Störwertgeber für Sonnenstörwerte in einer Heiztmgs-, Lüftungs- und Klimaanlage
Die Erfindung betrifft einen Geber einer Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage, eines Gebäudes zur Korrektur von Regelsollwerten in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung.
Zur Erzielung z. B. einer gleichmässigen Raumtemperatur und eines sparsamen Heizbetriebes wird bei einer Warmwasserheizung die Heizleistung an den jXewei- ligen Wärmebedarf durch Wahl entsprechender Vorlauftemperaturen angepasst. Die Steuerung der Vorlauftemperatur, d. h. der Temperatur des zu den Wärmeaustauschern und Radiatoren fliessenden Heizwassers erfolgt automatisch durch Vorlauftemperaturregler, bei denen im iallgemeinen der Sollwert für die Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der Aussentemperatur geführt wird.
So beträgt beispielsweise bei einer Aussentemperatur von 0 C der Sollwert für die Vorlaiiflemperatur 58 C, bei -10 "C Aussentemperatur 72 "C und bei + 10 C Aussentemperatur 40 C. Der Verlauf der den Vorlauftemperatur-Sollwert in Abhängigkeit von der Aussentemperatur darstellenden Heizkurve ist von den thermischien Charakten.stiken des jeweiligen Gebäudes abhän- gig.
Durch Sonneneinstrahlung werden die an der von nenseite liegenden Räume eines Gebäudes erwärmt, wobei insbesondere die Fenster infolge der starken Absorption langwelliger Strahl'ung durch das Fensterglas als zusätzliche Wärmequelien wirken. Bei in moderner Bauweise ausgeführten Gebäuden mit grossflächigen Fenstern können sich Räume auch bei herabgelassenen Sonnenjalousien so stark erwärmen, dass eine einiger- massen angenehme Raumtemperatur nur durch Öffnen der Fensterlerreicht werden kann.
Damit wird aber der Heizbetrieb unwirtschaftlich und verschiedene Unan- nehlmlichkeiten, wie Strassenlärm, verschlechterte Kh- matisierung usw. müssen unter Umständen in Kauf genommen werden. Umleine befriedigende Raumtemperaturregelung zu erzielen, ist es daher nicht ausreichend, den Sollwert der Vorlauftemperatur nur in Abhängigkeit von der Aussentemperatur zu führen; die Heizkurve, d. h. die Regelkurve des Vorlauftemperaturreglers bedarf einer Korrektur, durch die die zusätzliche Rlaum- erwärmung ausreichend genau erfasst wird. Zur Herleitung solcher Korrekturwerte werden geeignete Messwertgeber benötigt.
Als Messwertgeber hat m'an bereits ein Lichtmessgerät mit z. B. einer Photozelle als lichtelektrischen Wandler benutzt, wobei die elektrischen Signale des Wandlers zur Korrektur der Soflwertführung verwendet wurden. Von solchen Lichtmessgeräten wird jedoch im allgemeinen auch Fremdlicht, wie z. B. von Schnee reflektiertes Tageslicht, erfasst, so dass häufig statt einer Korrektur eine Verschlechterung der Regelkurve erzielt wird. Bei auf Lichtmessungen beruhenden Messwertgebern wird deshalb meistens nur zwischen voller Sonnen- einstrahlung und Dunkelheit unterschieden.
Ein weiterer bekannter Messwertgeber für die Korrektur der Sollwertführung bei Temperaturregelanlagen besteht aus einem kleinen Kästchen, in welchem ein Temperaturfühler angeordnet ist. Das auf dem Gebäudedach aufzustellende Kästchen ist eine stark verkleinerte Nachbildung des Gebäudes mit seinen Aussenwänden und Fensterfronten, durch die die thermische Charakteristik des Gebäudes simuliert werden soll. Die Anpassung der Modellcharakteristik an die des Gebäudes ist im allgemeinen jedoch sehr schwierig und für jeden Haustyp ist eine besondere Ausführung erforderlich, so dass eine billige Serienfabrikation solcher Messwertgeber praktisch nicht möglich ist.
Die infolge der Montage des Störwertgebers auf dem Dach für Gebäude und Modell verschiedenen Umgebungs- und vor allem Windeinflüsse bedingen zudem Messwertänderungen, so dass die Regelanlage häufig nicht zufriedenstellend arbeitet.
Zweck der Erfindung ist ein Störwertgeber zur Korrektur von Regelsollwerten bei Heizungs-, Lüftungsund Klimaanlagen, der bei einfachem, für Serienfabrikation geeignetem Aufbau elektrische, die durch Sonnenstrahlung bedingten und von den thermischen Charakteri stiken des jeweiligen Gebäudes abhängigen Störwerte ausreichend genau wiedergebende Signale liefert.
Der erfin dungsgem ässe Störwertgeber ist gekennzeichnet durch einen kompakten WärmespeichereKörper mit einer Absopritionsfläche für die Sonnenstrahlung und einen mit dem Wärmespeicher > Körper in thermischem Kontakt befindlichen Temperaturfühler zur Abgabe von der Temperatur des WärmespeicherzKörpers abhängigen elektrisohen Signalen, wobei der Wärmespeicher bestimmt ist, in einem Gebäude auf der Raumseite eines Fensters -angeordnet zu werden.
Durch die Anordnung des Wärmespeicher-Körpers auf der Raumseite eines Fensters mit einer dem Fenster zugekehrten, vorzugsweise mattschwarzen Absorptionsfläche werden die diffuse, direkte und indirekte Sonnenstrahlung und der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung, sowie K-Werte (Wärmedurchgangszahlen), Totzeiten und Wärmespeichereffekte des Fensterglases richtig erfasst. Durch die absorbierte Strahlung erwärmt sich der Wärmespeicher-Körper und seine Temperatur stellt ein Mass für die durch die Sonneneinstrahlung bedingten Störwerte dar.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Störwertgeber nach der Erfindung im Schnitt,
Fig. 2 den Störwertgeber der Fig. 1 in Aufsicht,
Fig. 3 einen Verbund-Wärmespeicher-Körper für den Störwertgeber der Fig. 1,
Fig. 4 perspektivisch den Wärmespeicher-Körper des Stönvertgebers der Fig. 1 mit aufgesetzter Blende,
Fig. 5 die Anordnung des Störwertgebers der Fig. 1 auf einem Verbundfenster,
Fig. 6 schematisch Temperaturkurven des Störwertgebers und
Fig. 7 Heizkurven für einen Temperatur-Regler.
Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Störwertgeber besonders einfacher Bauweise besteht der Wärmespeicher-Körper 1 aus einer Metallplatte, vorzugsweise aus Aluminium, auf deren Stirnseite der linke und rechte Randstreifen 8 erhaben ausgearbeitet ist. Die ebene Fläche zwischen den beiden streifenförmigen Randteilen 8 ist mattschwarz lackiert und bildet die Absorptionsfläche 4 des Störwertgebers. Die übrige Oberfläche der Metallplatte ist hochglanz poliert. Vorzugsweise in der Mitte des plattenförmigen Wa mespei- cherKörpers 1 befindet sich eine Sackbohrung 2. Auf der Rückseite des Wärmespeicher-Körpers 1 ist ein Gehäuse 5 befestigt, welches gegenüber dem Wärmespeicher-Körper 1 beispielsweise durch eine Isolationsplatte 7 thermisch isoliert ist.
Inbezug auf den Wärme speicherörper 1 senkrecht stehende Bolzen 13a halten die Gehäuseteile zusammen und tragen eine Traverse
13. In der Mitte der Traverse 13 ist eine Hülse 3a befestigt, welche achsparallel zu den Bolzen 13a ausgerichtet ist und in deren vorderem Ende ein thermoelektrisches Messelement 3 angeordnet ist. Auf der Traverse 13 sind ferner Anschlüsse 14, z. B. Klemmschrauben befestigt, durch die das thermoelektrische Messelement 3 an Übertragungsleitungen angeschlossen wird. Die Übertragungsleitungen 12 (Fig. 5) sind dem Gehäuse 5 über eine Stopfbüchse 6 zugeführt. Das thermoelektrische Messelement 3 kann ein Thermoelement, ein Halbleiterelement oder ein anderes der bekannten Blauelemsente dieser Art sein.
Sind für den Betrieb des Messelementes weitere Schaltelemente, wie Widerstände usw. nötig, so werden diese zweckmässiger Weise ebenfalls im Gehäuse 5 untergebracht. Die Traverse 13 kann auf den Bolzen 13a verschiebbar angeordnet sein, so dass z. B. über eine Stellschraube im Gehäusedeckel das Messelement 3 mehr oder weniger weit aus dem Gehäuseboden herausgeschoben und justiert werden kann. Bei montiertem Gehäuse 5 ragt das vordere Ende der Hülse 3a mit dem Messelement 3 in die Bohrung 2 des Wärmespeicher-Körpers 1 hinein, wobei der freigebliebene Raum durch eine Wärmeleitpaste ausgefüllt wird, so dass sich ein guter thermischer Kontakt zwischen Messelement und Wärmespeicher Körper ergibt.
Wie bereits erwähnt, muss z. B. für eine befriedigende Temperaturregelung die thermische Charakteristik des Wärmespeicher-Körpers mit der des Gebäudes übereinstimmen. Abgesehen von der Grösse der Absorptionsfläche sind für die thermische Charakteristik des Wärmespeicher-Körpers dessen Volumen, die Wärme durchlgangszahl, die spezifische Wärmekapazität und auch die Beschaffenheit seiner Oberfläche massgebend.
Eine Anpassung an die thermische Charakteristik eines Gebäudes kann demnach durch Variation einzelner oder aller dieser Komponenten erfolgen, indem man beispielsweise Wärmespeicher-Körper verschiedener Grösse und aus verschiedenen Materialien vorsieht und dann bei einem bestimmten Gebäude den am besten passenden aus einem Sortiment heraus sucht. Fertigungstechnisch ist es jedoch vortei,lhafter einen Wärmespeicher-Grundkörper vorzusehen und diesen, falls erforderlich, durch Aufsetzen weiterer Platten, die in Fig. 3 mit la und l'b bezeichnet sind, verschiedener Dicke und aus gleichem oder verschiedenem Material an die Gebäudecharakteri- stark anzupassen. Die Anpassung erfolgt in Probeläufen der Regelanlage und nimmt verhältnismässig wenig Zeit in Anspruch.
Anstelle der Aufsteckplatten la, 1b kann der Wärmespeicher-Grundkörper auch eine zylindrische Bohrung aufweisen, die durch ineinandergesteckte Ringe
1c, 1d verschiedener Dicke und aus verschiedenem Material mit oder ohne Boden bis auf die Bohrung 2 für das Messelement ausgefüllt wird, wie dies in Fig. 3 durch strichlierte Linien angedeutet ist. Auf diese Weise erhält man Verbundkörper deren thermische Charakte- ristik der Charakteristik jedes beliebigen Gebäudes anpassbar ist.
Die Absoprtionsfläche des Wärmespeicher-Körpers ist, wie erwähnt, so behandelt, dass sie möglichst viel
Sonnenstrahlung absorbiert. Die Temperatur, auf die sich der Wärmespeicher-Körper bei einer bestimmten
Sonneneinstrahlung erwärmt ist von der Grösse der Ab sorptionsfläche und von der Grösse und der Beschaffenheit der übrigen, Wärme an die Raumluft abgebenden bzw. von dieser aufnehmenden Oberfläche des Wärme speicher-Körpers abhängig. Die Raumlulfttemperatur soll möglichst keinen Einfluss auf die Temperatur des
Wärmespeicher-Körpers haben. Um unerwünschte
Rückkopplungseffekte zu vermeiden, ist deshalb ein möglichst schlechter Wärmeübergang zwischen dem
Wärmespeicherkörper und der Raumluft erforderlich.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der schlechte Wärmeübergang durch Verspiegelung der Oberfläche des Wärmespeicher-Körpers erreicht.
Bei einer bestimmten Sonneneinstrahlung kann durch linderung der Grösse der Absorptionsfläche die Erwär mung des Wärmespeicher-Körpers bestimmt werden, d. h. durch die Grösse der Absorptidonsfläche kann auch z. B. die Höhe des Störwertes für die Regelanlage bestimmt und durch Änderung der Flächengrösse der Störwertgeber an die jeweilig vorhandenen Verhältnisse und die Kenndaten der benutzten Anlage angepasst werden.
Zur Einstellung einer bestimmten Grösse der Ab sorptionstläche werden vorzugsweise verspiegelte Blenden benutzt. Fig. 4 zeigt eine solche Blende 9, die als Schieber ausgebildet ist und aus einem Blechstreifen besteht, der zwischen den beiden erhabenen Randteilen 8 des Wärmespeicher-Körpers 1 eingeschoben ist. Der obere Rand der Blende ist als Griff abgewinkelt und mindestens die vordere Oberfläche 10 der Blende ist reflektierend. Der Störwertgeber wird, wie Fig. 5 zeigt auf der Raumseite leine Fensters 11 befestigt und zwar bei der dargestellten Ausführungsform durch Ankitten oder Ankleben der Randbereiche 8.
Die Absorptionsfläche 4 verläuft parallel zur Glasscheibe des Fensters, so dass der Einfallwinkel der Sonnenstrahlung bereits richtig erfasst wird, und auch die Wärmedurchgangszahlen der Verglasung sowie der Totzeiten werden mitberück sichtiigt. Der Störwertgeber liefert ein Signal, das die Temperatur des Wärmespeicher-Körpers wiedergibt.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm, in welchem in Abhängigkeit von der Tageszeit (Abszisse) die Aussentemperatur Ta, die Temperatur Tm des Wärmespeicherkörpers, an einem bedeckten Tag und die Temperatur Tms des Wärmespeicher-Körpers an einem sonnigen Tag dargestellt sind. Wie ersichtlich, liegt die Messwertikurve des Störwertgebers, d. h. die Temperatur Tm des Wärmespeicher-Körpers des nachts und während eines bedeckten, sonnenlosen Tages oberhalb der Aussentemperatur- kurve Ta wmd verläuft zu dieser im wesentlichen parallel.
An einem Tag mit Sonneneinstrahlung erhält man eine Messwertkurve Tms, deren Verlauf die durch die Son neneinstrahlung am Ort des Störwertgebers bedingte Erwärmung wiedergibt. Lnbezug auf die Raumtempera turregelunglwirdldemnach vom Störwertgeber ein durch die Aussentemperatur bedingter Störwert erfasst, dem der durch Sonneneinstrahlung bedingte Störwert überlagert ist. Der Störwertgeber kann somit in modernen Lüftungs- und Klimaanlagen zur Führung des Sollwertes für die Zulufttemperatur verwendet werden, wenn die durch die Sonneneinstrahlung bedingten Störwerte, d. h.
die Signaihöhen der Kurve Tms, entsprechend den durch die Aussentemperatur bedingten Störwerten, der Kurve Tm, angepasst werden. Diese Gewichtung der Störwerte wird durch Einstellen eines passenden Verhältnisses von Absorptionsfläche zur übrigen Fläche Ides Wärmespeicher-Körpers mittels der Blende 9 durchgeführt.
Bei einer Raumtemperatur-Regel anlage wird das die Temperatur des Wärmespeicher-Körpers 1 (Fig. 5) wiedergebende elektrische Signal des Störwertgebers über eine Übertragungsleitung 12 einem elektronischen Anpassglied 15 zugeführt, das an einen Regler 16 angeschlossen ist. Am Anpassglied 15 können in an sich bekannter Weise Einsatzpunkt und Einfluss stufenlos eingestellt werden. Die Störsignale des Störwertgebers bewirken dann unter Berücksichtigung von Steilheit, Parallelverschiebung usw. eine der durch die Sonnenstrahlung hervorgerufenen zusätzlichen Raumlufterwärmung entsprechende Reduktion der Vorlauftemperatur.
Die richtigen Werte für den Kompensationseinfluss der Störwertgebersignale müssen ähnlich wie die Heizkurvensteilheit eines Heizungsreglers an der jeweiligen Anlage selbst ermittelt werden. Bei Inbetriebnahme einer Raumtemperatur-Anlage mit einem Störwertgeber für Sonneneinstrahiungs-Störwerte wird zunächst der Heizungsregler an bedeckten Tagen ohne Störwertgeber richtig eingestellt. Fig. 7 zeigt ein Heizkurvendliagramm, in dem die Vorlauftemperatur Tv als Funktion der Aussentemperatur Ta eingetragen und der Einfluss des Störwertgebers auf die Heizkurven sohematisch dargestellt ist. Die ausgezogene Kurve a ist die Normalheizkurve eines Reglers für bedeckte Tage ohne Sonne, d. h.
die Heizkurve für den richtig eingestellten Regler.
Nachdem der Regler richtig eingestellt worden ist kann der Störwertgeber angeschlossen werden. Am Anlpassglied wird der Einsatzpunkt, z. B. 21 OC einlgestellt. Bei einer bestimmten (maximalen) Sonneneinstrahlung werden je nach Lage und Bauweise des Gebäudes Heizkurven benötigt, die in Richtung ahnehmender Werte der Vorlauftemperatur Tv parallel zur Normalheizkurve a verschoben sind. Bewirkt die Sonneneinstrahlung nur eine geringe Raumtemperaturerhöhung, d. h. ist der Einfluss der Sonnenstrahlung gering, so sollte eine korrigierte Heizkurve b, bei stärkerem Einfluss eine korrigierte Heizkurve c und Ibei starkem Einfluss eine korrigierte Heizkurve d erhalten werden. Die Korrektur der Heizkurve erfolgt über die Signale, in diesem Falle durch das Signal für maximale Sonneneinstrahlung des Störwertgebers.
Je stärker dieses Signal, d. h. je höher die Temperatur des WärmespeicherKörpers bei dieser Sonneneinstrahlung ist, um so grösser ist auch die Verschiebung der Heizkurve a. In jedem einzelnen Fall muss demnach in der Regelanlage eine den jeweiligen Einfluss der Sonneneinstrahlung berücksichtigende Steilheit eingestellt werden. Die Steilheit kann am Anpassglied oder am Störwertgeber selbst eingestellt werden.
Beim Anpassglied wird dann das elektrische Signal des Störwertgebers, beim Störwertgeber durch Variation der Absorbtion,sfläche mittels der Blende die maximale Temperatur des Wärmespeicher-Körpers ent sprechend beeinflusst. Im einzelnen Fall wird man als Grundeinstellung eine Steilheit von 50 O:o wählen und dann je nach den gemachten Erfahrungen eine weitere Korrektur vornehmen.
Der an einem Ausführunagsbeispiel vorstehend beschriebene Störwertgeber erfasst, wie dargelegt, den am wirklichen Störort effektiv auftretenden Störwert und zwar unter Berücksichtigung aller wesentlichen Effekte, wobei jedoch fehlerhafte Messungen verursachende Einflüsse, wie z. B. durch Schnee und Frerudlicht bedingte Einflüsse völlig unterdrückt sind. Es wird nicht nur unterschieden, ob Sonnenstrahlung vorhanden ist oder nicht, sondern es werden stetig Messwerte, durch die auch kleine, beispielsweise durch Wolkenbildung bedingte Änderungen der Sonneneinstrahlung erfasst werden, dem Regler zugeführt.
Der Störwertgeber ist in seinem mechanischen Aufbau sehr einfach und kann deshalb leicht in Serienfabrikation hergestellt werden. Eine 120 mm x 80 mm x 10 mm grosse Aluminiumplatte in der vorstehend beschriebenen Ausführung mit einem handelsüblichen Temperaturfühler versehen ergibt einen brauchbaren Störwertgebern.