AT399218B - Verfahren zur steuerung der aufheizung von räumen eines gebäudes - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Steuerung der Aufheizung von Räumen eines Gebäudes, in dessen Räumen die Raumtemperatur zeitweilig auf ein niedriges Niveau abgesenkt wird, wobei zur Aufheizung auf eine Soll-Raumtemperatur die Außentemperatur und die Ist-Raumtemperatur unmittelbar vor dem Aufheizen, die Soll-Raumtemperatur für Heizbetrieb sowie die programmierten Zeiträu-5 me der Temperaturabsenkung und die Zeiträume der Hochtemperatur einer Steuerung sowie eine Gebäudekonstante und eine minimale Außentemperatur zur Berechnung des Spätestmöglichen Beginns der Aufheizung verwendet werden. Üblicherweise wird hierzu ein Temperaturfühler in einem der zu beheizenden Räume in Verbindung mit einem witterungsgeführten VT-Regler mit einem Algorithmus zur selbstoptimierenden Aufheizzeitberech-io nung eingesetzt.

Mit Hilfe des Raumtemperaturfühlers kann überprüft werden, ob und welche Abweichungen der Raum-Ist-Temperatur zum programmierten Zeitpunkt von der Raum-Soll-Temperatur existieren.

In Gebäuden, in denen kein repräsentativer Testraum für die Raumtemperatur-Überprüfung existiert, erfolgt die Aufheizzeitberechnung ohne Raumfühler in Abhängigkeit von der Außentemperatur und gegebe-75 nenfalls einer festen oder einstellbaren Raum-Soll-Temperaturüberhöhung. Dabei müssen alle Korrekturen manuell durch den Betreiber oder Service vorgenommen werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß diese Art der Bemessung der Aufheizzeit nicht optimal ist, weil etliche Faktoren, die für die richtige Wahl des Einschaltzeitpunktes der Beheizung maßgebend sind, dabei unberücksichtigt bleiben und Möglichkeiten zur selbsttätigen Anpassung nicht genutzt werden. 20 Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, daß die Dauer der Aufheizzeit beziehungsweise der Zeitpunkt der Einschaltung eines Heizgerätes auf der Basis des funktionellen Zusammenhanges zwischen folgenden Faktoren festgelegt wird: a) Der Absenkzeit, die auch die Aufheizzeit umfaßt, die sich aus dem vom Benutzer vorzugebenden

Programm (Anfang und Ende der Beheizung) ergibt, 26 b) einer der Gebäudekonstanten proportionalen Größe, c) der aktuellen Außentemperatur (tA), d) einer minimalen Außentemperatur, die für die Auslegung der Heizungsanlage relevant ist, e) der gewünschten Soll-Raumtemperatur, f) der Differenz zwischen der Soll-Raumtemperatur und der minimalen Außentemperatur (ΔίΑ), 30 g) der während der Aufheizung eingesetzten Wärmemenge oder einer proportionalen Größe und h) dem Verhältnis (fH) der Leistung des Wärmeerzeugers zu der erforderlichen Heizleistung bei der minimalen Außentemperatur.

Besonders günstig läßt sich nach dieser grundsätzlichen Lehre die optimale Dauer der Aufheizzeit nach folgender Formel ermitteln: 35 Gleichung (1)

Kl · zG za = - 40 "^A min K1 _ + _ ^A “ ^A min Δ tA l - - 45

Bekannt sind Verfahren, bei denen hierzu die Zeitkonstante vorgegeben und von Hand angepaßt wird. Wie in Gleichung (1) gezeigt, ist dies nicht ausreichend, um einen optimalen Aufheizverlauf zu erzielen, so Bedeutsam sind auch die Faktoren f) und h), wobei h) auch durch ein äquivalentes f) ausgedrückt werden kann. Zur Vereinfachung der richtigen Wahl dieses Wertes beinhaltet die Erfindung auch ein selbsttätiges Adaptionsverfahren hierzu.

Mit einem Vorgabewert aus dem Zusammenhang (1) beginnt die gesteuerte Aufheizung vor dem programmierten Zeitpunkt des Erreichens der Soll-Raumtemperatur. 55 Zur Ermittlung eines der eingesetzten Wärmemenge proportionalen Korrekturfaktors kann die Zeitspanne vom Einschalten des Heizgerätes bis zur ersten Abschaltung gemessen werden, und aus dem Verhältnis zwischen der Aufheizzeit und der gemessenen Einschaltdauer kann ein Faktor ermittelt werden, mit dem dann die Differenz zwischen der Soll-Raumtemperatur und der der maximalen Vorlauftemperatur des 2

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Heizgerätes zugeordneten Außentemperatur multipliziert wird.

Im Zusammenhang mit dem Verfahren erstreckt sich die Erfindung auch auf eine zu dessen Durchführung geeignete Heizungsanlage mit einem Heizgerät, einer die Brennstoffzufuhr zu dessen Brenner regelnden, von einer Steuerung gesteuerten Ventil und einen mit einer Umlaufpumpe ausgestatteten, zumindest einen Heizkörper enthaltenden Heizkreis, in dessen Vorlaufleitung ein Temperaturfühler angeordnet ist, wobei die Steuerung des Heizgerätes, der Antrieb der Umlaufpumpe des Heizkreises und der Temperaturfühler über Steuerleitungen mit einer allgemeinen Steuerung verbunden sind, an die auch eine Vorrichtung zur Eingabe der Soll-Raumtemperatur, ein Außentemperaturfühler und ein Programmgeber über Steuerieitungen angeschlossen sind.

Erfindungsgemäß sind an diese allgemeine Steuerung zusätzlich eine einstellbare Vorrichtung zur Eingabe einer dem Maximum der Vorlauftemperatur entsprechenden Außentemperatur und eine Vorrichtung zur Eingabe einer der Gebäudekonstanten entsprechenden Größe über Steuerleitungen angeschlossen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert.

Im einzelnen zeigen die

Figuren 1 bis 4 anhand von Diagrammen den funktionellen Zusammenhang zwischen den oben bereits genannten, für die Bestimmung einer optimalen Dauer der Aufheizzeit maßgebenden Kennwerten.

Figur 5 stellt das Schema einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Heizungsanlage dar.

Zunächst zeigt das Diagramm nach Figur 1 den funktionellen Zusammenhang zwischen der in der Abszisse ersichtlichen jeweiligen Ist-Höhe der Außentemperatur zu Beginn und während des Verlaufs der Aufheizung auf die Soll-Raumtemperatur (tiN), der minimalen Außentemperatur tAmin, der Gebäudekonstanten und dem in der Ordinate aufgetragenen Verhältnis von Aufheizzeit ZA zur Dauer des Absenkbetriebs Z6. Dabei ist die Aufheizzeit ZA der Zeitraum, innerhalb dessen die Ist-Raumtemperatur vom Beginn der Raumbeheizung auf den Soll-Wert der Raumtemperatur ansteigt. Diese Dauer ist in Prozenten der Gesamtabsenkzeit angegeben. Bei der minimalen Außentemperatur tAmin wird das Maximum der erforderlichen Leistung zur Raumbeheizung beim Raumtemperatur-Soll-Wert tiN erreicht. tA min wurde beispielsweise mit -15 °C angenommen, die Soll-Raumtemperatur tiN beträgt beispielsweise + 20 · C. ΔίΑ beträgt demnach 35 ° C. Die der Gebäudekonstanten proportionale Größe K ist unterschiedlich und berücksichtigt die individuelle Trägheit des Gebäudes in bezug auf Wärmeaufnahme- und -Speicherfähigkeit. Ki ist größer als K2 und K2 größer als K3 angenommen.

Aus dieser Figur 1 ist demnach die Auswirkung unterschiedlicher Gebäudekonstanten K auf die jeweils erforderliche Aufheizzeit ersichtlich.

Der Leistungsüberschußfaktor fH bei einer Temperatur von tA min beträgt in diesem Fall 1,0, das heißt, es existiert kein Überschuß, die erforderliche Heizleistung wird voll von der Wärmeerzeugerleistung gedeckt. Der Verlauf der in Figur 1 dargestellten Kurven ergibt sich durch Iteration aus den bekannten Beziehungen

und tio = tA + (tiN tA) e

ZE

Za _ TauA fH ln (tiN - tAmin) - (tio ~ tA) zG zG fH (tiN * tAmin) “ (tiN " tA) darin bedeutet TauA die sogenannte Aufheizzeitkonstante, in das Verhältnis der Leistung des Wärmeerzeugers zur Heizleistung, die bei tAmi» erforderlich ist, um eine Raumtemperatur von tiN zu ermöglichen, ti0 die Raumtemperatur nach Ablauf der Zeit ZE zu Beginn der Aufheizung aus der Absenkung auf das erhöhte Raumtemperaturniveau.

Auch die Figur 2 zeigt in einem solchen Diagramm die funktionelle Abhängigkeit der Aufheizzeit ZA von der Außentemperatur tA, und zwar - entsprechend Außentemperaturen von tA m}n von -10 "C, -15 °C und - 3

AT 399 218 B 20 * C in den Kurven 1, 2 beziehungsweise 3.

Bei jeder solchen minimalen Außentemperatur tA wirddavon ausgegangen, daß vom Heizgerät die maximale Leistung abgegeben wird, das heißt fH = 1.

Die Berechnung der Kurvenverläufe in einem in Heizungsreglern verwendeten Mikrorechner erfordert 5 eine relativ hohe Rechenzeit und einen beträchtlichen Speicherplatzbedarf.

Den hier existierenden Anforderungen wird eine geschlossen zu lösende lineare Gleichung erheblich besser gerecht. Hierfür wird erfindungsgemäß eine Annäherung wie folgt verwendet: 10 „SB K* "A -

Kl “ ^Amin + is

AtA - tAmin1 - _ 20 wobei ZA die gewünschte Zeitspanne in Stunden, Ki eine der Gebäudezeitkonstante propertionale dimensionslose Größe, ZG die Zeitspanne des Abweichens vom erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert t,N in Stunden, tA die laufende Außentemperatur in · C, tArnjn die minimale Auslegungstemperatur der Heizungsanlage in · C, ÄtA die Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tjN und der minimalen Außentempe- 25 ratur tAmin in °C bedeuten.

Dieser angenäherte Verlauf ist in Figur 2 als Kurve 4 dargestellt.

Zur Anpassung des Faktors Ki an die physikalische Gebäudezeitkonstante Kceb kann folgender Zusammenhang verwendet werden: 30 35 (*Geb ‘ B)n Κχ = A + -

C darin bedeuten A, B, C und n mathematische Konstanten zur fehlerminimalen Annäherung.

Diese Anpassung kann vorteilhaft vom Rechner der Regeleinheit durchgeführt werden.

Bei praktisch ausgeführten Anlagen kann es Vorkommen, daß bei der eingestellten minimalen Außen-4o temperatur der Leistungsüberschußfaktor fH > 1 ist. Das führt dazu, daß die Aufheizzeit zu lang berechnet wird, obwohl die Zeitkonstante passend eingestellt ist. Da kein Raumfühler zur Korrektur herangezogen werden kann, muß eine dem tatsächlichen Wärmebedarf annähernd proportionale Größe dazu verwendet werden. Sie kann von Hand eingegeben werden. Vorteilhaft ist aber eine selbsttätige Anpassung an die Gegebenheiten des Heizsystems. 4s Wird beispielsweise vom Einschalten des Heizgerätes bis zu dessen erster Abschaltung eine Zeitspanne gemessen, die kürzer ais die berechnete Aufheizzeit ist, muß ein Leistungsüberschuß bestehen, das heißt, ίμ ist größer als 1. Dies bedeutet, daß die tatsächliche minimale Außentemperatur tA min, bei der die Soll-Raumtemperatur tiN noch aufrechterhalten werden kann, niedriger liegt. Der Punkt der Kurve 2, in dem bei tA min die Aufheizzeit 100 % beträgt, könnte demnach nach links bis zur Kurve 3 verschoben werden, so wodurch sich die Differenz AtA vergrößert zu tA·.

Dies geschieht, indem aus dem Verhältnis der errechneten Aufheizzeit zur gemessenen Einschaltdauer ein Korrekturfaktor ermittelt wird. Mit diesem Korrekturfaktor wird eine neue Differenz AtA' errechnet und bei konstanter Soll-Raumtemperatur eine neue, niedrigere Außentemperatur tA min ermittelt (Kurve 3 der Figur 2). 55 Im Diagramm nach Figur 3 ist in der Abszisse der Tagesablauf in Stunden und in der Ordinate die Temperaturen verzeichnet. Der Verlauf der ist-Raumtemperatur ist mit einer vollen Linie, der Verlauf der Soll-Raumtemperatur t,N mit einer lang gestrichelten Linie dargestellt. 4

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Innerhalb der Absenkzeit ZG liegt die Aufheizzeit ZA, nach deren Ablauf die Raumtemperatur etwa bei der Soll-Raumtemperatur von + 20 *C liegt. Im unteren Teil von Figur 3 ist der Verlauf der Leistung (prozentual) des Wärmeerzeugers dargestellt.

Figur 4 zeigt in einem Diagramm, wie die Berücksichtigung des tatsächlichen Wärmebedarfs durch eine Messung der Zeitspanne zwischen der Einschaltung des.Heizgerätes und dessen erster Abschaltung durch den Kessel- oder Vorlauftemperatur-Regler erfolgen kann.

Im oberen Teil des Diagrammes ist in der Abszisse der Zeitablauf der Heizkreistemperatur tv verzeichnet. Die Linie 5 bezeichnet die Temperatur, bei der das Heizgerät im aufgeheizten Zustand durch den Regler 25 einschaltet und die Linie 6 jene Temperatur tVmax, bei der es ausschaltet. Die Aufheizung erfolgt ab der Temperatur t*.

Im unteren Teil des Diagrammes nach Figur 4 ist in der Ordinate die Leistung P des Heizgerätes verzeichnet, und zwar mit dem Punkt 7 die 100%ige Nennleistung. Im Zeitraum Zein zwischen der Ein- und der ersten Ausschaltung des Heizgerätes läßt sich die erbrachte Wärmemenge feststellen und daraus der Korrekturfaktor ermitteln, indem die errechnete Aufheizzeit ZA zur tatsächlichen Einschaltzeit Zein ins Verhältnis gesetzt wird.

Bei der Ermittlung dieses Korrekturfaktors müssen folgende Fälle unterschieden werden.

Fall 1:

Die Abschaltung des Wärmeerzeugers erfolgte vor oder mit dem Erreichen des programmierten Beginns der Heizzeit, Kurve 2 und 3 in Figur 4.

In einem großen Teil des Außentemperaturbereiches ändert sich die Aufheizzeit annähernd linear mit der Außentemperatur. Hier kann zwischen zwei Kurvenverläufen mit unterschiedlichem AtA folgender Zusammenhang hergestellt werden:

ZAE Ätae * -

ZAM

Darin bedeutet AtAM die tatsächliche Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der tatsächlichen minimalen Außentemperatur tArnin und AtAE die eingestellte Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der tatsächlichen minimalen Außentemperatur tAmjn,ZAM der gemessenen Aufheizzeit, in Figur 4 die Zeiten zein2 beziehungsweise zejn3 und ZAE der aus den Einstelldaten errechneten Aufheizzeit.

Das Verhältnis ZAE/ZAM kann hierbei zur Korrektur des eingestellten Wertes AtAE verwendet werden.

Fall 2:

Die Abschaltung des Wärmeerzeugers erfolgte nach dem programmierten Beginn der Heizzeit, Kurve 1 in Figur 4.

Durch Extrapolation des Vorlauftemperaturverlaufes wird die zugehörige Einschaltzeitdauer ermittelt. A^vmax ZAM = ZA * Δ tvi

Worin ZAM die errechnete Einschaltzeit des Wärmeerzeugers, ZA die eingestellte Aufheizzeit, tvmax die Differenz zwischen der maximalen Temperatur des Heizkreises und der Heizkreistemperatur zu Beginn der Aufheizung, Atvi die Differenz zwischen der gemessenen Ist-Heizkreistemperatur zu Beginn der Zeitphase mit dem erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert und der Ist-Heizkreistemperatur zu Beginn der Aufheizung bedeuten.

Mit diesem extrapolierten Wert für ZAM wird wieder über die Beziehung 5

Claims (5)

1. AT 399 218 B ZäE * ^tAE * - Zam die Korrektur von ΔίΑ durchgeführt. Dabei entspricht ZAM in diesem Fall zeini in Figur 4. Figur 5 zeigt das Schema einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Heizungsanlage mit einem brennerbeheizten Heizgerät zum Beispiel einem Heizkessel 10, einem die Brennstoffzufuhr zu dessen Brenner 11 regelnden, in einer Brennstoffzufuhrleitung 12 angeordneten, von einer Steuerung 13 über einen Stellmotor oder Hubmagneten 14 verstellbaren Ventil und einem mit einer Umlaufpumpe 16 ausgestatteten, zumindest einen Heizkörper 17 enthaltenden, an den Wärmetauscher 18 des Heizkessels 10 angeschlossenen, eine Vorlaufleitung 20 und eine Rücklaufleitung 21 umfassenden Heizkreis, in dessen Voriaufleitung 20 ein Temperaturfühler 19 angeordnet ist. Die Steuerung 13 des Heizkessels 10, der Antrieb der Umlaufpumpe 16 des Heizkreises 20 bis 21 und der TemperaturfühlerΊ9 sind über Steuerleitungen 22 beziehungsweise 23 und 24 mit einer allgemeinen Steuerung 25 der Heizungsanlage verbunden, an die auch eine Vorrichtung 26 zur willkürlichen Einstellung der gewünschten Soll-Raumtemperatur tiN, ein Außentemperaturfühler 27 und ein Programmgeber 28 über Steuerleitungen 29 beziehungsweise 30, 31 angeschlossen sind. An diese allgemeine Steuerung 25 ist zusätzlich auch noch ein einstellbares Zeitglied 32 zur Eingabe einer Außentemperatur tA min und eine Vorrichtung 33 zur Eingabe einer der Gebäudekonstanten K proportionalen Größe über Steuerleitungen 34 und 35.sowie über eine Leitung 36 ein Signal zur Erkennung des Zustandes des Ventils 12 angeschlossen. In einer solchen Heizungsanlage kann somit die Dauer der Aufheizzeit, demnach also der Zeitpunkt für eine selbsttätige Einschaltung des Heizkessels von der Steuerung 25 im Sinne der Erfindung problemlos und dem Bedarf entsprechend vorgegeben werden. Patentansprüche 1. Verfahren zur Steuerung der Aufheizung von Räumen eines Gebäudes, die während Belegungszeiten auf einem höheren Raumtemperatur-Soll-Wert und während einer Absenkzeit auf ein niedrigeres Raumtemperaturniveau gelangen und wobei nach Ablauf der Absenkzeit (ZG) das erhöhte Raumtemperaturniveau wieder erreicht sein soll und die Zeitspanne (ZA) zu bestimmen ist, aus der der Zeitpunkt, zu der ein Heizgerät eingeschaltet werden muß, um zum gewünschten nächsten Belegungsbeginn den erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert mit der Raumtemperatur wieder zu erreichen, berechnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne (ZA) für die Dauer der Aufheizung auf das erhöhte Raumtemperaturniveau (tiN) nach folgender Beziehung ermittelt wird: KX · ZG za * - fcA ” ^ min Kl —+ - - — *Α “ min ^*-A ” . ......— ---------- wobei ZA die gewünschte Zeitspanne in Stunden, Ki eine der Zeitkonstante des Gebäudes proportionale dimensionslose Größe, ZG die Zeitspanne des Abweichens vom erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert t,N in Stunden, tA die laufende Außentemperatur in * C, tAmin die minimale Außentemperatur in * C, bei der die vom Heizsystem geforderte Wärmeleistung, die zum Erreichen des Raum-Soil-Wertes tiN notwendig ist, gerade von der Leistung des Wärmeerzeugers gedeckt wird, AtA die Differenz zwischen dem Raumperatur-Soll-Wert, tiN und der minimalen Außentemperatur tAmin in * C bedeuten. 6 AT 399 218 B
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstante Ki nach folgender Beziehung ermittelt wird: Κι = A · Κ^, wobei K^b die Gebäudekonstante und Ki Proportionalitätsfaktor ist. 3 j ~7 V*Geb " 8/3 Κχ « 0,083 + ---- 30,7
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne vom Beginn der Einschaltung des Wärmeerzeugers mit dem Beginn der Aufheizzeit ZA bis zum hierauf folgenden erstmaligen Erreichen der Maximaltemperatur des Heizkreises, die. durch die Auslegungsdaten des Heizsystems festgelegt ist, gemessen wird und für den Fall, daß zum Beginn der Zeitphase mit dem höheren Raumtemperatur-Soll-Wert der Wärmeerzeuger bereits über die Maximaltemperatur abgeschaltet worden ist, mit der für diesen Aufheizvorgang zugrunde gelegten Aufheizzeit ZA ins Verhältnis gesetzt wird, und daß die aktuelle Differenz AtA zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der minimalen Außentemperatur tAmin in einem nach niedrigen Außentemperaturen hin begrenzten Bereich, innerhalb dessen der Zusammenhang zwischen der Aufheizzeit ZA und der Außentemperatur tA annähernd linear ist, nach folgendem Zusammenhang korrigiert wird: ZAE <Δ*ΑΜ = -^tAE * - ZAM darin bedeutet AtAM die tatsächliche Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der tatsächlichen minimalen Außentemperatur tAmin und AtAE die eingestellte Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der tatsächlichen minimalen Außentemperatur tAmi„.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne vom Beginn der Einschaltung des Wärmeerzeugers mit dem Beginn der Aufheizzeit ZA bis zum hierauf folgenden erstmaligen Erreichen der Maximaltemperatur des Heizkreises, die durch die Auslegungsdaten des Heizsystems festgelegt ist, gemessen wird und für den Fall, daß zum Beginn der Zeitphase mit dem höheren Raumtemperatur-Soll-Wert der Wärmeerzeuger noch nicht über die Maximaltemperatur abgeschaltet worden ist, die tatsächliche Aufheizzeit ZAM aus folgendem Zusammenhang errechnet wird. fcvmax 2AM = ZA * —- ^tvj[ worin ZAM die errechnete Einschaltzeit des Wärmeerzeugers, ZA die eingestellte Aufheizzeit, tymax die Differenz zwischen der maximalen Temperatur des Heizkreises und der Heizkreistemperatur zu Beginn der Aufheizung, Δίνι die Dif ferenz zwischen der gemessenen Ist-Heizkreistemperatur zu Beginn der Zeitphase mit dem erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert und der Ist-Heizkreistemperatur zu Beginn der Aufheizung bedeuten, und daß diese errechnete Zeit ZAM mit der für diesen Aufheizvorgang zugrunde gelegten Aufheizzeit ZA ins Verhältnis gesetzt wird, und daß die aktuelle Differenz tA zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der minimalen Außentemperatur tAmin in einem nach niedrigen Außentemperaturen hin begrenzten Bereich, innerhalb dessen der Zusammenhang zwischen der Aufheizzeit ZA und der Außentemperatur tA annähernd linear ist, nach folgendem Zusammenhang korrigiert wird: 7 AT 399 218 B 2AE *ΑΜ = fcAE * - ZAM Hiezu
5. 5 Blatt Zeichnungen 8