用于控制循环泵的方法以及循环泵与流程

1.本发明涉及一种在液压供暖设备中以可变转速控制供暖循环泵的方法，其中，泵控制器规定了要调节的目标输送扬程，并且调整泵的转速，以便达到目标输送扬程。


背景技术：

2.尤其是用于小型或中型功率的供暖设备的较旧的供暖循环泵，通常不受控制。此处必须根据供暖设备的相应功率要求，手动设定泵转速，其中，泵通常具有不同的转速级可供手动选择。应选择合适的转速级，从而即使在出现功率峰值时也提供用于房间供暖的足够的输送流量。由于这种功率峰值通常不规律，且仅短暂出现，因此这种泵主要以能量不利的模式运行。
3.现代循环泵配备有转换器和转速控制器，由此，泵可以通过调节转速来降低其功耗。转速调整借助特定的控制曲线来进行。在运行期间，泵借助传感器机构或估计算法来确定当前的输送流量和实际输送扬程，并调整转速，使得工作点仅沿所使用的控制曲线移动。因此，控制曲线的类型定义了基础控制策略。例如，在恒压控制中，无论输送流量如何，转速始终控制在恒定的输送扬程。与此不同，在比例压力控制中，输送扬程沿线性上升的直线进行控制，即，目标输送扬程与实际输送流量成比例。
4.一种用于优化这种泵控制的方法受到申请人的同时提交的并行申请的保护，在下文中也称为动态转速调整。该优化方法规定，在设定目标输送扬程期间，动态地调整循环泵的驱动转速变化的速度，确切地说，取决于要设定的目标输送扬程是大于还是小于供暖循环泵的当前实际输送扬程。如果设备特性例如因改变恒温阀的开度（
ö
ffnungsgrad）而发生了变化，使得泵的当前实际输送扬程高于目标输送扬程，则泵的驱动转速变化得（在此降低）快于输送扬程比实际输送扬程大的情况。这意味着，转速的降低进行得快于转速的提高。转速变化通常遵循定义的转速爬坡，该转速爬坡表明了转速与时间的关系。因此，转速的降低以较陡（下降）的转速爬坡进行，而转速的提高则以较缓（上升）的转速爬坡进行。由于在h
soll
《h
ist
时驱动转速降低得更快，可以实现泵驱动的功率节省。然而，当h
ist
《h
soll
时提高转速允许监控供暖设备是否供过于求或供应不足。
5.只要供暖设备的供暖锅炉是进流温度控制的，使用自适应转速爬坡来提高或降低转速就可以很好地工作，大多数设备通常都是这种情况。但是，存在个别的锅炉系统具有回流温度控制。在这种情况下，必须考虑供暖锅炉的开关行为及其与建筑物的相互作用。为了理解这些关系，考察以下三种情况。
6.情况1：泵安装在进流中，并对锅炉进行进流控制；情况2：泵安装在进流中，并对锅炉进行回流控制；情况3：泵安装在回流中。
7.图1示意性地示出了供暖回路，用于表明供暖锅炉的两种控制方式以及循环泵的可能的安装位置。泵1表示安装在供暖回路的进流中的循环泵，而循环泵2安装在回流中。附图标记3表示作为供暖锅炉的控制变量的进流温度，而附图标记4表示作为控制变量的回流
温度。
8.图2中上面的时间-介质温度-曲线图示出了在对供暖锅炉进行进流温度控制时的进流温度或回流温度的变化过程。两点控制的锅炉在低于温度下限t
ein
时接通燃烧器，并且在超过上限t
aus
时切断燃烧器。回流温度的变化过程在特性上与进流温度相似，诚然幅度较小。标出的时间范围i代表其中锅炉接通的阶段。进流温度比回流温度上升得更快，使得输入建筑物的热量增加。结果，供暖设备的加热体的恒温阀关闭，并且输送流量下降，这可以从时间-输送流量-曲线图（图2中的下面）看出。
9.范围ii代表其中切断锅炉的阶段。进流温度比回流温度下降得更快，使得发生输入建筑物的热量减少。其结果是，恒温阀打开，并且输送流量增加。
10.申请人所提出的控制方法利用驱动转速的变化速度的相应的动态特性，特别是利用自适应的转速爬坡，采用该方法引起，在阶段i期间，由于具有更高转速变化率的更高的动态性，转速更快地下降，并且从而可以降低泵的功耗。相反，在区域ii中，以较小的变化率进行转速变化，由此转速上升得比不使用这种具有自适应爬坡的动态转速变化的情况要慢一些。由于幅度很小，预计不会与锅炉控制产生负面的相互影响。
11.图3现在示出了带有供暖锅炉和回流温度控制的加热回路的介质温度或输送流量的相应的时间曲线图。在控制回流温度时，锅炉使得介质离开建筑物时的温度保持恒定。区域i表示锅炉切断期间的阶段。进流温度和回流温度降低。由于进流温度比回流温度下降得更快，因此进流温度和回流温度之间的差减小，并且进而使得输入到建筑物中的热量减少。较少的热量输入导致恒温阀打开，并且从而导致输送流量增加。当回流温度达到下阈值t
ein
时，区域ii开始。然后锅炉接通燃烧器，并且进流温度突然上升。由于介质仍在建筑物中，所以回流温度最初会继续下降。在介质流过整个建筑物后，回流温度也升高。阶段iii在这个时间点开始。由于输入建筑物的热量较高，恒温阀关闭，并且输送流量降低。
12.在区域i中，输送流量的增加由于动态的转速变化而延迟。由于这个延迟只是轻微的，而且区域i持续的时间很长，所以这个延迟应该不会对供暖设备的整个供暖过程产生负面影响。然而，区域ii在这里很关键。这里的进流温度迅速上升，并且重要的是，介质迅速转移到建筑物中。通过自适应爬坡来延迟转速上升会产生负面影响，因为延迟地将热量输入建筑物会增加锅炉损失（以下称为“锅炉损失问题”）。


技术实现要素：

13.本技术现在具体分析上面描述的问题，并且因此寻找一种解决方案，以便能够在具有回流温度控制的供暖设备中也有利地使用申请人的新颖控制方法。
14.该目的通过根据权利要求1的特征的方法实现。该方法的有利设计是从属权利要求的主题。
15.根据本发明，针对申请人的新方法提出，循环泵的动态转速调整附加地根据供暖锅炉的所执行的控制方式进行设定。正如开头所描述的，动态转速调整可以毫无问题地应用在带有前流控制的锅炉的供暖设备中。对于这种情况，因此在理想情况下应始终进行动态转速调整。但是，对于在带有回流温度控制的供暖锅炉的供暖设备中使用的循环泵，转速调整的动态行为应该有所不同。因此，本发明的根据本发明的方法是，也根据供暖锅炉的所采用的控制策略来设定转速调整的动态性。因此，动态转速控制只应暂时采用。
16.有如下可能性：如果泵在带有回流温度控制的锅炉的供暖设备中运行，则完全停用动态转速调整。由此防止，在循环泵的输送扬程需要增加时，转速增加因建议的动态转速调整而延迟，而是备选地由传统的转速控制来设定，即，设定得相对较快。由此可以在很大程度上避免在锅炉供暖阶段期间由于热量延迟输入建筑物而造成的可能的锅炉损失。
17.然而，为了仍然能够受益于动态转速调整的有利的能量节省，有利的是，仅暂时停用动态转速调整，确切地说，优选地在采用回流温度控制的供暖锅炉的加热阶段期间停用。在供暖锅炉的冷却阶段期间，转速控制可以备选地以更高的动态性（即更高的转速变化率）进行，以便实现所述的功率节省。
18.在这种情况下特别有利的是，循环泵自动停用动态转速调整。为了实现这一点，供暖循环泵必须了解供暖锅炉的当前运行阶段。用于自动探测当前运行阶段的一种变体基于对介质温度的观察。温度变化曲线可以由泵的内部传感器机构进行检测。也可考虑使用外部的传感器机构，其与泵控制器连接，用于进行数据交换。在这里被证明特别有利的是，评估进流温度的温度梯度。例如，在加热阶段期间进流温度的曲线表明比较明显的温度升高。如果所观察的进流温度的温度梯度超过所定义的阈值，则泵控制器假定供暖锅炉处于加热阶段中，并暂时停用动态转速调整，优选地直到供暖阶段结束。
19.根据该方法的可选设计，可以规定，循环泵不仅停用动态转速调整，而且对于进流温度的温度梯度超过定义的阈值的情况，补充地以最大转速运行叶轮驱动器。可以在进流温度的当前温度梯度超过定义的阈值期间，以最大转速运行。以最大转速运行确保了被加热的加热介质在建筑物中快速分布。
20.一旦进流温度增加得不那么陡峭，即，温度梯度下降到阈值以下，则泵优选地又切换回到采用常规转速控制的正常运行模式中。
21.如果转速太长时间地保持在最大转速水平，则存在供暖锅炉冷运行的风险。出于这个原因，为了保护锅炉，建议在锅炉加热阶段期间，循环泵不许任意频繁地切换到最大转速模式中。在此有利地定义时间窗口，在该时间窗口期间仅允许预定次数地切换到最大转速。也就是说，如果温度梯度在相应阈值附近波动，则泵应仅根据定义的最大次数相应的频率切换到具有最大转速的模式。由此避免了当温度梯度可能在阈值附近波动时持续地升高和降低转速。如果最大次数已经用完，则即使由于进流温度的温度梯度超过了相应的极限值，也拒绝泵以最大转速运行。理想情况下，定义的时间窗口基于供暖锅炉的加热阶段的平均持续时间。相应的时间窗口例如是10分钟。泵切换到最大转速的切换过程的最大次数优选限制为三次、优选为两次、特别优选为单次切换过程。
22.针对如下情况：供暖设备为供暖锅炉规定了回流温度控制，但所使用的循环泵没有用来检测进流温度的相应的传感器机构，例如因为它安装在回流中，则应完全停用相应的动态转速控制，因为否则无法可靠地对锅炉的加热阶段进行可靠检测和根据运行阶段相应地停用动态转速调整。
23.如上所述，对于该方法的执行很重要的是，循环泵了解所采用的锅炉控制。此外，循环泵在供暖设备中的安装位置也很重要，特别是如果有内部传感器机构用于检测介质温度。因此以有利的方式提出，循环泵的逻辑自动地识别所安装的供暖锅炉采用的控制方式。这可以通过观察介质温度，通过泵控制来实现。特别地，在特定时间段内观察温度变化曲线。供暖锅炉的回流控制的特点是，介质温度的冷却循环持续时间相对较长，即，明显长于
供暖锅炉的加热阶段的持续时间。因此，可以通过评估介质温度的时间变化过程来区分供暖锅炉的加热和冷却阶段。通过随后比较两个循环的持续时间，泵可以推断出供暖锅炉的控制策略。
24.如果泵在此识别到供暖锅炉的进流温度控制，则不必确定循环泵的安装位置，而是可以无需担心地采用动态转速调整。如果通过循环泵备选地识别到回流温度控制，则对于进一步的执行过程重要的是，泵是安装在进流内还是回流内。泵还可以通过观察可能的工作条件来独立确定出这种情况区分。在此，循环泵考察在加热阶段期间的温度梯度。在供暖锅炉采用回流控制的控制策略时，进流温度的时间变化曲线上升得比较陡峭，而回流温度的并行上升则明显平缓。通过确定温度梯度，泵因此可以评估它是否借助其内部的传感器机构来检测进流温度或回流温度，并相应地安装在进流内还是回流内。
25.除了根据本发明的方法之外，本技术还涉及一种具有泵控制器的供暖循环泵，以用于执行根据本发明的方法或该方法的有利设计方案。
26.相应地，供暖循环泵的特征在于与已经借助根据本发明的方法详细解释的相同的优点和特性。出于这个原因，省略重复的描述。
27.在供暖循环泵的有利设计方案中，其包括用于检测由泵输送的加热介质的介质温度的相应的传感器机构。备选地，泵也可以与相应的外部传感器机构连接。
28.最后，本发明还涉及一种供暖设备，其具有供暖锅炉以及至少一个根据本发明的供暖循环泵。
附图说明
29.下面将借助附图中所示的实施例更详细地解释本发明的其他优点和特性。其示出：图1：加热回路的示意图；图2：两个曲线图，用于说明在对供暖锅炉采用进流控制的供暖设备中介质温度和输送流量的时间变化过程；图3：两个曲线图，用于说明在对锅炉采用回流控制的供暖设备中介质温度和输送流量的时间变化过程；图4：示例性曲线图，用于说明低通滤波器的行为；以及图5：功能草图，用于从原理上描述根据本发明的、采用自适应爬坡的方法的原理。
具体实施方式
30.首先应描述采用比例压力控制的供暖循环泵的动态转速调整原理。该泵应用在带有供暖锅炉和一个或多个加热体的供暖回路中。加热体配有恒温阀，这些恒温阀根据室温来控制经过加热体的流量。应该指出的是，所提出的动态转速调整的方法及其在这里所述的扩展也可以用于非比例压力控制的泵。例如，该泵控制备选地也可以执行恒压控制，或者执行由申请人开发的eco模式。也可考虑对泵的温度控制。以下解释与采用比例压力控制的泵有关，但不限于此。
31.供暖循环泵包括一个带转速控制的转换器，它根据比例压力-控制曲线工作，并与实际输送流量成比例地设定目标输送扬程。为了达到目标输送扬程，泵控制增加或降低泵
驱动器的转速，考虑到可调节的转速爬坡，直到达到目标输送扬程。从功能的角度来看，这样的转速爬坡就像一个具有可调时间常数的一阶低通滤波器。
32.图4中示范性地示出已知的一阶低通滤波器随时间变化的行为。图4示出了系统的目标值阶跃1以及相关的阶跃响应3。阶跃响应3的切线2与最终值之间的交点是时间常数t。根据经验，阶跃响应在六倍时间常数t之后达到其最终值。
33.为了节省能量，使用了两个转速爬坡。如果目标输送扬程h
soll
小于实际输送扬程h
ist
，则转速下降。在这种情况下，设定了陡峭的转速爬坡（低时间常数），由此转速快速下降并降低泵的功耗。如果目标输送扬程h
soll
位于实际输送扬程h
ist
之上，则代替地使用非常慢的转速爬坡（高时间常数），使得转速仅缓慢增加，并且延迟才到达实际输送扬程h
ist
。在这种情况下，因延迟可能会短暂地导致对要供暖的房间供应不足，但由于房间通常的热惯性，房间居住者无法感觉到这一点。然而，该泵降低了其平均功耗。
34.除了降低功耗外，采用该方法还可以确定房间是否实际上出现了供应不足，或者有时确定小于目标输送扬程的输送扬程是否足以为房间供暖。经验表明，加热体的恒温阀对降低的转速反应非常快。如果泵的转速增加得非常慢，阀门（在房间的热量供应充足的情况下）与此相比就关闭得更快，并补偿房间的供过于求。在这种情况下，尽管循环泵的转速增加，但输送流量仍保持恒定。
35.泵在转速爬坡下降期间持续监控其输送流量。如果在这种情况下泵识别到保持恒定的输送流量，则泵可以停止转速增加，而房间温度不会下降。为了从现在开始检查房间是否仍然供应充足，泵可以继续以最小的转速爬坡（只是刚好高于零）提高转速，并检查输送流量的变化。由此持久地监控是否存在供应不足。该原理在图5中示出。
36.本技术的发明是所提出的用于动态转速调整的方法的扩展。特别是根据自适应转速爬坡的动态转速调整工作良好，如果对锅炉采用进流温度控制，这通常是这种情况。然而，个别现代锅炉系统是回流温度控制的。根据本发明，针对这种情况，考虑了锅炉的开关行为和与建筑物的相互作用。
37.为此，循环泵必须首先自动识别所使用的供暖锅炉是否包括进流或回流温度控制。循环泵还必须识别它是安装在进流中还是回流中。这种识别分两阶段进行。第一步是识别所执行的锅炉控制方式，这是通过观察所输送的加热介质的温度变化曲线来完成的。对于采用回流控制的锅炉，冷却周期（图3，区域i）非常长，特别是明显长于锅炉的加热阶段（图3，区域ii、iii）。通过评估循环持续时间，泵可以确定锅炉的控制方式。
38.第二步是识别泵的安装位置。开头提到的关键区ii（图3）的特点是，进流温度非常陡峭地上升。在回流时，上升梯度明显更平坦。通过这种区分，泵识别到它是安装在进流中还是回流中。
39.利用这些信息，前面提到的用于动态转速调整的方法正好专门针对采用回流温度控制的供暖锅炉的情况进行了优化。如果识别到回流温度控制并且循环泵处于进流中，则为了避免“锅炉损失问题”，当泵识别到介质温度快速升高时，即，在锅炉的加热阶段期间（因而例如在所述关键阶段ii中），始终停用根据自适应爬坡的转速调整。另一种解决方案规定，泵在其识别到介质温度迅速升高时始终以最大转速运行。在这种情况下保证介质快速进入建筑物。一旦增加不那么陡峭，泵就又切换回到正常的运行模式。否则，以最大转速持久运行将大大增加锅炉冷运行的风险。如果在泵切换到正常运行模式后，温度曲线再次
变陡，则泵不会再次切换到最大转速。这避免了持续的转速增加和减小。这例如可以通过如下方式来实现：泵在一个时间窗口（例如10分钟）内以最大转速只允许运行一次。在阶段iii期间，自适应爬坡也被停用，因为这里的输送流量会降低。在阶段i中可以采用动态转速调整。
40.如果泵安装在回流中，它会借助其内部的检测器件来检测回流温度。如果对锅炉进行进流温度控制，则泵的位置无关紧要。但如果锅炉是回流温度控制的，则必须考虑上述“锅炉损失问题”。但在这种情况下，泵通常无法及时识别锅炉的当前运行阶段，因为回流温度的上升在时间上影响进流温度的上升。因此，对于这种情况，一般不使用自适应爬坡。这里的一个例外是，如果泵可以通过外部信号识别进流温度。