DE3517902C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur leistungsmäßig gesteuerten Inbetriebnahme bzw. Abschaltung von Heizkesseln nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-OS 31 12 220 bekannt. Das für die Zu- und Abschaltung von Wärmeerzeugern nötige Schaltkriterium wird dabei aus den Abweichungen der Vorlauftemperatur vom Sollwert abgeleitet. Dabei ist keine Gewähr geboten, daß jeder Heizkessel möglichst nahe seinem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden kann. Der Heizkesselwirkungsgrad sinkt im allgemeinen mit geringer werdender Kesselbelastung ab, jedoch gibt es Heizkessel, deren größter Wirkungsgrad unterhalb ihrer Vollast erreicht wird, während bei Vollast der Wirkungsgrad wieder kleiner ist.

Aus der DE-OS 27 10 353 ist ein Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer aus mehreren Kraftmaschinen bestehenden Maschinenanlage bekannt, bei dem die Energiezufuhr zu jeder Kraftmaschine geändert, die sich aufgrund dieser Änderung der Energiezufuhr einstellende Leistungsabgabeänderung gemessen, die sich dann ergebende Betriebskostenänderung für jede Maschine durch Bildung des Quotienten aus den Kosten der Energiezufuhränderung und der Leistungsabgabeänderung ermittelt und beim Auftreten von Leistungsbedarfsänderungen die Kraftmaschine mit der höchsten Betriebskostenänderung ausgewählt und deren Energiezufuhr in entsprechender Weise verändert wird. Die Lösung steht im Zusammenhang mit Problemen, die sich daraus ergeben, daß einerseits Brennstoffe unterschiedlichen Heizwertes, nämlich beispielsweise Kohle, Öl und Holzspäne wechselnder Qualität, verwendet werden, und daß andererseits der Maschinenanlage unterschiedliche Energieformen wie Naß- und Heißdampf und elektrische Energie in wechselnden Anteilen entnommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem wenigstens zwei Heizkessel energieoptimal zu- oder abgeschaltet werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Verfahren der eingangs genannten Art im Anspruch 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 aufgeführt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Zeichnungsfigur näher erläutert.

Mit HK 1 und HK 2 sind zwei zueinander hydraulisch parallel geschaltete Heizkessel bezeichnet, die an einen gemeinsamen Sammelvorlauf 1 und einen Sammelrücklauf 2 eines weiter nicht dargestellten Heizungsnetzes angeschlossen sind. In einen Rücklauf 3 des ersten Heizkessels HK 1 sind ein erster Dreiwegmischer 4 und eine erste Umwälzpumpe 5 eingebaut. Vom Dreiwegmischer 4 führt eine erste Beipaßleitung 6 zu einem Vorlauf 7 des Heizkessels HK 1, wobei der Dreiwegmischer 4 hydraulisch so geschaltet ist, daß er in seiner einen Endstellung den Zufluß von Sammelrücklauf 2 und in seiner zweiten Endstellung die Beipaßleitung 6 absperrt. Steht der Heizkessel HK 1 nicht in Betrieb, dann ist der Zufluß vom Sammelrücklauf 2 verschlossen und die Umwälzpumpe 5 ausgeschaltet.

Der zweite Heizkessel HK 2 ist dem ersten Heizkessel HK 1 parallel geschaltet und die Beschaltung ist der des Heizkessels HK 1 entsprechend. In einem Rücklauf 8 des Heizkessels HK 2 sind ein zweiter Dreiwegmischer 9 sowie eine zweite Umwälzpumpe 10 eingebaut. Vom zweiten Dreiwegmischer 9 führt eine zweite Beipaßleitung 11 zu einem Vorlauf 12 des Heizkessels HK 2, wobei der zweite Dreiwegmischer 9 hydraulisch analog zum ersten Dreiwegmischer 4 so geschaltet ist, daß er in seiner einen Endstellung den Zufluß vom Sammelrücklauf 2 und in seiner zweiten Endstellung die Beipaßleitung 11 absperrt. Steht der Heizkessel HK 2 nicht in Betrieb, dann ist der Zufluß vom Sammelrücklauf 2 verschlossen und die Umwälzpumpe 10 ausgeschaltet.

Der Vorlauf 7 des Heizkessels HK 1 und der Vorlauf 12 des Heizkessels HK 2 münden in den Sammelvorlauf 1; der Sammelrücklauf 2 verzweigt in den Rücklauf 3 des Heizkessels HK 1 und den Rücklauf 8 des Heizkessels HK 2

Am Heizkessel HK 1 sind ein erster Brenner 13 sowie ein erster Kesseltemperaturfühler 14 angebaut, am Heizkessel HK 2 in analoger Weise ein zweiter Brenner 15 und ein zweiter Kesseltemperaturfühler 16. Am Rücklauf 3 des Heizkessels HK 1 ist außerdem ein erster Rücklauftemperaturfühler 17 montiert, am Rücklauf 8 des Heizkessels HK 2 ein zweiter Rücklauftemperaturfühler 18.

Ein Steuergerät 19 enthält einen Rechner 20 sowie die nötigen Ein- und Ausgänge für die Meßwerterfassung und für die Erteilung der nötigen Befehle. Ferner weist er zwei Anschlüsse 21 für eine Speisespannung auf.

Mit gestrichelten Linien sind elektrische Verbindungen vom Steuergerät 19 zu den einzelnen Apparaturen gezeichnet. Über eine erste Steuerleitung 22 läßt sich die Umwälzpumpe 5 ein- bzw. ausschalten, über eine zweite Steuerleitung 23 die Umwälzpumpe 10. Über eine erste Meßleitung 24 bzw. eine zweite Meßleitung 25 werden die von den Rücklauftemperaturfühlern 17 bzw. 18 gemessenen Temperaturen dem Steuergerät 19 übermittelt. Eine weitere Steuerleitung 26 übermittelt die Steuersignale vom Steuergerät 19 an einen ersten Mischerantrieb 27, der den Dreiwegmischer 4 steuert. Analog dazu übermittelt eine weitere Steuerleitung 28 die Steuersignale vom Steuergerät 19 an einen zweiten, den Dreiwegmischer 9 steuernden Mischerantrieb 29. Weitere Meßleitungen 30 und 31 melden die von den Kesseltemperaturfühlern 14 bzw. 16 gemessenen Temperaturen an das Steuergerät 19. Über eine weitere Steuerleitung 32 übermittelt das Steuergerät 19 Befehle an den Brenner 13; mittels einer ersten Meldeleitung 33 meldet der Brenner 13 an das Steuergerät 19 zurück, ob er in Betrieb ist oder nicht. Entsprechend ist der Brenner 15 mit dem Steuergerät 19 durch eine weitere Steuerleitung 34 und eine zweite Meldeleitung 35 verbunden.

Das hier zu beschreibende Verfahren der leistungsmäßig gesteuerten Inbetriebnahme bzw. Abschaltung von Heizkesseln ist nicht nur für eine Anlage gemäß der Fig. 1 anwendbar, sondern darüber hinaus sowohl für Kesselkaskaden mit mehr als zwei Heizkesseln, als auch für Anlagen mit abweichender hydraulischer Schaltung.

Jede Kombination aus Heizkessel und Brenner kann im Dauerbetrieb eine bestimmte Maximalleistung abgeben. Deren Größe wird dem Rechner 20 als Parameter, zum Beispiel in Form einer Potentiometerstellung, eingegeben. Es ist aber auch möglich, statt der Maximalleistung jedes Kessels das Verhältnis der Maximalleistungen der installierten Kessel einzugeben. Weiterhin ist es möglich, daß man den Rechner 20 so ausbildet, daß er aufgrund der Zu- und Abschaltungen der einzelnen Heizkessel und der sich daraus ergebenden Leistungsbilanzen selbstadaptierend in einem Lernverfahren das Verhältnis der Maximalleistungen der Heizkessel erlernt.

Bei einer gegebenen Last im Heizkreis wird der Brenner 13 bzw. 15 des in Betrieb stehenden Heizkessels HK 1 und HK 2 - oder allenfalls auch beide - vom Steuergerät 19 mit einem der Last entsprechenden Einschaltverhältnis ε ein- und ausgeschaltet. Das Steuergerät 19 kann aus den an den Meldeleitungen 33 und 35 anstehenden Informationen darüber, ob die Brenner 13 bzw. 15 in Betrieb sind, für den Brenner 13 das Einschaltverhältnis ε₁ und für den Brenner 15 das Einschaltverhältnis ε₂ ermitteln. Aus dem Produkt der von jedem Heizkessel HK 1, HK 2 bekannten Maximalleistung und den laufend ermittelten Einschaltverhältnissen ε₁ für den Brenner 13 bzw. ε₂ für den Brenner 15 wird periodisch approximativ die momentane Leistung bestimmt. Daraus wird eine Gesamtleistungsbilanz erstellt, was so zu verstehen ist, daß die momentan nötige Leistung mit der Leistungsfähigkeit der einzelnen Heizkessel verglichen wird. Anhand dieses Vergleichs kann der Rechner 20 unter Berücksichtigung des energieoptimalen Umschaltpunktes entscheiden, ob ein Heizkessel zu- oder abgeschaltet werden soll.

Der energieoptimale Umschaltpunkt berechnet sich in bekannter Weise aus den Brennstoffbedarfs-Kurven der einzelnen Heizkessel und der Kesselkombinationen.

Das Zuschalten eines Heizkessels ist nur dann sinnvoll, wenn die Last nach dem Zuschalten während längerer Zeit so hoch ist, daß der Energiegewinn durch den höheren Wirkungsgrad nach dem Zuschalten eines Heizkessels größer ist als der Energieaufwand für das Aufheizen des zuzuschaltenden Heizkessels. Um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, daß ein Heizkessel bereits bei einer nur kurzzeitigen Lasterhöhung zugeschaltet wird, muß eine relativ lange Zuschalt- Wartezeit gewählt werden, während der die Belastung über dem energieoptimalen Umschaltpunkt gewesen sein muß, ehe ein weiterer Heizkessel zugeschaltet wird.

Beim Abschalten eines Heizkessels muß andererseits die Belastung während einer Abschalt-Wartezeit unter dem energieoptimalen Umschaltpunkt gewesen sein, ehe der Heizkessel abgeschaltet wird.

Der Rechner 20 kann das Zu- oder Abschalten der Heizkessel in einer festgelegten Reihenfolge veranlassen. Es ist aber auch möglich, den Rechner 20 so zu programmieren, daß er aufgrund der Gesamtleistungsbilanz jenen Heizkessel auswählt, der den Wärmebedarf langfristig mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad zu erbringen vermag. Bei Anlagen mit mehr als zwei Heizkesseln kann der Rechner 20 unter Berücksichtigung des höchstmöglichen Wirkungsgrades auch mehr als einen Heizkessel zu- oder abschalten.

Für einen energieoptimalen Betrieb muß der Verlauf des Kesselwirkungsgrades über der Belastung jedes Heizkessels berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung des Wirkungsgradverlaufs der einzelnen Heizkessel kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Es ist möglich, in einem dem Rechner 20 zugeordneten Speicher den Verlauf der Wirkungsgradkurven in Funktion der Belastung anzulegen, beispielsweise derart, daß für jeden Heizkessel eine Anzahl von Wertepaaren abgespeichert wird, zwischen denen zu interpolieren der Rechner 20 imstande ist. Der Rechner 20 kann aus den Wirkungsgradkurven der einzelnen Heizkessel die energieoptimalen Umschaltpunkte selbst berechnen. Eine andere Lösung besteht darin, aus den Daten der installierten Heizkessel in bekannter Weise die energieoptimalen Umschaltpunkte für die einzelnen Heizkessel vor Inbetriebnahme der Anlage zu berechnen und dem Rechner 20 beziehungsweise dessen Speicher diese energieoptimalen Umschaltpunkte einzugeben.

Die relativ lange Zuschalt-Wartezeit muß dann als zu lang angesehen werden, wenn der in Betrieb stehende Heizkessel auf Vollast läuft und den Leistungsbedarf nicht mehr decken kann. Bei Vollast-Betrieb wird deshalb anstelle der Zuschalt-Wartezeit eine Sperrfrist vorgesehen, die wesentlich kürzer bemessen ist, um das Einhalten der geforderten Vorlauftemperatur zu gewährleisten.

Da in einem Heizkreis vorübergehend große Lasten auftreten können, z. B. dann, wenn von einem Nachtprogramm mit reduzierter Raumtemperatur auf ein Tagprogramm mit an der Behaglichkeit orientierter Raumtemperatur umgeschaltet wird, ist es in vielen Fällen nicht sinnvoll, nur zwecks Deckung dieser kurzzeitigen Lastspitze einen weiteren Heizkessel, im Fall einer Anlage mit mehr als zwei Kesseln sogar mehrere, in Betrieb zu nehmen. Eine solche Lastspitze macht sich in einem Unterschreiten der Soll-Vorlauftemperatur bemerkbar und kann darüber hinaus auch daran erkannt werden, daß der im Moment in Betrieb stehende Heizkessel auf Vollast läuft. Für den Fall, daß die Soll-Vorlauftemperatur unterschritten ist, ist die Sperrfrist vorgesehen, die vorerst ein Zuschalten eines weiteren Heizkessels verhindert. Zu diesem Zweck kann die Kesseltemperatur des in Betrieb stehenden Heizkessels oder auch die Temperatur am gemeinsamen Vorlauf 1, falls dort ein Temperaturfühler angeordnet ist, gemessen, und ein Zuschalten eines weiteren Heizkessels nach dem Ablauf der Sperrfrist dann verhindert werden, wenn der zeitliche Verlauf der Sollwertunterschreitung so ist, daß innerhalb einer vorgegebenen Zeit der Sollwert vermutlich wieder erreicht sein wird.

Vorteilhaft wird der Temperaturverlauf während der Zuschalt-Sperrfrist periodisch erfaßt. Je mehr der Istwert der Vorlauf- bzw. Kesseltemperatur den Sollwert unterschreitet, desto kürzer wird die Sperrfrist; je geringer die Differenz zwischen Soll- und Istwert, desto größer wird die Sperrfrist. Die Sperrfrist wird demnach variabel.

Ferner ist es wirtschaftlich von Vorteil, für die Zuschalt-Entscheidung auch die Temperatur des allenfalls in Betrieb zu setzenden Heizkessels zu berücksichtigen. Es ist daher sowohl die Sperrfrist als auch die Zuschalt-Wartezeit zusätzlich von der Temperaturdifferenz zwischen dem in Betrieb stehenden Heizkessel und dem zuzuschaltenden Heizkessel abhängig. Sperrfrist und Zuschalt-Wartezeit sind um so kleiner, je kleiner diese Temperaturdifferenz ist. Damit wird erreicht, daß ein noch warmer Heizkessel rascher wieder zugeschaltet wird als ein gänzlich ausgekühlter.

Wie vorangehend beschrieben, werden zur Erfassung der Kesselleistung die Einschaltverhältnisse ε₁, ε₂ der Brenner 13, 15 benötigt. Dabei ist es von Wichtigkeit, als Berechnungsgrundlage immer die neuesten Werte der Einschaltverhältnisse ε₁, ε₂ zur Verfügung zu haben. Die Einschaltverhältnisse e₁, ε₂ werden daher laufend aus der Dauer der beiden zuletzt abgelaufenen Betriebszustände des Brenners bzw. der Brenner, das heißt aus einem Ein-Aus-Zyklus, nach der Formel ermittelt. Die zuletzt ermittelten Werte von ε₁ und ε₂ werden als Berechnungsgrundlage bis zum nächsten Schaltereignis beibehalten, doch höchstens so lange, bis die aus der Zeitdauer des momentanen Schaltzustandes und der Zeitdauer des unmittelbar vorangegangenen Schaltzustandes hervorgegangenen Einschaltverhältnisse und die aus den beiden vorausgegangenen, abgeschlossenen Schaltzuständen ermittelten Werte wieder erreicht haben. Ist bis dahin kein neues Schaltereignis eingetreten, werden periodisch neue Einschaltverhältnisse und aus der Dauer des vorangegangenen Schaltzustandes und der bisherigen Dauer des momentanen Schaltzustandes errechnet und diese neuen Einschaltverhältnisse und für die Berechnung der momentanen Kesselleistung verwendet. Damit ist Gewähr geboten, daß die momentane Kesselleistung aus den aktuellen Daten bestimmt wird.

Ferner ist der Rechner 20 im Hinblick auf die Verhütung von Kesselkorrosion so programmiert, daß ein einmal zugeschalteter Heizkessel mit Sicherheit eine Minimaltemperatur erreicht und über mindestens einen Schaltzyklus beibehält, bevor der Heizkessel beispielsweise wegen sehr raschen Abfallens einer Lastspitze wieder außer Betrieb gesetzt werden kann.

Das erläuterte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf zwei oder mehr Heizkessel mit einstufigen Brennern. Das Verfahren ist aber sinngemäß auch für Heizkessel mit zweistufigen Brennern anwendbar, wobei sich dann die beschriebenen Ein- und Ausschaltbefehle des Steuergerätes 19 auf den Betrieb mit nur einer oder mit beiden Brennerstufen beziehen.

Auch Heizkessel mit einem modulierenden Brenner können im beschriebenen Verfahren verwendet werden. Anstelle der Bestimmung der Einschaltverhältnisse erfaßt der Rechner 20 dann die Öffnungsstellungen jenes Mechanismus, der die Brennstoff/Luft-Menge entsprechend der Kesselleistung bestimmt. Dazu kann beispielsweise ein Potentiometer dienen, das vom vorgenannten Mechanismus verstellt wird.

Das beschriebene Verfahren erlaubt es, mit geringem Aufwand eine Kesselkaskade zu steuern, bei der neben einem optimalen Wirkungsgrad auch noch die Erfordernisse zur Verhütung von Kesselkorrosion infolge des Betriebes bei zu tiefer Kesseltemperatur berücksichtigt werden können.

Anwendbar ist dieses Verfahren auch beim Betrieb von Kaskaden mit anderen Wärme- oder Kälteerzeugern, deren Leistung nicht stetig geregelt werden kann, beispielsweise zwei- oder mehrstufige Wärmepumpen oder Kältemaschinen.

Claims (2)

1. Verfahren zur leistungsmäßig gesteuerten Inbetriebnahme bzw. Abschaltung von Heizkesseln (HK 1, HK 2), die in Parallel- oder Kaskadenschaltung an den Sammelvorlauf (1) und Sammelrücklauf (2) eines Heiznetzes angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Produkt der von jedem Heizkessel (HK 1, HK 2) bekannten absoluten oder relativen Maximalleistung und dem laufend gemessenen Einschaltverhältnis ( ε₁, ε₂) des jeweiligen Brenners (13, 15) eine Gesamtleistungsbilanz erstellt wird und auf dieser basierend Heizkessel (HK 1, HK 2) zu- bzw. abgeschaltet werden, wobei das Einschaltverhältnis ( ε₁, ε₂) jedes Brenners (13, 15) laufend aus der Dauer der beiden zuletzt abgelaufenen Betriebszustände des dem Heizkessel (HK 1, HK 2) zugeordneten Brenners (13, 15), d. h. aus einem Ein-Aus-Zyklus, nach der Formel berechnet wird und der zuletzt ermittelte Wert ( ε₁, ε₂) als Berechnungsgrundlage bis zum nächsten Schaltereignis beibehalten wird, doch höchstens so lange, bis das aus der Zeitdauer des momentanen Schaltzustandes und der Zeitdauer des unmittelbar vorangegangenen Schaltzustandes hervorgegangene Einschaltverhältnis ( ε₁, ε₂) den aus den beiden vorausgegangenen, abgeschlossenen Schaltzuständen ermittelten Wert wieder erreicht hat, und daß dann periodisch ein neues Einschaltverhältnis () aus der Dauer des vorangehenden Schaltzustandes und der bisherigen Dauer des momentanen Schaltzustandes errechnet und dieses neue Einschaltverhältnis () für die Berechnung der momentanen Leistung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtleistungsbilanz mittels eines Rechners (20) durchgeführt wird, der aufgrund der Bilanzwerte den oder die Heizkessel (HK 1, HK 2) auswählt, die den Wärmebedarf langfristig mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad zu erbringen vermögen. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtleistung während einer vorgegebenen Zuschalt-Wartezeit über einem energieoptimalen Umschaltpunkt gewesen sein muß, ehe ein weiterer Heizkessel (HK 2; HK 1) zugeschaltet wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtleistung während einer vorgegebenen Abschalt-Sperrzeit unter dem energieoptimalen Umschaltpunkt gewesen sein muß, ehe ein Heizkessel (HK 2; HK 1) abgeschaltet wird.5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem eine Zuschaltung eines weiteren Heizkessels (HK 1, HK 2) infolge des Absinkens der Vorlauf-Isttemperatur unter die Vorlauf-Solltemperatur erst nach dem Ablauf einer Sperrfrist und nur dann vorgenommen wird, wenn innerhalb der Sperrfrist ein minimal geforderter Temperaturanstieg nicht erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Vorlauftemperatur während der Sperrfrist periodisch erfaßt wird und daß die Sperrfrist um so kürzer ist, je geringer die Differenz zwischen Soll- und Istwert der Vorlauftemperatur ist, und um so länger ist, je größer die Differenz zwischen Soll- und Istwert der Vorlauftemperatur ist.6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschalt-Wartezeit und die Sperrfrist zusätzlich von der Temperaturdifferenz zwischen dem in Betrieb stehenden Heizkessel (HK 1; HK 2) und dem zuzuschaltenden Heizkessel (HK 2; HK 1) abhängig gemacht und um so kleiner gewählt werden, je kleiner die Temperaturdifferenz ist. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizkessel (HK 1, HK 2) nur dann eingeschaltet wird, wenn er das Erreichen und Beibehalten einer bestimmten Minimaltemperatur während mindestens eines Schaltzyklus erwarten läßt.