CH665706A5 - Regelgeraet fuer eine heizungsanlage. - Google Patents

Description

  
 



   BESCHREIBUNG



   Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.



   Im Hinblick auf möglichst sparsamen Umgang mit Energie und möglichst niedrige Fertigungskosten sind ölgefeuerte Stahlkessel für Heizungsanlagen entwickelt worden, die sich durch einen kleinen Kesselinhalt auszeichnen. Solche Kessel dürfen bauartbedingt nicht unterhalb einer bestimmten Temperatur betrieben werden, weil sonst die Gefahr der Kondensatbildung im Feuerungsraum besteht, was zur Zerstörung des Kessels durch Korrosion führen würde.



   Bei solchen Kesseln ist es deshalb erforderlich, auch bei nur geringem Wärmebedarf, etwa zur Zeit der Nachtabsenkung, die Kesseltemperatur auf einem bestimmten Wert zu halten, beispielsweise 45 Grad.



   Dies wird zum Beispiel dadurch erreicht, dass der Brenner eingeschaltet wird, sobald die Kesseltemperatur unter diesen Wert sinkt. Liegt die zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Raumtemperatur erforderliche Vorlauftemperatur tiefer als die Kesseltemperatur, so wird die Vorlauftemperatur mittels eines dem Heizkessel nachgeschalteten Mischventils geregelt. Wird der Sollwert für die Vorlauftemperatur erhöht, beispielsweise durch die Umschaltung von Nachtabsenk- auf Normalbetrieb, so wird vom Regler das Öffnen des Mischventils veranlasst. Dabei kann es aber vorkommen, dass so grosse Mengen abgekühlten Rücklaufwassers in den Kessel einströmen, dass die Kesseltemperatur unter die geforderte Mindesttemperatur absinkt.



   Gelöst wird dieses Problem dadurch, dass im Kesselrücklauf ein besonderer Thermostat montiert wird, der beim Absinken der Temperatur im Kesselrücklauf das Mischventil schliesst, so dass die Menge des vom Heizungsrücklauf dem Kessel zufliessenden Wassers beschränkt wird. Diese Lösung setzt voraus, dass eine zwangsweise Umwälzung des Wassers vom Kesselvorlauf zum Kesselrücklauf stattfindet, und bedingt damit normalerweise eine zusätzliche Umwälzpumpe.



   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Regler zu entwickeln, der die Einhaltung einer Mindest-Kesseltemperatur ohne einen zusätzlichen Kesselrücklauf-Thermostat oder ähnliche zusätzliche Einrichtung gewährleistet.



   Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.



   Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der   Zeich-    nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.



  Es zeigen:
Fig. 1 ein   Funktionsschema    einer zu steuernden Heizungsanlage und
Fig. 2 ein elektrisches Prinzipschema eines Regelgerätes.



   Eine in der Figur 1 schematisch dargestellte Heizungsanlage hat den folgenden Aufbau:
Von einem Heizkessel 1 mit einem Brenner 2 führt ein Kesselvorlauf 3 zu einem Mischventil 4. Vom Mischventil 4 führt ein Heizungsvorlauf 5 zu Heizkörpern 6. Geschlossen wird der Heizungskreislauf durch einen an die Heizkörper 6 angeschlossenen Heizungsrücklauf 7 mit einer Umwälzpumpe 8, welcher sich vor dem Heizkessel 1 verzweigt in einen zum Heizkessel 1 führenden Kesselrücklauf 9 und einen zum Mischventil 4 führenden Beipass 10. Im Heizkessel 1 befindet sich ein die Kesseltemperatur messender Kesselfühler 11, am Heizungsvorlauf ein die Vorlauftemperatur messender Vorlauffühler 12. Ein weiterer Temperaturfühler, der Aussenfühler 13, misst die Aussentemperatur.



  Das Mischventil 4 wird betätigt durch einen Antrieb 14.



   Bei der in der Figur 1 dargestellten Heizungsanlage ist als Mischventil 4 ein Dreiwegmischer eingebaut. Bei einem etwas modifizierten Aufbau einer Heizungsanlage wird ein Vierwegmischer verwendet, wobei dann Heizungsrücklauf 7 und Kesselrücklauf 9 direkt an den Vierwegmischer angeschlossen werden und der Beipass 10 entfällt.



   An ein in der Figur 2 dargestelltes Regelgerät 15 sind eingangsseitig drei Temperaturfühler angeschlossen, nämlich der Kesselfühler 11, der Vorlauffühler 12 und der Aussen  fühler 13. Ausgänge des Regelgerätes 15 führen zum Brenner 2 und zum Antrieb 14.



   In einer Steuerschaltung 16 werden aus der vom Aussenfühler 13 gemessenen Temperatur einerseits und dem von einem eine Schaltuhr 17 enthaltenden Sollwertgeber 18 abgegebenen Signal andererseits die Führungsgrössen für die Heizungsanlage gebildet, nämlich die an einer Leitung 19 anliegende normierte Spannung entsprechend der Solltemperatur für den Heizkessel 1 und die an einer Leitung 20 anliegende normierte Spannung entsprechend der Solltemperatur für den Heizungsvorlauf 5. In der von der Steuerschaltung 16 zu einem ersten Differenzverstärker 21 führenden Leitung 20 befindet sich ein Widerstand 22, dessen Wirkung später beschrieben wird.

  Der Differenzverstärker 21 vergleicht die an der Leitung 20 anliegende Spannung für die Solltemperatur des Heizungsvorlaufs 5 mit der vom Vorlauffühler 12 abgegebenen, die am Heizungsvorlauf 5 gemessene Temperatur repräsentierende Spannung und steuert über eine Schalteinrichtung 23 den Antrieb 14 des Mischventils 4.



  Dieser Steuervorgang bewirkt das Öffnen des Mischventils 4, wenn die gemessene Temperatur des Heizungsvorlaufs 5 kleiner ist als die Solltemperatur für den Heizungsvorlauf 5, und das Schliessen des Mischventils 4, wenn die am Heizungsvorlauf 5 gemessene Temperatur grösser ist als die Solltemperatur für den Heizungsvorlauf 5. Öffnen des Mischventils 4 bedeutet dabei, dass der Öffnungsquerschnitt zwischen dem Kesselvorlauf 3 und dem Heizungsvorlauf 5 vergrössert und der Öffnungsquerschnitt zwischen dem Beipass 10 und dem Heizungsvorlauf 5 verkleinert wird, so dass mehr heisses Wasser aus dem Kesselvorlauf in den Heizungskreis   lauf (4, 5, 6, 8, 7,    10) eingespeist wird.

  Entsprechend bedeutet Schliessen des Mischventils 4, dass der Öffnungsquerschnitt zwischen dem Kesselvorlauf 3 und dem Heizungsvorlauf 5 verringert und der Öffnungsquerschnitt zwischen dem Beipass 10 und dem Heizungsvorlauf 5 vergrössert wird, so dass weniger heisses Wasser aus dem Kesselvorlauf 3 in den Heizungskreislauf eingespeist wird.



   Die vom Kesselfühler 11 abgegebene, die Temperatur im Heizkessel 1 repräsentierende Spannung wird mittels eines weiteren Differenzverstärkers 24 mit der an der Leitung 19 anliegenden, die Solltemperatur des Heizkessels 1 repräsentierende Spannung verglichen, ausserdem mittels eines weiteren Differenzverstärkers 25 mit der von einem Sollwertgeber 26 abgegebenen Spannung, welche - einstellbar - die Begrenzungstemperatur für den Heizkessel 1 repräsentiert.



  Am Ausgang des Differenzverstärkers 24 liegt dann eine Spannung an, die der Differenz zwischen Ist- und Solltemperatur des Heizkessels 1 entspricht, und am Ausgang des Differenzverstärkers 25 eine Spannung, die der Differenz zwischen der Ist-Temperatur des Heizkessels 1 und der Begrenzungstemperatur entspricht.



   Aus diesen beiden Spannungen wird mit Hilfe eines Verknüpfungsgliedes 27 der der grösseren Temperatur entsprechende Wert ausgewählt, der dann eine Kippstufe 28 beeinflusst. Die Kippstufe 28 steuert über einen Transistor 29 ein Brennerrelais 30, das den Brenner 2 ein- und ausschaltet. Die Kippstufe 28 ist dabei so bemessen, dass Ein- und Ausschaltpunkt für das Brennerrelais um eine bestimmte Schaltdifferenz von zum Beispiel 6 Grad auseinander liegen. Die tiefste mögliche Einschalttemperatur für den Heizkessel 1, die Mindest-Kesseltemperatur, ergibt sich damit als Differenz von Begrenzungstemperatur und halber Schaltdifferenz.



   Um die erfindungsgemässe Wirkung zu erzielen, bedarf es noch der Schaltungsglieder für die Erzeugung eines Signals zum Schliessen des die Vorlauftemperatur beeinflussenden Mischventils 4 bei einem einen Einschaltvorgang für den Brenner 2 auslösenden Abfall der Temperatur im Heizkessel 1 unter die mittels des Sollwertgebers 26 beeinflusste Heizkessel-Mindesttemperatur. Diese Schaltungsglieder können beispielsweise sein: Ein Transistor 31, der mit seiner Basis über einen Widerstand 32 an den Ausgang der Kippstufe 28, mit seinem Emitter über einen Widerstand 33 an den Ausgang des Differenzverstärkers 25, und mit seinem Kollektor über eine Diode 34 an den nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 21 angeschlossen ist.



   Ein unerwünschter, weil den Heizkessel 1 durch Korrosion gefährdender Betriebszustand stellt sich beispielsweise dann ein, wenn am Ende einer Zeitperiode mit abgesenkter Raumtemperatur, zum Beispiel am frühen Morgen, der folgende Ausgangszustand vorliegt: Der Heizkessel 1 befindet sich auf einer Temperatur von 46 Grad, die Temperatur im Heizungsvorlauf 5 beträgt 25 Grad, der Sollwert für die Vorlauftemperatur beträgt 25 Grad, die eingestellte Begrenzungstemperatur beträgt 45 Grad bei einer Schaltdifferenz von 6 Grad.



   Wird nun, gesteuert von der Schaltuhr 17, der Sollwert für die Vorlauftemperatur auf den der herrschenden Witterung entsprechenden Tages-Normalwert von beispielsweise 40 Grad erhöht, so veranlasst das Regelgerät 15 über den Differenzverstärker 21, die Schalteinrichtung 23 und den Antrieb 14 das Öffnen des Mischventils 4. Dadurch gelangt einerseits heisses Wasser aus dem Heizkessel 1 durch den Kesselvorlauf 3 und das Mischventil 4 in den Heizungsvorlauf 5, andererseits abgekühltes Wasser aus dem Heizungsrücklauf 7 durch den Kesselrücklauf 9 in den Heizkessel 1. Bei einem Heizkessel 1 mit kleinem Kesselinhalt würde das dazu führen, dass die Kesseltemperatur absinkt. Das zu verhindern, ist die Aufgabe des Transistors 31 und der Widerstände 32 und 33.



  Sobald durch das in den Heizkessel 1 einfliessende abgekühlte Wasser der Einschaltpunkt für den Heizkessel 1 - beispielsweise 42 Grad, entsprechend 45 Grad Begrenzungstemperatur minus halbe Schaltdifferenz von 6 Grad - erreicht wird, wird über den Differenzverstärker 25, das Verknüpfungsglied 27 und die Kippstufe 28 der Transistor 29 leitend und deshalb auch der Brenner 2 über das Brennerrelais 30 eingeschaltet. Gleichzeitig wird über den Widerstand 32 der Transistor 31 leitend, und dadurch wird der Spannungspegel am nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 21 auf einen tieferen, vom Verhältnis der beiden Widerstände 22 und 33 und dem Spannungspegel am Ausgang des Differenzverstärkers 25, welcher die Differenz zwischen augenblicklicher Kesseltemperatur und eingestellter Begrenzungstemperatur repräsentiert, abhängigen Wert verschoben.



  Diese Verschiebung bewirkt, dass der Differenzverstärker 21 über die Schalteinrichtung 23 und den Antrieb 14 das Mischventil 4 schliesst. Die Verschiebung des Spannungspegels am nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 21 hat innerhalb des Regelgerätes 15 also die Wirkung, dass die Solltemperatur für den Heizungsvorlauf 5 in Richtung auf eine tiefere Temperatur korrigiert wird, solange die Temperatur des Heizkessels 1 niedriger ist als die am Sollwertgeber 26 eingestellte Begrenzungstemperatur. Die Grösse der Korrektur der Solltemperatur für den Heizungsvorlauf 5 ist bestimmt durch die Grösse der Differenz zwischen der am Sollwertgeber 26 eingestellten Begrenzungstemperatur und der Temperatur des Heizkessels 1 einerseits und vom Verhältnis der Werte der beiden Widerstände 22 und 33 andererseits.

 

   Das Schliessen des Mischventils 4 führt nun seinerseits wieder dazu, dass wegen des eingeschalteten Brenners 2 die Temperatur im Heizkessel 1 steigt. Dadurch entsteht am Ausgang des Differenzverstärkers 25 ein höherer positiver Pegel, was über den Widerstand 33 und den Transistor 31 wiederum auf den nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 21 zurückwirkt. Dadurch wird das Mischventil 4 wieder geöffnet. Eine Verschiebung des Pegels am nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 21, und damit eine  scheinbar niedrigere Solltemperatur für den Heizungsvorlauf 5, tritt nur so lange auf, solange die Kesseltemperatur unterhalb der geforderten Begrenzungstemperatur liegt.



   Eine Verschiebung des Pegels am nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 21 in positiver Richtung, entsprechend einer Vortäuschung eines höheren Sollwertes für die Temperatur des Heizungsvorlaufs 5, die dann eintreten würde, wenn die Kesseltemperatur höher ist als die Heizkessel-Mindesttemperatur und auch höher als der Sollwert für die Temperatur des Heizungsvorlaufs 5, wird durch die Diode 34 verhindert. Eine derartige Sollwert-Verschiebung würde die Regelfunktion beeinträchtigen.



   Ist der Brenner 2 ausgeschaltet, so ist auch der Transistor 31 gesperrt. Eine Beeinflussung des Pegels am nicht   invertie    renden Eingang des Differenzverstärkers 21 ist dann ausgeschlossen. Eine Pegelverschiebung bei ausgeschaltetem Brenner 2 könnte dazu führen, dass der Brenner 2 nicht eingeschaltet würde, obwohl der Istwert der Temperatur des Heizungsvorlaufs 5 unter dem Sollwert liegt.



   Das beschriebene Prinzip zur Verhinderung der Kondensatbildung im Heizkessel 1 lässt sich vorteilhaft auch bei solchen Regelgeräten anwenden, die aus einer Mikroprozessorschaltung, einem Speicher und Interface-Bauteilen zum Anschluss der die Regelung beeinflussenden Bauteile (11, 12, 13, 26) und der zu betätigenden   Bauteile (2, 14)    bestehen. Bei solchen Regelgeräten 15 wird ein Signal zum Schliessen des Mischventils 4 dann erzeugt, wenn bei eingeschaltetem Brenner 2 die Temperatur im Heizkessel 1 unter den mittels des Sollwertgebers 26 beeinflussten Einschaltpunkt für den Heizkessel 1 fällt.

  Solange die Kesseltemperatur höher ist als der Einschaltpunkt für den Heizkessel 1 und tiefer ist als die am Sollwertgeber 26 eingestellte Begrenzungstemperatur wird ausserdem der Öffnungsgrad des Mischventils dadurch beeinflusst, dass die Solltemperatur für den Heizungsvorlauf 5 um einen der Differenz zwischen der Kesseltemperatur und der Begrenzungstemperatur proportionalen Betrag in negativer Richtung verschoben wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass wegen der Tatsache, dass bei solchen programmierbaren Regelgeräten 15 Änderungen des Steuerprogramms ohne grossen Aufwand zu realisieren sind, eine Anpassung an besondere Verhältnisse ohne weiteres möglich ist. 

  So kann beispielsweise die Beeinflussung des Öffnungsgrades des Mischventils 4 durch die auf die Solltemperatur für den Heizungsvorlauf 5 wirkende Differenz zwischen der Kesseltemperatur und der Heizkessel-Mindesttemperatur variabel gestaltet und so den Eigenschaften einer bestimmten Heizungsanlage optimal angepasst werden.



   Voraussetzung für eine optimale Funktion und damit für die sichere Verhinderung der Kondensatbildung im Heizkessel   list,    dass der Antrieb 14 schnell reagiert. Mit Vorteil lässt sich ein elektromotorischer Antrieb verwenden. 

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Regelgerät (15) für eine witterungs- oder raumtemperaturgeführte und zeitprogrammgesteuerte Vorlauftemperaturregelung einer Heizanlage mit einem Sollwertgeber (26) zur Einstellung einer Begrenzungstemperatur für einen vor dem Betrieb unterhalb einer Heizkessel-Mindesttemperatur zu schützenden Heizkessel (1), gekennzeichnet durch Schaltungsglieder (31, 32, 33,34) für die Erzeugung eines Signals zum Schliessen eines die Vorlauftemperatur beeinflussenden Mischventils (4) bei einem einen Einschaltvorgang für einen Brenner (2) auslösenden Abfall der Temperatur im Heiz kessel (1) unter einen mittels des Sollwertgebers (26) beeinflussten Einschaltpunkt für den Heizkessel (1).
2. 2. Regelgerät (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal für das Schliessen des Mischventils (4) abgeleitet ist aus einer durch das Unterschreiten der am Sollwertgeber (26) eingestellten Begrenzungstemperatur verursachten Korrektur der Solltemperatur für den Heizungs vorlauf(5).
3. 3. Regelgerät (15) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse der Korrektur der Solltemperatur für den Heizungsvorlauf (5) bestimmt ist durch die Grösse der Differenz zwischen der am Sollwertgeber (26) eingestellten Begrenzungstemperatur und der Temperatur des Heizkessels (1).
4. 4. Regelgerät (15) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang einer den Brenner (2) ein- und ausschaltenden Kippstufe (28) über einen Widerstand (32) am Basisanschluss eines Transistors (31) liegt und diesen einund ausschaltet, so dass ein zwischen dem Emitteranschluss des Transistors (31), dessen Kollektor über eine Diode (34) mit dem nicht invertierenden Eingang eines auf den Antrieb des Mischventils (4) wirkenden Differenzverstärkers (21) verbunden ist, liegender Widerstand (33) bewirkt, dass im eingeschalteten Zustand des Transistors (31) das Potential des nicht invertierenden Eingangs des Differenzverstärkers (21) in negativer Richtung verschoben wird.
5. 5. Regelgerät (15) nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ein eine Mikroprozessorschaltung, einen Speicher und Interface-Bauteile zum Anschluss der die Regelung beeinflussenden Bauteile (11, 12, 13, 26) und der zu betätigenden Bauteile (2, 14) enthaltendes Gerät ist, bei dem ein Signal zum Schliessen des Mischventils (4) erzeugt wird, wenn bei eingeschaltetem Brenner (2) die Temperatur im Heizkessel (1) unter den mittels des Sollwertgebers (26) beeinflussten Einschaltpunkt für den Heizkessel (1) fällt, und, solange die Kesseltemperatur höher ist als der Einschaltpunkt für den Heizkessel (1) und tiefer ist als die am Sollwertgeber (26) eingestellte Begrenzungstemperatur, der Öffnungsgrad des Mischventils (4) dadurch beeinflusst wird,

   dass die Solltemperatur für den Heizungsvorlauf (5) um einen der Differenz zwischen der Kesseltemperatur und der Begrenzungstemperatur proportionalen Betrag in negativer Richtung verschoben wird.