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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum temperaturgeführten Inbetrieb- und Ausserbetriebsetzen einer Heizungsanlage mit Hilfe einer Regeleinrichtung. welche mit mindestens einem Fühler für die Ermittlung der Aussentemperatur in vorbestimmten Zeitintervallen, mit Kreisen für die Verarbeitung der der Aussentemperatur entsprechenden analogen Signale in digitale Signale, mit einem progammierbaren Logikkreis sowie mit einer Schalteinrichtung für die Einund Ausschaltung der Anlage versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass aus den den sukzessiv ermittelten Aussentemperaturen proportionalen digitalen Signalen im Logikkreis ein gewichteter Mittelwert gebildet und als Steuerkriterium für die Ein- bzw. Ausschaltung der Anlage verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gewichtete Mittelwert aufgrund eines durch eine rekursive Formel definierten Algorithmus
Ak = Aii-I - a Pk ' (Äk-I - Ak) gebildet wird, wobei bedeuten: Ak¯, den vorherigen Mittelwert, Pk den Umkehrwert der Anzahl der Messungen, den Gewichtsfaktor, und Ak den neuen Messwert.
3. Verfahren nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsfaktor zwischen dem Wert 0 und 1 liegt und vorzugsweise den Wert von 0,04 aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der programmierbare Logikkreis durch einen Mikroprozessor gebildet ist.
Beim Betrieb von Heizungsanlagen wird die Vorlauftemperatur meistens mit Hilfe der Aussentemperatur als Führungsgrösse selbsttätig geregelt. Am Anfang einer Heizsaison aber muss die Heizanlage in Betrieb und am Saisonende ausser Betrieb gesetzt werden, was bekanntlich manuell geschieht. Dabei kommt es häufig vor, dass die Anlage im Herbst zu früh eingeschaltet und im Sommer zu spät abgestellt wird, was eine Energieverschwendung zur Folge hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil durch ein Verfahren zu beseitigen, welches eine selbsttätige, temperaturgeführte Einschaltung bzw. Abstellung der Heizungsanlage ermöglicht.
Die gestellte Aufgabe ist durch die im ersten Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird zur automatischen Ein- bzw. Abschaltung einer beispielsweise durch eine digitale Regeleinrichtung gesteuerten Heizungsanlage verwendet. Die Regeleinrichtung ist mindestens mit einem Fühler versehen, welcher in vorbestimmten Zeitintervallen, die durch einen Taktgeber bestimmt werden können, die Aussentemperatur misst und das Messergebnis in analoger Form einem Analog-Digital Wandler zur Bildung von der Aussentemperatur proportionalen Signalen zuführt. Die Ausgangssignale des Analog-Digital Wandlers werden einem programmierbaren Logikkreis, vorzugsweise einem Mikroprozessor für die Bildung eines Mittelwertes, vorzugsweise aufgrund eines durch eine rekursive Formel bestimmten Berechnungsalgorithmus zugeleitet. Der durch den Mikroprozessor bei jedem Messtakt gebildete Mittelwert dient zur automatischen Einleitung des Ein- bzw.
Ausschaltvorganges der Heizungsanlage in durch eingestellte Einschalt- und Ausschaltpegel bestimmten Grenzen.
Der rekursive Berechnungsalgorithmus geht vom alten Mittelwert und von einem neu ermittelten Messwert aus und hat folgende Form: Ak = A-I - P. Pk - (Ak| Ak) 1) wobei bedeuten: Ak den neuen Mittelwert Ak-l den vorherigen Mittelwert Pk den Kehrwert der Anzahl von in Betracht gezogenen
Messungen, k die Anzahl der Messungen 1, 2, 3. . ., und Ak die gemessene Temperatur bei der Messung k.
Wie ersichtlich, gleicht der neue Mittelwert Ak dem alten vorherigen Mittelwert Ak- I und einer dem Unterschied zwischen dem vorherigen alten Mittelwert Ak¯ l und dem neuen Messwert Ak proportionalen Korrektur.
In den meisten Fällen ist derTagesmittelwert nicht stationär.
Um einem solchen Mittelwert Rechnung zu tragen, wird in den Berechnungsalgorithmus ein Gewichtsfaktor a so eingeführt, dass der neue Wert stärker gewichtet wird als der ältere Wert, wobei die noch älteren Werte vollständig ausser acht bleiben.
Nach der Einführung des entsprechenden Gewichtsfaktors in den Algorithmus 1) erhält der neue Berechnungsalgorithmus folgende Form:
Ak = AkI - a Fk (AkI - Ak) 2) wobei der Gewichtsfaktor a zwischen 0 und 1 liegen kann.
Die Deutung dieses Algorithmus ist dieselbe wie des Algorithmus 1) für den nicht gewichteten Mittelwert mit der einzigen Ausnahme, dass der Faktor Pk nunmehr durch den Faktor a-Pk ersetzt ist.
Die Berechnung des Mittelwertes wird durch den Mikroprozessor bewerkstelligt. Nach jeder Ermittlung der Aussentemperatur prüft der Mikroprozessor, ob der neu berechnete gewichtete Mittelwert Ak eine durch einen Einschalt- und Ausschaltpegel vorbestimmte Temperaturzone über- bzw. unterschreitet.
Erreicht der sinkende bzw. der steigende gewichtete Mittelwert Ak den Einschalt- bzw. den Ausschaltpegel, dann veranlasst der Mikroprozessor, dass die Anlage durch eine Schalteinrichtung eingeschaltet bzw. abgestellt wird.
Bei der Untersuchung des gewichteten Mittelwertes Ak mit Hilfe eines Computers wurde jede zweite Stunde die Messung der Aussentemperatur in einer Zeitspanne von 1200 Stunden (50 Tage) simuliert. Die Aussentemperatur wurde dabei aus drei Teilen zusammengesetzt, und zwar:
1) aus einer Temperaturschwingung mit einer Amplitude von 4 K mit einem Minimum um 04.00 Uhr und mit einem Maximum um 16.00 Uhr,
2) aus einer Temperaturschwingung in einer Periode von 3 Tagen mit einer Amplitude von 1,2 K mit einem Maximum um 16.00 Uhr am ersten Tag und einem Minimum um 04.00 Uhr am dritten Tag,
3) aus einerTemperaturschwingung, die im Verlaufe von 6 Stunden von 15 C auf 10 C abgesunken und danach im Verlaufe von weiteren 6 Stunden wieder auf 15"C angestiegen ist.
Es hat sich gezeigt, dass der nicht gewichtete Mittelwert nach einem Einschwingvorgang fast unverändert geblieben ist, weil der neue Messwert fast keinen Einfluss auf ihn gehabt hat, was zu erwarten war. Der gewichtete Mittelwert zeigt nach einem Einschwingvorgang eine der langsamen linearen Änderung der Aussentemperatur gut folgende Schwingung mit einer kleinen Amplitude. Die Simulation hat weiterhin gezeigt, dass bei der verwendeten Temperaturvariation und mit einer Schaltdifferenz von + 0,2K, welche die kleine verbliebene Welligkeit des Mittelwertes unschädlich macht, nur ein einziger Einschaltvorgang bei 412 Stunden und ein Ausschaltvorgang bei 880 Stunden erfolgt ist.
Der Wert hat einen ausschlaggebenden Einfluss auf das Ergebnis. Wird zu klein gewählt. so nähert sich der Mittelwert dem durch direkte Berechnung erhaltenen Mittelwert. Wird
andererseits zu gross gewählt, dann wird ein wiederholtes Einund Ausschalten der Anlage verursacht. Ein Wert zwischen 0,03 und 0,06 scheint besonders geeignet zu sein.
Der Einfluss des Faktors a lässt sich dadurch erklären, dass der Gewichtsfaktor des neuen Messwertes und (l-a) derjenige des früheren Messwertes ist, wobei jeder einzelne für den letzten Mittelwert verwendete Messwert um (1- a)/a stärker gewichtet wird. Für cm=0,04 wird (1 - )/ =24, und der Mittelwert wird mit Hilfe der letzten 24 Messwerte berechnet. Bei jeder Berechnung wird der älteste der 24 Messwerte weggelassen und der neue Messwert berücksichtigt.
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt eine optimale Anpassung der Betriebsperiode einer Heizungsanlage an den tatsächlichen Wärmebedarf und ermöglicht durch deren Verkürzung eine unter Umständen erhebliche Brennstoffeinsparung.
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PATENT CLAIMS
1. Procedure for temperature-controlled commissioning and decommissioning of a heating system using a control device. which is provided with at least one sensor for determining the outside temperature at predetermined time intervals, with circuits for processing the analog signals corresponding to the outside temperature into digital signals, with a programmable logic circuit and with a switching device for switching the system on and off, characterized in that a weighted average is formed from the digital signals in the logic circuit, which are proportional to the successively determined outside temperatures, and is used as a control criterion for switching the system on and off.
2. The method according to claim 1, characterized in that the weighted average is based on an algorithm defined by a recursive formula
Ak = Aii-I - a Pk '(Äk-I - Ak) is formed, meaning: Ak¯, the previous mean, Pk the inverse of the number of measurements, the weight factor, and Ak the new measurement.
3. The method according to claim, characterized in that the weight factor is between the value 0 and 1 and preferably has the value of 0.04.
4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the programmable logic circuit is formed by a microprocessor.
When operating heating systems, the flow temperature is usually automatically controlled using the outside temperature as a reference variable. At the beginning of a heating season, however, the heating system must be put into operation and at the end of the season, which is known to be done manually. It often happens that the system is switched on too early in the fall and switched off too late in the summer, which results in wasted energy.
The present invention is based on the object of eliminating this disadvantage by a method which enables the temperature system to be switched on and off automatically by the heating system.
The object is achieved by the features specified in the first claim.
The method according to the invention is used for the automatic switching on and off of a heating system controlled, for example, by a digital control device. The control device is provided with at least one sensor which measures the outside temperature at predetermined time intervals, which can be determined by a clock generator, and feeds the measurement result in analog form to an analog-digital converter for forming signals proportional to the outside temperature. The output signals of the analog-digital converter are fed to a programmable logic circuit, preferably a microprocessor for forming an average, preferably based on a calculation algorithm determined by a recursive formula. The mean value formed by the microprocessor for each measuring cycle is used to automatically initiate the input or
Switch-off process of the heating system within limits determined by the set switch-on and switch-off levels.
The recursive calculation algorithm starts from the old mean and from a newly determined measured value and has the following form: Ak = AI - P. Pk - (Ak | Ak) 1) where: Ak means the new mean Ak-l the previous mean Pk the reciprocal the number of considered
Measurements, k the number of measurements 1, 2, 3.. ., and Ak the measured temperature during the measurement k.
As can be seen, the new average Ak is equal to the old previous average Ak-I and a correction proportional to the difference between the previous old average Ak ¯ l and the new measured value Ak.
In most cases, the daily mean is not stationary.
In order to take such an average value into account, a weighting factor a is introduced into the calculation algorithm in such a way that the new value is weighted more strongly than the older value, the still older values being completely ignored.
After the introduction of the corresponding weight factor in the algorithm 1), the new calculation algorithm takes the following form:
Ak = AkI - a Fk (AkI - Ak) 2) where the weight factor a can be between 0 and 1.
The interpretation of this algorithm is the same as that of algorithm 1) for the unweighted mean with the only exception that the factor Pk is now replaced by the factor a-Pk.
The microprocessor calculates the mean value. After each determination of the outside temperature, the microprocessor checks whether the newly calculated weighted average value Ak exceeds or falls below a temperature zone predetermined by a switch-on and switch-off level.
If the falling or increasing weighted average Ak reaches the switch-on or switch-off level, the microprocessor causes the system to be switched on or off by a switching device.
When the weighted average Ak was examined with the aid of a computer, the measurement of the outside temperature was simulated every second hour over a period of 1200 hours (50 days). The outside temperature was composed of three parts, namely:
1) from a temperature oscillation with an amplitude of 4 K with a minimum at 4:00 a.m. and a maximum at 4:00 p.m.,
2) from a temperature oscillation in a period of 3 days with an amplitude of 1.2 K with a maximum at 4:00 p.m. on the first day and a minimum at 4:00 a.m. on the third day,
3) from a temperature oscillation which decreased from 15 C to 10 C in the course of 6 hours and then rose again to 15 "C in the course of a further 6 hours.
It has been shown that the unweighted mean value remained almost unchanged after a transient process, because the new measured value had almost no influence on it, which was to be expected. After a settling process, the weighted average shows a vibration with a small amplitude that follows the slow linear change in the outside temperature. The simulation further showed that with the temperature variation used and with a switching difference of + 0.2K, which makes the small remaining ripple of the mean harmless, only a single switch-on process took place at 412 hours and a switch-off process at 880 hours.
The value has a decisive influence on the result. Is chosen too small. the mean value approaches the mean value obtained by direct calculation. Becomes
On the other hand, if it is too large, the system will be switched on and off repeatedly. A value between 0.03 and 0.06 appears to be particularly suitable.
The influence of factor a can be explained by the fact that the weight factor of the new measured value and (l-a) is that of the previous measured value, whereby each individual measured value used for the last mean value is weighted more strongly by (1- a) / a. For cm = 0.04 (1 -) / = 24, and the mean value is calculated using the last 24 measured values. With each calculation, the oldest of the 24 measured values is omitted and the new measured value is taken into account.
The method according to the invention allows an optimal adaptation of the operating period of a heating system to the actual heat requirement and, by shortening it, enables considerable fuel savings under certain circumstances.