfskontakt (b) so gegeneinander verriegelt sind, daß immer nur eine der Drehzahlstufen des Elektro­ motors an Spannung liegt und
• - daß ein Zeitrelais (26) vorhanden ist, durch welches das Relais der kleinsten Stufe bei Stillstand des Elektromotors in zeitlichen Abständen betätigt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jeden Schalter ein Bauteil angeschlossen ist, durch welches der Schalter bei Unterschreiten seiner Durchschaltspannung für ei­ nen einstellbaren Zeitraum weiter in seiner strom­ durchlässigen Stellung gehalten wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil als Kondensator (22) ausgebildet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kondensator (22) und dem Schalter eine Sperrdio­ de (23) angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Relais jeweils eine Sperrdiode (24) angeschlos­ sen ist.