Identifikation und Steuerung des hydraulischen Betriebspunktes von Nassläufer-Umwälzpumpenaggregaten mittels Drehzahlvariation

Abstract

Der Energiebedarf von Pumpensystem entspricht etwa 8% bis 9% des weltweiten elektrischen Energieverbrauchs. Folglich hat die Energieeffizienz von Pumpensystemen einen signifikanten Einfluss auf den weltweiten Energiebedarf. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Betrachtung von Pumpenaggregaten, welche in Wärme- und Kältesystemen eingesetzt werden. In diesem Anwendungsbereich kann der Energieverbrauch durch den Einsatz energieeffizienter Regelungskonzepte im Vergleich zum konventionellen Betrieb des Pumpenaggregates bei konstanter Drehzahl signifikant reduziert werden. Zum Einsatz energieeffizienter Regelungskonzepte ist die Kenntnis des hydraulischen Betriebspunktes des Pumpenaggregates, welches die Kombination aus Antrieb und Pumpe darstellt, notwendig. Üblicherweise ist die entsprechende Sensorik zur Erfassung der hydraulischen Größen aus Kostengründen nicht vorhanden, weshalb alternative Ansätze entwickelt wurden, um den hydraulischen Betriebspunkt indirekt beispielsweise anhand der Leistungsaufnahme des Pumpenaggregates zu ermitteln. Diese konventionellen Verfahren besitzen jedoch Einschränkungen, wie die Limitierung des Einsatzes auf einen begrenzten Betriebsbereich des Pumpenaggregates. Um auch bei nicht Vorhandensein der Sensorik zur Erfassung der hydraulischen Größen einen energieeffizienten Betrieb zu ermöglichen, wird in dieser Arbeit ein neues modellbasiertes Verfahren zur Volumenstrombestimmung vorgestellt, welches einen Einsatz über den gesamten Betriebsbereich des Pumpenaggregates ermöglicht. Der Ansatz dieses Verfahrens beruht auf der Überlagerung der Drehzahl des Pumpenaggregates mit einer sinusförmigen Drehzahlvariation und der Extraktion der resultierenden Leistungsschwankung bei der Anregungsfrequenz. Auf Grundlage der extrahierten Leistungskomponenten erfolgt basierend auf in dieser Arbeit entwickelten und anhand von Messungen validierten Modellen der von der Pumpe generierten Förderhöhe und der Eingangsleistung des Antriebs des Pumpenaggregates eine Bestimmung des hydraulischen Betriebspunktes, welcher durch den geförderten Volumenstrom und die generierte Förderhöhe beziehungsweise den Differenzdruck definiert wird. Die Ansätze zur energieeffizienten Regelung von Pumpenaggregaten basieren auf der Regelung der generierten Förderhöhe beziehungsweise dem Differenzdruck statt dem Betrieb bei konstanter Drehzahl. Da die Identifikation des hydraulischen Betriebspunktes des Pumpenaggregates in dieser Arbeit auf Grundlage der entwickelten Modelle erfolgt, stehen dem Pumpenaggregat während des Betriebs keine Messwerte zur Regelung der Förderhöhe durch Sensorik zur Erfassung der hydraulischen Größen zur Verfügung. Daher wird neben dem Ansatz zur Identifikation des hydraulischen Betriebspunktes des Pumpenaggregates ebenfalls ein Ansatz zur Steuerung der generierten Förderhöhe basierend auf den entwickelten Modellen vorgestellt, um einen energieeffizienten Betrieb des Pumpenaggregates zu ermöglichen.