CENTRAL-HEATING SYSTEM CIRCULATION PUMP CONTROLLED IN DEPENDENCE UPON TEMPERATURE

Abstract: 1. Circulating pump for heating plants, controlled as a function of temperature, which is to be operated at two speeds of revolution at least, a temperature sensor (6) altering the speed of revolution when a preselected switching temperature is being passed through and the speed of revolution which is to be selected being determined by the direction of the temperature gradient and the temperature sensor being affected by two temperatures, of which one is the feed temperature of the heating plant, characterised in that the other temperature affecting the temperature sensor is the temperature of the winding of the pump motor, that the switching temperature at the instance of an r.p.m. variation which is to be performed lies between the feed temperature and the winding temperature and that the temperature in the motor head is measured along the direct path of the heat flux from the motor winding (1) to the heating water.

Description: Temperaturabhängig gesteuerte Umwälz pumpe für Heizungsanlagen Die Erfindung betrifft eine temperaturabhängig gesteuerte Um wälzpumpe für Heizungsanlagen, die mit mindestens zwei Drehzahlen zu betreiben ist, wobei ein Temperaturfühler beim Uberschrei- ten einer vorgewählten Schalttemperatur die Drehzahl ändert und die zu wählende Drehzahl durch die Richtung des Temperaturgradienten festgelegt ist. Heizungsanlagen werden für eine bestimmte tiefste Aussentemperatur ausgelegt. Diese ist regional verschieden und liegt zwischen -10 und -160C. Nach einem Entwurf des Deutschen Normenausschusses (DIN 4701) ist diese Auslegetemperatur "das tiefste Zweitagesmittel der Lufttemperatur (10 mal in 20 Jahren) während der Zeitspanne 1951 bis 1970". Richtig berechnete und betriebene Heizungsanlagen werden demensprechend also durch schnittlich höchstens an zwei Tagen des Jahres mit Vollast und an den etwa 230 restlichen Tagen der Heizperiode mit Teillast betrieben. Der Wärmeverbrauch eines Hauses /1 hängt von der Differenz zwischen der gewünschten Innentemperatur t. und der vorliegenden Aussentemperatur t ab. Er lässt sich beschreiben durch die For a mel > 1 = konst. (ti - ta) Diese an die Umgebung abfliessende Wärme leistung muss im Heizkessel als Wärmeleistung g2 an das Wasser abgegeben und von der Pumpe mit dem Förderstrom Q in das System transportiert werden. Im Beharrungszustand (ta und ti= konst.) gilt mit tv für die Vorlauftemperatur und t für die Rücklauftemperatur 21 = 2 = -konst. Q (tv-tr). Für ein Gebäüde, dessen Heizungsanlage mit witterungsgeführter Vorlauftemperatur arbeitet, lassen sich die Temperaturverhältnisse in einem Schaubild darstellen, mit dessen Hilfe das Pumproblem einfach zu diskutieren ist. Zu diesem Zweck wird auf die beiliegende Figur 1 Bezug genommen. Wenn man annimmt, dass sich die Pumpe mit den beiden Drehzahlen n1 und n2 = 0,7 x n1 betreiben lässt, dann ist es immer erlaubt, die Pumpe von der Drehzahl n1 auf die niedrigere Drehzahl n2 umzuschalten, sobald der Wärmeverbrauch des Hauses auf Werte unter 70% der Leistung des Heizungssystems fällt. Ein Komfortverlust ist durch die Reduzierung des Förderstromes auf 70% ausgeschlossen, da die Wärmeleistung der Heizkörper wegen der nun längeren Verweilzeit des Wassers nur unwesentlich zurückgeht. Auch für Umwälzpumpen gelten die Modellgesetze der Kreiselpumpen Q¯n, #p¯nê und P¯n , die zeigen, dass mit dem Umschalten von der hohen auf die niedrigere Drehzahl ein beachtlicher Teil der elektrischen Energie D eingespart wird. Da die Erfahrung zeigt, dass Heizungsanlagen nur während etwa 10% der Heizperiode mit Leistungen über 70% gefahren werden, lassen sich die Betriebskosten von Umwälzpumpen um ca. 60% reduzieren, da die reduzierte Antriebsleistung P2 = (n2/n1) x P1 = 0,7 x P1 = 0,34 P1 ist und der Energierverbrauch einer leistungsgerecht betriebenen Pumpe während der Heizperiode H sich dann wie folgt errechnen lässt: E2 = 0,1H x P1 + 0,9H x P2 = 0,4 P1 x H Die gesetzlichen Vorschriften fordern ausser dem Einbau der wit terungsgeführten Vorlauftemperaturregelung auch die Installa tion von Thermostatventilen an den jeweiligen Heizkörpern. Durch solche Ventile wird die Heizungsleistung um die von Fremdwärmequellen kommende Wärme bzw. Energie, wie beispielsweise Sonnenenergie, vermindert, denn ein Thermostatventil schliesst und reduziert bekanntlich den Wasserstram durch den Heizkörper, sobald die Raumtemperatur den am Ventil eingestellten Wert unabhängig davon erreicht hat, woher die Wärme kommt. Durch das Vermindern des Förderstromes steigt die von der Pumpe erzeugte Druckdifferenz entsprechend der in Figur 2 gezeigten Drosselkurven an. Dadurch können störende Strömungsgeräusche in der Anlage entstehen. Die beim hier diskutierten Fall nun geforderte kleinere Wassermenge lässt sich aber auch fördern, wenn die Pumpe mit der niedrigeren Drehzahl n2 lmuft Durch das Fahren mit der niedrigeren Drehzahl n2 wird aber nicht nur Energie gespart, sondern auch das erwähnte Geräuschproblem gelöst. Um die Möglichkeiten der Energieeinsparung voll zu nutzen, bedarf es einer speziellen Steuerung. Diese Steuerung muss sowohl die Aussentemperatur oder Vorlauftemperatur als auch die von der Pumpe gelieferte Druckdifferenz erfassen. Alle zur Zeit auf dem Markt zu habenden Steuerungen, die diese Forderungen erfüllen können, sind kompliziert nicht nur des Aufbaues wegen, sondern auch wegen der anzuwendenden Mittel für die Entnahme bzw. Gewinnung des erforderlichen Steuersignals. Die Temperatur wird irgendwo im System festgestellt und die Förderhöhe durch die Messung der statischen Drücke am Pumpendruck- und Pumpensaugstutzen erfasst. Die Installation einer solchen Steuerung fordert Fachkenntnisse und Zeit. Ferner ist zu bemängeln, dass das Heizungssystem durch die Installation eines Druckschalters erweitert und seine Sicherheit dadurch vermindert wird. Durch Bruch einer der zum Druikschalter führenden Messleitungen oder des Schalters selbst können nämlich Wasserschäden beachtlicher Grösse entstehen. Tatsache ist es jedenfalls, dass aus den genannten Gründen und wegen der relativ hohen Kosten die an sich gebotenen Möglichkeiten der Energieeinsparung nur selten genutzt werden. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Beseitigung der auf gezeigten Nachteile und in der Schaffung einer intelligenten, sich selbst steuernden Pumpe, die wie auch jedes nicht geregel- te Aggregat einfach installiert und elektrisch angeschlossen werden kann. Demgemäss soll ein Weg gefunden werden, um die von der Pumpe erzeugte Druckdifferenz ohne das hydraulische Messen der Pumpendrücke zu erfassen.¯Ausserdem soll die Druckdifferenz mit der Wärmeleistung der Heizungsanlage in geeigneter Weise gekoppelt werden. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von einer Umwälzpumpe der eingangs erwähnten Art so vorgegangen, dass die Schalttemperatur zwischen die Vorlauftemperatur und die Wicklungstemperatur des Pumpenmotors gelegt wird, so dass sowohl die Leistung der Heizungsanlage als auch die Leistung der Pumpe selbst bei den Steuerungsvorgängen erfasst werden können. Der Gesetz-geber schreibt bei Heizungsanlagen für mehr als zwei Wohnungen den Einbau einer witterungsgeführten Vorlauftemperaturregelung vor. Diese Vorlauftemperatur ist damit einer der Indikatoren für die Wärmeleistung der Anlage. Die zweite Steuergrösse als Ersatz für die bisher ausgewertete Druckdifferenz muss zeigen, ob die zur Aussentemperatur gehörende Wärmeleistung von der Anlage überhaupt gefordert wird. Dies ist nicht der Fall, wenn Heizkörper von den Einwohnern oder durch Sonneneinstrahlung von den Thermostatventilen abgestellt werden. Als Ersatz für die Druckdifferenzmessung wird der Erfindung entsprechend die Wicklungstemperatur des Pumpenmotors ausgewertet. Alle Umwälzpumpen für Heizungsanlagen haben gemäss Figur 2 eine relativ steile Drosselkurve und eine stetig mit dem Förderstrom ansteigenden Antriebsleistung P. Je kleiner also der Förderstrom ist, um so grösser ist zwar die von der Pumpe erzeugte Druckdifferenz, aber um so niedriger ist gleichfalls die Pumpenmotorleistung P und damit die Wicklungstemperatur. Unter Berücksichtigung der vorstehenden Überlegungen können die Vorlauftemperatur des Heizungswassers und die Wicklungstemperatur des Motors auf folgende Weise zur Gewinnung einer Schalt temperatur verknüpft werdent wobei zur Erläuterung dew praktisch gegebenen Möglichkeiten auf die in Figur 3 im Querschnitt gezeigte Umwälzpumpe Bezug genommen wird. Der Aufbau und. die Funktion einer solchen Pumpe sind allgemein bekannt und brauchen deshalb nicht im einzelnen erläutert zu werden. Deshalb wird nachfolgend nur auf einige im Zusammenhang mit der Erfindung interessierende Bauteile hingewiesen. Die in den Wicklungen 1 des Stators auftretenden Stromwärmeverluste werden zu etwa 10% durch Strahlung und Konvektion vom Motorkopf an die Umgebungsluft abgegeben. Etwa 90% der Verluste werden aufgrund von Wärmeleitung durch das den Statorraum und den Rotorraum trennende Spaltrohr 2 auf das im Rotorraum 3 befindliche Wasser übertragen. Vom Wasser des Rotorraumes wird die Wärme an die Trennwand 4 abgegeben, durch diese hindurchgeleitet und an das im Pumpengehäuse 5 befindliche Vorlauf-Heizungswasser abgeführt. Um nun erfindungsgemäss die Schalttemperatur zwischen die Vorlauftemperatur und die Wicklungstemperatur legen zu können, braucht nur ein Temperaturfühler verwendet zu werden, der sowohl zur Feststellung der Wärmeleistung der Heizungsanlage als auch der Belastung der Pumpe dienen kann. Ein solcher Fühler 6 ist dann im Motorkopf auf dem Wärmeflussweg zwischen der Wicklung 1 und dem Heizungswasser zu installieren. Eine hierfür gut geeignete Stelle ist gemäss Figur 3 die äussere Oberfläche des Spaltrohres 2. Dieser Fühler ist elektrisch in geeigneter Weise in den Steuerkreis des Pumpenmotors eingeschaltet, um diesen beim Überschreiten oder Unterschreiten der vorgewählten Schalttemperatur auf die eine oder andere Drehzahl umzuschalten. Die Temperatur am Ort des Temperaturfühlers 6 ändert sich bei den verschiedenen Betriebszuständen so, wie es in Figur 4 schematisch dargestellt ist. Wärmesenke für die Verlustleistung des Pumpenmotors ist das Heizungswasser, dessen Vorlauftemperatur t durch die Aussentemperatur bestimmt ist. Die Temperatur tQ v - 0 der Motorwicklung ist stets höher als tv. Sie liegt bei der gegebenen Vorlauftemperatur bei tQmin, wenn -der Mötor -niedrig und bei tQmax' wenn der Motor hoch belastet wird. Die Schalt temperatur t5 muss den vorstehend erwähnten Forderungen entsprechend natürlich zwischen den Werten t und tQ liegen. v 0 Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sowie die Arbeitsweise der Steuerung lassen sich einfach durch Beschreibung eines Regelvorganges erklären, wobei auf die Figur 4 und auch Figur 5 Bezug genommen wird, welche die Kenniinien einer Kreiselpumpe bei den Drehzahlen n1 und n2 mit Rohrnetzkennlinien eines Heizungssystems darstellt. Bei hohen Aussentemperaturen stellt der witterungsgeführte Mischer die Vorlauftemperatur tv auf einen entsprechend niedrigen Wert ein. Das in Figur 4 gezeigte Temperaturdreieck tv-tQmin-tQmax wird dabei, ohne seine Form zu ändern, nach unten verschoben. Die Verbindungslinie tV-tQmax verläuft unterhalb der fest vorgewählten Schalttemperatur ts, so dass also die PumPe nur mit der niedrigen Drehzahl n2 fahren kann. Diese Drehzahl reicht aus, um den Wärmeverbrauch während etwa 90% der Tage einer Heizperiode zu decken. Sinkt die Aussentemperatur beispielsweise auf Werte unter -2 C ab, dann stellt der witterungsgeführte Mischer eine Vorlauftemperatur tv ein, die entsprechend höher liegt. Wenn die zur Aussentemperatur gehörende Wärme leistung der Anlage auch von den Hausbewohnern gefordert wird, also wenn etwa alle Thermostatventile geöffnet sind, so läuft die Pumpe im Arbeitspunkt A mit der Drehzahl n1 (Figur 5). Die Schalttemperatur t5 liegt nun im Temperaturdreieck entsprechend Figur 4. Werden die oder einige Thermostatventile der Heizkörper bei dieser Aussentemperatur geschlossen, weil die Bewohner die Heizung drosseln wollen oder weil Wärme durch Sonneneinstrahlung in die Wohnungen einfällt, dann bewegt sich der Betriebspunkt der Pumpe vom Punkt A auf der Kurve t p1 (Q) nach Punkt B. Dadurch sinkt die Belastung des Motors, und die Wicklungstemperatur fällt von t, auf t Beim Durchlaufen der Schalttemperatur t5 wird die Pumpe von n1 auf n2 heruntergeschaltet, d.h., sie läuft vom Arbeitspunkt B zum Punkt C. Auf der Kenn linie a p2 (0) findet sie schliesslich ihren neuen Betriebspunkt zwischen C und D. Wenn die Thermostatventile wieder öffnen, wird der Förderstrom Q grösser und der Motor stärker belastet. Beim Erreichen des Punktes D wird die Pumpe von n2 auf n1 hochgeschaltet und läuft damit von D nach A. In der hohen Drehzahl n1 wird die Pumpe verbleiben, solange die Aussentemperatur unter'-20C steht und die Thermostatventile geöffnet sind. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die bisher übliche und aufwendige Messung der Druckdifferenz auf eine einfache Temperaturmessung zurückgeführt wird. Wie das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel gezeigt hat, ist nicht einmal diese Temperatur unmittelbar zu messen, da es genügt, einen Wert zwischen den Temperaturen im Heizungskreis und der Motorwicklung festzustellen. Dadurch wird die Steuerung nicht nur vereinfacht, sondern auch wesentlich sicherer. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, mit mehr als einem Temperaturfühler und damit mit mehreren Schalttemperaturen ts: zu arbeiten, wenn der Pumpenmotor bei Bedarf auf mehr als zwei Drehzahlen umgesteuert werden soll. Auch in diesem Fall könnten die Temperaturfühler im Motorkopf untergebracht werden, wobei verständlicherweise nur darauf zu achten sein wird, dass die Temperaturfühler an unterschiedlichen Stellen des Temperaturgefälles zwischen dem Wicklungsraum und dem Pumpenraum angeordnet werden. Wenn auch die Messung der Schalttemperatur und damit die Anbringung des Temperaturfühlers am Spaltrohr des Pumpenmotors eine besonders günstige Lösung ist, könnte der Temperaturfühler unter anderem auch im Blechpaket des Stators untergebracht werden, also die Schalttemperatur im Statorblechpaket gemessen werden. Von besonderer Bedeutung ist es auch, dass das Pumpenaggregat, der vom Temperaturfühler gesteuerte Pumpendrehzahlschalter und der Temperaturfühler eine bauliche Einheit bilden. Hierdurch entfallen nämlich Installationen von langen Steuerleitungen zwischen dem Pumpenaggregat und einem externen Steuergerät, da letzteres den Vorschriften entsprechend nicht im Heizungsraum installiert sein darf.

Claims: Patentansprüche 1. Temperaturabhängig gesteuerte Umwälzpumpe füt Heizungsanla gen, die mit mindestens zwei Drehzahlen zu betreiben ist, wo bei ein Temperaturfühler beim Überschreiten einer vorgewähl ten Schalttemperatur die Drehzahl ändert und die zu wählen de Drehzahl durch die Richtung des Temperaturgradienten fest gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalttemperatur zwischen der Vorlauftemperatur der Heizungsanlage und der Wicklungstemperatur des Pumpenmotors liegt. 2. Umwälzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalttemperatur im Motorkopf gemessen wird. 3. Umwälzpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalttemperatur am Spaltrohr des Pumpenmotors gemessen wird. 4. Umwälzpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalttemperatur im Blechpaket des Stators des Pumpenmotors gemessen wird. 5. Umwälzpumpe nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn zeichnet, dass das Pumpenaggregat, der Pumpendrehzahlschalter und der Temperaturfühler eine bauliche Einheit bilden.

Inventors: JENSEN NIELS DUE, KOMOSSA HORST PROF DR ING, JENSEN, NIELS DUE, KOMOSSA, HORST, PROF. DR. ING.
Applicants: GRUNDFOS PUMPENFABRIK GMBH
Application year: 1980
Main classification: F04D15
IPC codes: F04D15, F24D19, F24D3