Способ регулирования циркуляционного насоса, циркуляционный насос, а также система отопления
METHOD FOR REGULATION OF CIRCULATION PUMP, CIRCULATION PUMP, AS WELL AS HEATING SYSTEM

Данное изобретение касается способа регулирования циркуляционного насоса для системы отопления.
Энергоэффективные циркуляционные насосы для систем отопления обычно эксплуатируются с изменяемой частотой вращения приводного вала, чтобы адаптировать затрачиваемую работу насоса и, тем самым, энергопотребление циркуляционного насоса к актуальной тепловой нагрузке системы отопления. Это возможно с помощью пропорционального регулирования давления, благодаря чему частота вращения устанавливается в зависимости от гидравлического сопротивления отопительного контура, которое в свою очередь в значительной степени зависит от положения терморегулирующих клапанов. Обычно при внутреннем регулировании частоты вращения циркуляционного насоса системы отопления используются мощность двигателя, определяемая по насосу, а также его фактическая частота вращения.
Независимо от этого котел отопления системы отопления управляет температурой теплоносителя, перекачиваемого в контуре отопления циркуляционным насосом, обычно в зависимости от внешней температуры, определяемой с помощью наружного датчика. В регулируемых по принципу «включено-выключено» системах отопления температура среды циклически поднимается до устанавливаемого максимального значения, и после этого котел отключается. Из-за тепловых потерь и теплоотдачи в отапливаемое здание температура среды падает. Если эта температура падает до устанавливаемого минимального значения, то котел снова включается, и цикл нагрева начинается снова.
1
Поведение циркулирующего теплоносителя при охлаждении складывается из тепловых потерь котла отопления, а также из теплопередачи в указанную систему. Кривая охлаждения котла при этом с точки зрения техники автоматического регулирования похожа на режим пропорциональности с запаздыванием 1-го порядка (PT - Verhalten - Tiefpassverhalten - поведение фильтра нижних частот) и в значительной мере является воспроизводимой с высокой степенью точности, это по меньшей мере, предполагая комнатную температуру постоянной. Теплопередача в указанную систему, соответственно, в здание, напротив, в каждый момент времени разная и зависит от актуального теплопотребления этого здания.
В заявке ЕР 0 736 826 А2 раскрыт способ регулирования циркуляционного насоса при контроле температуры, при котором управляющее устройство насоса регистрирует характер изменения температуры среды за определенный промежуток времени, и с учетом полученной кривой изменения температуры частота вращения насоса корректируется во время режима рециркуляции.
Регулировочные характеристики, используемые при обычном пропорциональном регулировании давления циркуляционного насоса, обычно лежат на значительном расстоянии над характеристикой системы, т.е. совершаемая подача насоса лежит над требуемой подачей, так что как правило имеет место излишнее энергопотребление.
Поэтому желательно дросселировать производительность насоса путем дальнейшего снижения частоты вращения, чтобы максимально приблизить рабочую точку к минимальной характеристике системы, т.е. к характеристике системы при открытых терморегулирующих клапанах. Поэтому стремятся найти концепцию регулирования, которая может использоваться либо в комбинации с существующими алгоритмами регулирования, либо как самостоятельная концепция регулирования циркуляционного насоса, чтобы можно было добиться энергетической оптимизации всей системы отопления.
Эта задача решается посредством способа регулирования циркуляционного насоса для системы отопления с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты способа являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно изобретению, предлагается, чтобы управляющее устройство насоса регистрировало характер изменения температуры среды за определенный промежуток времени и с учетом этой записанной кривой изменения температуры корректировало частоту вращения насоса во время режима рециркуляции. По температурному сигналу указанный циркуляционный насос может вывести дополнительную информацию о текущей рабочей характеристике всей системы отопления. Эта дополнительная информация позволяет снизить частоту вращения, например, при незначительной тепловой нагрузке на систему, чтобы тем самым сэкономить энергозатраты. В противоположность этому именно при высокой тепловой нагрузке частота вращения должна повышаться, чтобы можно было обеспечить максимально быстрый отвод предоставляемого котлом отопления тепла в указанную систему, соответственно, в помещения.
Определение температуры перекачиваемой среды может осуществляться либо посредством индивидуального температурного датчика, который является компонентом циркуляционного насоса, или, соответственно, к которому насос может получить доступ, или же, альтернативно, опосредованно, на основе других результатов измерений. В качестве примера здесь можно взять определение температуры среды по температуре обмотки и току обмотки внутреннего приводного агрегата насоса. Соответствующий способ известен, например, из заявки DE 10 2017 203 925.6, к содержанию которой здесь делается прямая отсылка.
Предпочтительно по записанной кривой изменения температуры определять актуальное состояние котла, в частности в том отношении, находится ли он в фазе нагрева или в фазе охлаждения. Согласно следующему варианту выполнения возможно, что по записанной кривой изменения температуры определяется продолжительность цикла этого котла отопления, например, период между двумя фазами нагрева.
Согласно данному изобретению, предусматривается, что по записанной кривой изменения температуры определяется средняя кривая охлаждения для указанной температуры среды. Для этого определяется, например, кривая изменения температуры среды для множества фаз охлаждения котла, и на основе этого определяется средняя кривая охлаждения. Предпочтительно эти кривые изменения температур определяются для множества следующих непосредственно друг за другом фаз охлаждения. Однако можно также это множество установленных фаз охлаждения распределить на большем промежутке времени, чтобы таким образом можно было определять различные рабочие условия при расчете средней кривой охлаждения. Таким образом, эта средняя кривая охлаждения является характерной для средней тепловой нагрузки на здание, соответственно, на систему отопления.
Особое значение имеет градиент средней кривой охлаждения, т.е. скорость, с которой температура среды падает в течение фазы охлаждения.
При дальнейшей работе насоса измеренное фактическое значение температуры среды и/или установленный фактический перепад температур сравниваются со средней кривой охлаждения. При анализе фактического значения температуры должна быть возможна также временная привязка момента измерения во время фазы охлаждения. Проще и информативнее определение фактического перепада температур и последующее сравнение с падением температуры средней кривой охлаждения. Установленный фактический перепад температур представляет собой, например, снижение температуры за определенный промежуток времени во время фазы охлаждения. Если падение температуры или соответствующий отрицательный градиент кривой больше, чем градиент средней кривой охлаждения, то можно исходить из того, что актуальная тепловая нагрузка больше, чем средняя тепловая нагрузка. Частота вращения насоса предпочтительно увеличивается, чтобы ускорить теплоотдачу в здание. Если вместо этого актуальный измеренный фактический перепад температур меньше, чем падение температуры средней кривой охлаждения, то вследствие этого актуальная тепловая нагрузка лежит ниже средней тепловой нагрузки, и частота вращения насоса для энергосбережения может снижаться.
Целесообразно предусмотреть в этом способе, чтобы насос постоянно эксплуатировался с повышенной, в частности, с максимальной частотой вращения, если по кривой изменения температуры теплоносителя фиксируется фаза нагрева котла. Фаза нагрева может констатироваться с помощью управляющего устройства насоса, например, по возрастанию температуры среды.
Особенно предпочтительно, если разъясненные выше этапы способа реализуются в комбинации с обычным регулированием насоса, и с помощью предлагаемых изобретением этапов способа происходит корректировка заданного значения обычного регулирования. Примером здесь является комбинация с обычным пропорциональным регулированием давления для настройки частоты вращения насоса.
В качестве альтернативного подхода может быть предусмотрено, что частота вращения насоса изменяется до заранее заданного значения или устанавливается на заранее заданное значение, в частности, если насос распознает фазу нагрева котла. Если, например, температура среды растет, то одновременно должна соответственно корректироваться частота вращения насоса.
Оптимальная корректировка заданной частоты вращения может достигаться, например, с помощью весового коэффициента (Gewichtungsfaktor). Посредством этого весового коэффициента происходит подгонка собственной заданной частоты вращения к внутренней предварительной настройке частоты вращения. В качестве примера циркуляционный насос эксплуатируется с пропорциональным регулированием давления. На определенную здесь заданную частоту вращения накладывается весовой коэффициент, чтобы скорректировать ее с учетом актуальной фазы котла.
Согласно предпочтительному варианту выполнения в качестве весового коэффициента используется коэффициент k, который увеличивается с возрастанием температуры среды. Возможно скачкообразное изменение коэффициента k в отношении температуры среды, возможно также непрерывное, в частности пропорциональное температуре среды увеличение весового коэффициента k. В принципе возможна любая математическая зависимость между весовым коэффициентом k и температурой среды.
При использовании весового коэффициента k частота вращения насоса с возрастанием температуры среды повышается скачкообразно, непрерывно, пропорционально или иным образом, благодаря чему энергия, предоставляемая за счет температуры среды, может быстрее подаваться в здание. И наоборот, при снижении температуры среды частота вращения циркуляционного насоса понижается. Это целесообразно именно для низких температур среды, поскольку здесь теплоотдача в здание возможна лишь в ограниченной степени.
Одна возможность корректировки весового коэффициента заключается в том, что задают одно или несколько пороговых значений температуры, при превышении или недостижении которых актуальной температурой среды происходит изменение весового коэффициента, в принципе достаточно определения одного единственного порогового значения температуры. Если температура среды лежит выше этого порогового значения, то коэффициент k принимает первое, более высокое значение, например, значение больше 1. Если же температура среды вместо этого лежит ниже этого порога, то весовой коэффициент принимает второе, меньшее значение, например, значение меньше 1.
Одно или несколько пороговых значений температуры указанный циркуляционный насос может установить, например, автономно, используя записанную кривую изменения температуры среды. Однако, возможно также ручное конфигурирование одного или нескольких пороговых значений температуры. Возможно также, что указанное пороговое значение температуры соответствует средней температуре среды во время одного цикла котла. Это может установить управляющее устройство насоса автономно с помощью записанной кривой изменения температуры.
Наряду с предлагаемым изобретением способом данное изобретение касается также циркуляционного насоса с частотно-регулируемым приводом и блоком управления и/или регулирования для осуществления способа согласно данному изобретению. Во избежание повторений следует здесь отказаться от нового описания преимуществ и деталей указанного блока управления и/или регулирования.
Далее, данное изобретение касается системы отопления, содержащей по меньшей мере один циркуляционный насос, а также по меньшей мере один котел отопления, в частности котел отопления, регулируемый по принципу включен-выключен, который выключается при достижении верхней, максимальной температуры, а после охлаждения теплоносителя до нижней, минимальной температуры запускается снова.
Возможно также, что этот циркуляционный насос установлен в подающей труба или в обратной труба. Реализация предлагаемой изобретением регулировочной характеристики при этом не затрагивается, однако, воздействие на фактическую регулировочную характеристику и энергию циркуляционного насоса может зависеть от позиции в подающей трубе или в обратной трубе.
Другие преимущества и свойства данного изобретения будут более подробно разъяснены ниже на примере выполнения, представленном на прилагаемых чертежах. На чертежах показано следующее.
Фиг. 1: схематичный вид системы отопления с предлагаемым изобретением циркуляционным насосом;
Фиг. 2: изменение во времени температуры среды в подающей трубе и в обратной трубе системы отопления при управлении котлом отопления на основе температуры в подающей трубе;
Фиг. 3: диаграмма изменения во времени температуры в подающей трубе и температуры в обратной трубе при управлении котлом отопления в зависимости от температуры в обратной трубе, и
Фиг. 4: сопоставление изменения во времени температуры среды и предлагаемого изобретением весового коэффициента k.
На Фиг. 1 сначала показана схематичная структура системы отопления с котлом 1, а также с предусмотренным в здании отопительным прибором 2. Циркуляционный насос 3 для рециркуляции воды системы отопления в отопительном контуре может быть установлен либо в подающей трубе 4 или в обратной трубе 5, что вследствие схематичности представления показано соответствующим размещением циркуляционного насоса 3 как в подающей, так и в обратной трубах.
aus
выкл
ein
вкл
ein
aus
Указанный котел 1 отопления имеет двухпозиционное регулирование с верхней температурой T выключения (Т) и нижней температурой T включения (Т). Если среда охлаждается до нижней температуры T, то котел 1 отопления запускается и нагревает среду до достижения верхнего значения температуры T, т.е. котел 1 после достижения этой верхней границы выключается. Этот цикл нагрева котла отопления пояснен на Фиг. 2 и Фиг. 3.
Vorlauf
в
в
Vorlauf
Vorlauf
ein
Vorlauf
aus
Vorlauf
На Фиг. 2 вверху представлено изменение во времени температуры в подающей и в обратной трубе T (Т подающей трубе),  (Тобратной трубе) соответственно. Такой регулируемый по принципу включен-выключен котел 1 для регулирования учитывает температуру T в подающей трубе, вследствие чего котел 1 включает свою горелку, как только температура T в подающей трубе опускается ниже нижней границы (T), и выключает свою горелку, когда температура Tв подающей трубе достигнет верхней границы (T). Кривая температуры  в обратной трубе подобна характерной температуре T в подающей трубе, однако имеет меньшую амплитуду.
Vorlauf
Vorlauf
Область I представляет фазу, во время которой котел 1 включен. Температура T в подающей трубе поднимается быстрее, чем температура  в обратной трубе, так что имеет место повышенная подача тепла в здание. Как следствие этого терморегулирующие клапаны закрываются, и объемная подача падает. Область II представляет фазы, в которых котел 1 выключен. Температура T в подающей трубе опускается сильнее, чем температура  в обратной трубе, так что имеет место меньшая подача тепла в здание. Как следствие этого терморегулирующие клапаны открываются, и объемная подача растет.
Vorlauf
Vorlauf
Vorlauf
Vorlauf
На Фиг. 3 показано изменение во времени температуры  в обратной трубе и, соответственно, температуры T в подающей трубе для котла 1 отопления, который иначе, чем на Фиг. 2, использует температуру в обратной трубе как критерий для включения и выключения. При регулировании температуры  в обратной трубе котел 1 поддерживает постоянной температуру, с которой среда выходит из здания. Область I показывает фазу, во время которой котел 1 выключен. Температура T,  в подающей и в обратной трубе падает. Поскольку температура T в подающей трубе падает сильнее, чем температура Карт в обратной трубе, то разность температур T,  в подающей и в обратной трубе уменьшается, и вследствие этого уменьшается подача тепла в здание. Меньшая подача тепла ведет к открытию терморегулирующих клапанов и в результате к росту объемной подачи.
ein
Vorlauf
Область II начинается, когда температура  в обратной трубе достигает нижнего порога (T). Котел 1 включает горелку, и температура T в подающей трубе скачкообразно возрастает. Температура  в обратной трубе сначала продолжает падать, так как среда еще находится в здании. После того, как среда протечет через все здание, возрастает также температура  в обратной трубе. С этого момента времени начинается фаза III. Благодаря большей подаче тепла в здание терморегулирующие клапаны закрываются, и объемная подача снижается.
В дальнейшем будут более подробно рассмотрены альтернативные или, соответственно, дополняющие концепции регулирования для циркуляционного насоса 3. Эти стратегии регулирования могут применяться либо в качестве самостоятельного регулирования в циркуляционном насосе 3, либо использоваться в комбинации с известными сами по себе пропорциональным регулированием давления или управлением в режиме постоянного давления.
Vorlauf
Согласно первому подходу (концепция учета теплопотребления в системе) температура рабочей среды используется для лучшего понимания актуальной рабочей характеристики системы, а тем самым и для улучшения регулирования частоты вращения. В зависимости от места установки циркуляционного насоса 3, таким образом, либо температура T в подающей трубе, либо температура  в обратной трубе учитываются в управляющем устройстве циркуляционного насоса 3.
Конкретно, температура текучей среды записывается посредством циркуляционного насоса 3 на длительном временном промежутке, и затем вычисляется средняя кривая охлаждения теплоносителя. Указанная запись осуществляется предпочтительно в течение нескольких циклов нагрева котла 1 отопления, так что может быть определена информативная средняя кривая охлаждения, которая характеризует среднюю тепловую нагрузку системы. Поэтому в дальнейшем эта кривая охлаждения обозначается как средняя рабочая характеристика.
Во время дальнейшей работы системы насос 3 отслеживает, находится ли актуальное падение (ΔТ) температуры среды выше или ниже этой определенной средней рабочей характеристики, т.е. меньше или больше, чем падение температуры средней кривой охлаждения. Исходя из того, что кривая потерь котла 1 приблизительно постоянна, можно определить, лежит ли актуальное потребление системы отопления выше или ниже среднего значения. Если актуальный расход лежит ниже средней рабочей характеристики, т.е. падение ΔТ температуры меньше, чем падение температуры средней кривой охлаждения, то частота вращения циркуляционного насоса 3 может снижаться в целях энергосбережения.
В отличие от этого при высоком актуальном потреблении частота вращения насоса может удерживаться высокой или, соответственно, еще больше увеличиваться. Если насос 3 детектирует рост температуры среды, то насос 3 констатирует, что котел в данный момент находится в фазе нагрева (например, фаза I на Фиг. 2 и, соответственно, фаза III на Фиг. 3). В этом случае частота вращения всегда устанавливается высокой.
Эта концепция регулирования представляет собой альтернативу обычному до сих пор пропорциональному регулированию давления. При этом обычном методе регулирования высокое теплопотребление системы ведет к тому, что возрастает объемная подача насоса. Это распознается насосом, и он реагирует ростом частоты вращения соответственно заданной регулировочной характеристике. Меньшее теплопотребление системы ведет к снижению потока тепла. Насос распознает это и снижает частоту вращения. С представленной здесь идеей указанный насос ведет себя весьма похожим образом. Более высокое теплопотребление системы ведет к более быстрому падению температуры текучей среды, что обнаруживается насосом 3. На это насос 3 отвечает повышением своей частота вращения. При меньшем теплопотреблении системы температура текучей среды падает медленнее, и насос 3 может снижать свою частоту вращения соответственно.
Хотя классическое пропорциональное регулирование давления и представленное здесь решение в принципе ведут себя похоже, тем не менее, благодаря комбинации обоих подходов можно добиться повышения энергоэффективности. Используемые до сих пор регулировочные характеристики большей частью лежат на значительном расстоянии над характеристикой системы. Посредством температурного сигнала насос 3 получает теперь дополнительную информацию об актуальной рабочей характеристике. Эта информация предпочтительно теперь может использоваться для уменьшения расстояния между регулировочной характеристикой и характеристикой системы, благодаря чему в конечном счете достигается дальнейшее снижение энергопотребления.
Следующая концепция управления частотой вращения учитывает актуальную возможную теплопередачу, которая в значительной степени зависит от температурного уровня среды. Для этого указанный насос 3 на длительном временном промежутке регистрирует характер изменения температуры среды и по нему определяет продолжительность цикла котла 1 отопления, т.е. время между двумя фазами нагрева. Частота вращения насоса 3 устанавливается известным образом пропорциональным регулированием давления. Помимо этого, выходной сигнал регулирования, т.е. заданная частота вращения взвешивается коэффициентом k, чтобы скорректировать ее в зависимости от возможной теплопередачи.
В начале цикла коэффициент k имеет большую величину, так как высокая температура текучей среды гарантирует высокую теплопередачу в указанную систему. С понижением температуры среды, т.е. к концу цикла коэффициент k понижается, так что он к концу цикла может принимать значительно сниженное значение. Это целесообразно постольку, поскольку в этот момент времени температура текучей среды сравнительно низкая, и вследствие этого не может иметь места большая теплопередача в указанную систему.
ein
aus
Рассмотренный принцип будет еще раз пояснен в связи с представленным на Фиг. 4. На графике а) показано изменение во времени температуры среды, проходящей через циркуляционный насос 3. Температура среды при этом циклически колеблется между своими максимальным и минимальным значениями, которые заданы через температуры T, T включения и выключения управляющей системы котла. Длительность одного цикла определяется, например, промежутком времени между двумя фазами нагрева (I, соответственно, III на Фиг. 2 или Фиг. 3), т.е. между двумя соседними минимумами кривой изменения температуры на графике а). По кривой изменения температуры управляющее устройство насоса рассчитывает теперь среднюю температуру, которая на графике а) показана прерывистой горизонтальной линией.
Область ниже этой средней температуры характеризует периоды времени, в которые температура текучей среды низкая, и следовательно, может иметь место лишь небольшая подача тепла в здание. Поскольку эта небольшая подача тепла едва ли может оказывать влияние на температуру здания, то насос 3 в течение этого промежутка времени может эксплуатироваться с очень низкой частотой вращения, чтобы экономить ток. Для этого весовой коэффициент k для кривой изменения температуры ниже указанной средней температуры может переключаться на меньшее значение, тогда как в периоды времени, в которые температура среды лежит выше средней температуры, этот весовой коэффициент k переключается на более высокое значение. Возможное изменение во времени (основываясь на временной диаграмме согласно изображению а) коэффициента k можно увидеть на изображении b) этой Фиг. 4. Если температура среды превышает указанную среднюю температуру, то коэффициент k принимает большее значение, например, 1, 2, тогда как при падении температуры среды ниже заданного порога он принимает меньшее значение, например, 0,6.
Комбинация описанной концепции принятия во внимание теплопотребления системы и концепции принятия во внимание актуальной возможной теплопередачи тоже лежит в рамках данного изобретения.