CH667147A5 - Verfahren und einrichtung zur selbsttaetigen ermittlung der dauer einer schnellaufheizung. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur selbsttätigen Ermittlung der Dauer einer vor dem Ende einer Absenkperiode durch Sollwertumschaltung der Vorlauftemperatur einer Heizung ausgelösten Schnellaufheizung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3.

Ein Verfahren und eine Einrichtung der genannten Art ist aus der europäischen Patentschrift 0 013 287 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden und eine Einrichtung zu realisieren, die es gestatten, die Dauer einer Schnellaufheizung möglichst einfach und ohne Verwendung komplizierter, mathematischer Formeln selbsttätig zu ermitteln, so dass das Ende der Schnellaufheizung schlussendlich optimal mit dem Beginn der nächsten Nutzungsperiode übereinstimmt.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3 angegebenen Merkmale, gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer Heizeinrichtung, Fig. 2 ein Block-Schaltbild eines Sollwertgebers,

Fig. 3 ein Block-Schaltbild eines Gerätes zur Steuerung einer Schnellaufheizung,

Fig. 4 eine Darstellung der Schnellaufheizung in einem Raumtemperatur/Zeit-Diagramm und

Fig. 5 ein Flussdiagramm zugehörig zum in der Fig. 3 dargestellten Steuergerät.

Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile.

Die in der Fig. 1 dargestellte und an sich bekannte Heizeinrichtung besteht aus einem Heizkessel 1, einem Brenner 2,

einem Vorlauf 3, einem Rücklauf 4, einem Bypass 5, einer Umwälzpumpe 6, einem Mischventil 7 mit dazugehörigem Stellglied 8, einem Aussenfühler 9 zur Messung einer Aussentemperatur Ta, einem Raumfühler 10 zur Messung einer Raumtemperatur Tr, einem Sollwertgeber 11, einem Vorlauffühler 12 zur Messung einer Vorlauf-Istwerttemperatur Tv.i, einem Regelgerät 13, einem Pumpsteuergerät 14, einem Brennsteuergerät 15 sowie mehreren z.B. miteinander parallel verbundenen Heizkörpern oder Heizsträngen Hi bis Hx.

Das im Heizkessel 1 mit Hilfe des Brenners 2 erzeugte warme Heizungswasser durchfliesst in der angegebenen Reihenfolge das Mischventil 7, die Umwälzpumpe 6, den Vorlauf 3, die Heizkörper bzw. die Heizstränge Hi bis Hx und den Rücklauf 4, um dann anschliessend teilweise zum Heizkessel 1 zurückzukehren um dort wieder aufgewärmt zu werden. Bei einer aus-sentemperaturgeführten Heizeinrichtung ist der Aussenfühler 9 mit einem Eingang des Sollwertgebers 11 verbunden, dem ausserdem noch, falls er eine Heizkennlinie selbsttätig anpasst,

über z.B. je einen getrennten weiteren Eingang die vom Raumfühler 10 gemessene Raumtemperatur Tr, je eine Raum-Soll-werttemperatur Tr,i und Tr,o für eine Nutzungs- bzw. Absenkperiode und ein Nutzungsprogramm Pr(t) der Heizeinrichtung zugeleitet werden. Der Sollwertgeber 11 erzeugt mindestens eine Heizkennlinie Tv,s = f(TA), die bekanntlich die Abhängigkeit einer Vorlauf-Sollwerttemperatur Tv,s von der Aussentemperatur Ta darstellt. Derjenige Ausgang des Sollwertgebers 11, an dem die Vorlauf-Sollwerttemperatur Tv,s erscheint, ist mit einem Sollwert-Eingang und der Vorlauffühler 12 mit einem Istwert-Eingang des Regelgerätes 13 verbunden, dessen Ausgang seinerseits auf einen Steuereingang des Stellgliedes 8, z.B. eines Stellmotors, geführt ist. Das Regelgerät 13 erzeugt in Abhängigkeit der Sollwert/Istwert-Abweichung Tv.s - Tv.i der Vorlauftemperatur Tv z.B. einen impulslängenmodulierten Steuerimpuls, der über das Stellglied 8 das Mischventil 7 mehr oder weniger stark öffnet, so dass dementsprechend mehr oder weniger viel kälteres Rücklaufwasser über den Bypass 5 dem warmen Vorlaufwasser beigemischt wird und so die Vorlauf-Ist-werttemperatur Tv,i in der richtigen Richtung dermassen beein-flusst wird, dass die Sollwert/Istwert-Abweichung Tv,s - Tv,i der Vorlauftemperatur Tv verkleinert und im Verlaufe der Regelzeit vernachlässigbar klein wird.

Der Sollwertgeber 11 besitzt noch einen weiteren Ausgang, an dem eine Steuerspannung Uh erscheint und der mit je einem Eingang des Pumpensteuergerätes 14 und des Brennsteuergerätes 15 verbunden ist. Die Steuerspannung Uh schaltet mit Hilfe der beiden Steuerungsgeräte 14 und 15 die Heizeinrichtung von Sommer- auf Winterbetrieb oder umgekehrt von Winter- auf Sommerbetrieb um.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

667 147

Der in der Fig. 2 dargestellte Sollwertgeber 11 besteht aus einem Heizkurven-Einsteller 16, einem Gerät 17 zur Steuerung der Schnellaufheizung (nachfolgend kurz Steuergerät genannt), einem Addierer 18, einer Freigabeschaltung 19 für einen während einer Absenkperiode geltenden Sollwert TV,o der Vorlauftemperatur Ty, einer Freigabeschaltung 20 für einen während einer Nutzungsperiode geltenden Sollwert Tv.i der Vorlauftemperatur Tv, einer Freigabeschaltung 21 für einen während einer Schnellaufheizung geltenden überhöhten Sollwert T' v,i der Vorlauftemperatur Tv und einer Oderschaltung 22.

Über je eine Eindrahtverbindung erreichen die analogen Messwerte der Aussentemperatur Ta und der Raumtemperatur Tr je einen Eingang des Heizkurven-Einstellers 16. Das Nutzungsprogramm Pr(t) besitzt einen Logikwert «1» zur Zeit der Nutzungsperioden und einen Logikwert «0» zur Zeit der Absenkperioden. Es wird über eine Eindrahtverbindung je einem Eingang des Heizkurven-Einstellers 16, der Freigabeschaltung 20 und des Steuergerätes 17 sowie je einem invertierenden Eingang der Freigabeschaltungen 19 und 21 zugeführt. Es gilt die Annahme, dass die Werte der Raum-Sollwerttemperaturen Tr,i und Tr,o Digitalwerte sind, die beide über je einen Datenbus je einen weiteren Eingang des Heizkurven-Einstellers 16 erreichen. Die Raum-Sollwerttemperatur Tr.i wird ausserdem über einen Datenbus einem weiteren Eingang des Steuergerätes 17 zugeführt. Ein erster Ausgang des Heizkurven-Einstellers 16 ist gleichzeitig der Ausgang des Sollwertgebers 11 für die Steuerspannung Uh. Im Heizkurven-Einsteller 16 werden in Abhängigkeit der Aussentemperatur Ta, der Raumtemperatur Tr, des Nutzungsprogramms Pr(t) und der Raum-Sollwerttemperaturen Tr,i und Tr,o die Sollwerte Tv,i und Tv,o der Vorlauftemperatur Tv selbsttätig ermittelt und als Digitalwerte je einem Ausgang des Heizkurven-Einstellers 16 zugeführt. Der Ausgang, an dem Tv,o ansteht, ist über einen Datenbus mit einem weiteren Eingang der Freigabeschaltung 19 verbunden, während der Ausgang, an dem Tv.i ansteht, über einen Datenbus auf einen weiteren Eingang der Freigabeschaltung 20 und einen ersten Eingang des Addierers 18 geführt ist. Am zweiten Eingang des Addierers 18 steht der Digitalwert einer Sollwertüberhöhung ATv.i der Vorlauftemperatur an. Der Ausgang des Addierers 18 ist über einen Datenbus mit einem weiteren Eingang der Freigabeschaltung 21 verbunden. Die Ausgänge der drei Freigabeschaltungen 19, 20 und 21 sind über je einen Datenbus auf je einen Eingang der Oderschaltung 22 geführt, dessen Ausgang über einen Datenbus mit dem Tv,s-Ausgang des Sollwertgebers 11 verbunden ist. Im Heizkurven-Einsteller 16 wird unter anderem auch ein hochfrequentes, rechteckförmiges Taktsignal CL erzeugt, das über einen weiteren Ausgang des Heizkurven-Einstellers 16 und einer Eindrahtverbindung auf einen Takteingang des Steuergerätes 17 geführt ist. Der Heizkurven-Einsteller 16 wandelt den analogen Messwert der Raumtemperatur Tr in einen digitalen Wert um, der über einen letzten Ausgang des Heizkurven-Einstellers 16 und einen Datenbus einen Temperatureingang des Steuergerätes 17 erreicht.

Das Steuergerät 17 besitzt drei Ausgänge A, B und C, die jeweils über eine Eindrahtverbindung mit einem dritten Eingang der Freigabeschaltungen 19, 20 bzw. 21 verbunden sind. Die Freigabeschaltungen 19, 20 und 21 und die Oderschaltung 22 bestehen z.B. aus sovielen dreieingängigen Und-Gattern bzw. dreieingängigen Oder-Gattern, wie die Digitalwerte und somit auch die Datenbus-Verbindungen Anzahl Bit besitzen.

Der Heizkurven-Einsteller 16 ist an sich bekannt und nicht Gegenstand eines Anspruchs. Er wird daher nachfolgend nicht näher beschrieben. Der Addierer 18 addiert die beiden Digitalwerte Tv.i und ATv,s, um den Sollwert T' v,i = Tv.i + ATv.s der Vorlauftemperatur Tv während der Schnellaufheizung zu bilden.

Das in der Fig. 3 dargestellte Steuergerät 17 besteht aus einem Zeit-Zähler 23, einem Zeitkomparator 24, einem Freigabe-Flip Flop 25, einem Nand-Gatter 26, einem Hochlauf-Zähler 27, einem Decodierer 28, einem Korrekturwert-Speicher 29, einem Differenzgeber 30, einem Temperatur-Komparator 31, einem Oder-Gatter 32, einem Umschalt-Flip Flop 33, einem Temperatur-Speicher 34, einem Hilfspeicher 35a, einem Zeit-Speicher 35b und einem Rechner 36.

Der Takteingang des Steuergerätes 17 ist über eine Eindrahtverbindung mit dem Takteingang des Zeit-Zählers 23 und einem ersten Eingang des Nand-Gatters 26 verbunden, dessen Ausgang eindrahtig auf den Takteingang des Hochlauf-Zählers 27 geführt ist. Der Eingang des Steuergerätes 17, an dem das Nutzungsprogramm Pr(t) ansteht, ist über eine Eindrahtverbindung mit dem Lade-Eingang des Zeit-Zählers 23 und mit dem Rückstelleingang des Umschalt-Flip Flops 33 verbunden. Der Ausgang des Zeit-Zählers 23 ist über einen Datenbus auf einen ersten Eingang des Zeit-Komparators 24 geführt, dessen Ausgang eindrahtig mit dem Takteingang des Freigabe-Flip Flops 25 verbunden ist. Der Ausgang des Zeit-Speichers 35b ist über einen Datenbus auf einen zweiten Eingang des Zeit-Komparators 24 und auf den Parallel-Eingang des Hochlauf-Zählers 27 geführt. Der Q-Ausgang des Freigabe-Flip Flops 25 bildet den C-Aus-gang des Steuergerätes 17 und ist gleichzeitig eindrahtig mit einem zweiten Eingang des Nand-Gatters 26 verbunden. Der (J Ausgang des Freigabe-Flip Flops 25 bildet den A-Ausgang des Steuergerätes 17 und ist gleichzeitig eindrahtig auf den Lade-Eingang L des Hochlauf-Zählers 27 geführt, dessen Ausgang seinerseits über einen Datenbus mit dem Eingang des Decodie-rers 28 und dem Dateneingang des Korrekturwert-Speichers 29 verbunden ist. Der Ausgang des Decodierers 28 ist eindrahtig auf den Takteingang des Temperatur-Speichers 34 und einen ersten Eingang des Oder-Gatters 32 geführt, während der Ausgang des Korrekturwert-Speichers 29 über einen Datenbus mit einem ersten Eingang des Rechners 36 verbunden ist. Der Eingang,des Steuergerätes 17, an dem die Raum-Sollwerttemperatur Tr,i an steht, ist über einen Datenbus auf einen zweiten Eingang des Rechners 36 und den Plus-Eingang des Differenzgebers 30 geführt, an dessen Minus-Eingang der Digitalwert des Wertes t der Sollwerttoleranz ansteht. Der Ausgang des Differenzgebers 30 ist über einen Datenbus mit einem ersten Eingang des Temperatur-Komparators 31 verbunden, dessen Ausgang eindrahtig auf einen zweiten Eingang des Oder-Gatters 32 geführt ist. Der Temperatur-Eingang des Steuergerätes 17 ist über einen Datenbus mit einem zweiten Eingang des Temperatur-Komparators 31 und dem Dateneingang des Temperatur-Spei-chers 34 verbunden, dessen Ausgang über einen Datenbus auf einen dritten Eingang des Rechners 36 geführt ist. Der Ausgang des Oder-Gatters 32 ist eindrahtig mit dem Takteingang des Umschalt-Flip Flops 33 verbunden, dessen Q-Ausgang eindrahtig auf den Lese-Eingang R des Hochlauf-Zählers 27 und auf den Rückstelleingang des Freigabe-Flip Flops 25 geführt ist. Der Q-Ausgang des Umschalt-Flip Flops 33 bildet den B-Ausgang des Steuergerätes 17 und ist gleichzeitig eindrahtig mit dem Takteingang des Korrekturwert-Speichers 29 verbunden. Der Ausgang des Rechners 36 ist über einen Datenbus mit dem Dateneingang des Zeit-Speichers 35b verbunden. An den D-Ein-gängen der beiden Flip Flop 25 und 33 steht jeweils ein Logikwert «1» an. Am Parallel-Eingang des Zeit-Zählers 23 steht der Digitalwert der Dauer tA einer Absenkperiode an. Ein weiterer Anschluss des Rechners 36 ist über einen Datenbus mit dem Daten-Eingang/Ausgang des Hilfsspeichers 35a verbunden.

Der Rechner 36 ist z.B. ein Mikrocomputer. In diesem Fall können alle Bauelemente der in den Figuren 2 bis 3 dargestellten Schaltungen Teile dieses Mikrocomputers und somit in diesem integriert sein.

Gemäss dem Nutzungsprogramm Pr(t) kann ein 24 Stunden-Tag eine oder mehrere Nutzungsperioden enthalten, die jeweils durch eine Absenkungsperiode zeitlich voneinander getrennt sind. Es ist z.B. in der Regel immer mindestens eine Nachtab-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

667 147

4

Senkung- und eine Tagnutzungs-Periode vorhanden. In der Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf eines Übergangs einer endenden Absenkungsperiode und einer nachfolgenden, beginnenden Nutzungsperiode graphisch dargestellt als Raumtemperatur Tr in Funktion der Zeit t. Nachfolgend wird unter Umschaltung immer nur der Übergang einer Absenkungsperiode zur nachfolgenden Nutzungsperiode verstanden.

Es gelten folgende Annahmen:

— Der Bezugspunkt der Zeit t, d.h. der Augenblick t = 0, ist einfachshalber z.B. die Zeit, bei der eine Nutzungsperiode beginnt.

— Die Umschaltung benötigt immer eine von Null unterschiedliche Umschaltzeit, die mit t„ bezeichnet ist, mit n = 1,2, 3,... Die Umschaltzeit tn ist z.B. in Anzahl Perioden des Taktsignals CL ausgedrückt.

— Der Übergang von einer Absenkungsperiode zur nachfolgenden Nutzungsperiode ist für alle Umschaltungen linear, d.h. die graphische Darstellung der Raumtemperatur Tr in Funktion der Zeit t ist, während der Umschaltzeit tn, immer eine mit steigender Zeit t ansteigende gerade Linie, die bei t = -tn beginnt und bei t = 0 endet.

— Während der Absenkungsperiode kurz vor Beginn der Umschaltung, d.h. bei t — -t„, gilt:

Tr = TRi, (2),

wobei TR,i den Istwert der Raumtemperatur Tr in diesem Augenblick darstellt.

— Die Heizungsregelung befindet sich während einer Nutzungsperiode, d.h. während t>0, im eingeschwungenen Zustand, so dass:

Tv = TVtI (3)

und

Tr = Tr,, (4)

gelten,

wobei Tv,, und Tr,, jeweils den Sollwert der Vorlauftemperatur Tv und der Raumtemperatur Tr während einer Nutzungsperiode darstellen.

— Vorhandene Fremdwärme, die z.B. durch Menschen, Geräte oder einstrahlende Sonne erzeugt wird, ist während der relativ kurzen Schnellaufheizung, die ausserdem meistens am frühen Morgen stattfindet, und kurz danach in erster Näherung vernachlässigbar.

Die Umschaltung soll möglichst schnell erfolgen und wird daher auch als Schnellaufheizung bezeichnet. Die Umschaltzeit tn stellt dann jeweils die Dauer der Schnellaufheizung dar.

Der Hochlauf der Raumtemperatur Tr in Funktion der Zeit t verläuft während der Schnellaufheizung in der Fig. 4 z.B. gemäss der Geraden ED. Die Koordinaten der Punkte E und D sind dann TRii; -t„ bzw. Tr,,; 0. Für t ^ -t„ gilt annähernd Tr = Tr.ì und für t ^ 0 annähernd Tr = Tr,,. Während der Zeit -tn bis 0 findet die Schnellaufheizung statt mit einem Sollwert der Vorlauftemperatur Tv gleich T'v,i = Tv,i + ATv.s-Der Sollwert T'v,i der Vorlauftemperatur Tv entspricht einer Raumtemperatur Tr,, + ATr.s- Würde im Punkt D die Schnellaufheizung nicht beendet durch Umschalten des Sollwertes der Vorlauftemperatur Tv von T' v,i auf Tv,,, so würde die Raumtemperatur TR mit der Zeit t weiter ansteigen bis annähernd zum Punkt F, dessen Ordinate gleich Tr,, + ATr.s ist. Wird die Schnellaufheizung zu früh im Augenblick t = —t' n < —tn, d.h. im Punkt G, gestartet, so erfolgt der Hochlauf der Raumtemperatur Tr gemäss einer Geraden GH, die durch den Punkt G parallel zur Geraden ED verläuft. Die Koordinaten des Punktes G sind Tr,,; -t' n. Im Punkt H erreicht die Gerade GH den Wert Tr = Tr,,. Wird die Schnellaufheizung zu spät im Augenblick t = -t"„ > -tn, d.h. im Punkt J, gestartet, so erfolgt der Hochlauf der Raumtemperatur Tr gemäss einer Geraden JK, die diesmal durch den Punkt J parallel zur Geraden ED verläuft. Die Koordinaten des Punktes J sind Tr,,; -t' ' n-Im Punkt K erreicht die Gerade JK den Zeitwert t = 0, dies entspricht einem Wert der Raumtemperatur Tr = Tr,m- Die Koordinaten des Punktes K sind somit Tr,m; 0.

In der Fig. 4 wurde die Kennlinie der Raumtemperatur Tr in Funktion der Zeit t in der Nutzungsperiode als ideal horizontal angenommen, mit einer Ordinate Tr = Tr,i. In Wirklichkeit schwankt der Istwert der Raumtemperatur Tr in diesem Bereich um ihren Sollwert Tr,, mit einem Toleranzwert ± t. Der Wert T' r,, = Tr,, -t gilt als vorgegebener Referenzwert, bei dessen Erreichen die Raumtemperatur Tr spätestens die Schnellaufheizung beendet. Dies entspricht bei einem zu frühen Start der Schnellaufheizung, mit Hochlauf gemäss GH, dem Punkt M, dessen Ordinate gleich T' r,, ist.

Um während einer Schnellaufheizdauer tn die Raumtemperatur Tr von ihrem Anfangswert Tr,, auf ihren Endwert Tr,, anzuheben, muss während der Schnellaufheizdauer tn den Räumen des Gebäudes eine Wärme

(Qh-QvH„ = k(TR,,-TR,i) (5)

zugeführt werden, wobei der durch die Heizung erzeugte Wär-mefluss Qh und die Wärmeverluste Qv des Gebäudes durch die Gleichungen

Qh = a (Tv - Tr,ì) (6)

bzw.

Qv = ß(TR,i - Ta) (7)

gegeben sind. Ta stellt, wie bereits erwähnt, eine Aussentemperatur des Gebäudes dar. a, ß und k sind Konstanten. Die Wärmeverluste Qv entstehen z.B. durch Abstrahlung, Wärmeleitung oder Lüftung.

Es ist bekannt, bei Schnellaufheizungen die Vorlauftemperatur Tv der Heizung gleich dem zulässigen Maximalwert Tv.max der Vorlauftemperatur Tv zu wählen, um eine möglichst kurze Schnellaufheizdauer tn zu erhalten. Dies führt jedoch, vorallem in den jahreszeitlichen Übergangsperioden, zu sehr heissen Heizkörpern, was z.B. bei deren Berührung durch Kleinkinder sehr unangenehme Folgen haben kann. Daher ist es vorteilhaft, während der Schnellaufheizdauer tn nicht

Tv = Tv.max, sondern

Tv = T'v.i = Tv.i + ATv.s (8)

zu wählen. Die Gleichungen (5), (6), (7) und (8) ergeben zusammen:

[a(Tv,i + ATv.s - TRii) - ß<TRfi - TA)]*tn - k(TR(I - TR>i) (9).

Unter Vernachlässigung der Fremdwärme muss nach der Schnellaufheizung der zum Erhalten einer konstanten Raumtemperatur Tr von der Heizung erzeugte Wärmefluss Qh gleich den Wärmeverlusten Qv sein. Die Gleichungen Qh = Qv, (3), (6) und (7) ergeben dann:

a(Tv.i - Trj) = ß(TR,i - Ta) (10).

Durch Eliminierung des Terms [ß(TR(i - Ta)] in den beiden Gleichungen (9) und (10) ergibt sich:

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

667 147

a • ATv.s • t„ = k(TRjl - TRii) = kW (11)

oder t„ = Kn-T' (12),

mit

Kn = k/a (13a)

und

T' = (TRlI - Tr,ì)/ATv,s (14).

Kn ist eine Schnellaufheizungskonstante', die die Dimension einer Zeit hat.

Da der Sollwert Tr,i der Raumtemperatur nach dem Ende der Schnellaufheizung, d.h. während der Nutzungsperiode, und die Sollwert-Überhöhung ATv.s der Vorlauftemperatur Tv gegenüber Tv,i während der Schnellaufheizzeit t„ vorgegeben sind, kann T' gemäss Gleichung (14) berechnet und sein Wert abgespeichert werden, sobald Tr,ì bekannt ist. Vorteilhaft wird die Sollwert-Überhöhung ATv.s = S-To gewählt, mit z.B. To = 12°C bis 16°C, wobei To die Überhöhung bei einer Steilheit S = 1 darstellt. Es gilt immer S ^ 1. Dies gestattet es variable Werte der Sollwert-Überhöhung ATv.s zu wählen, die sich dann durch unterschiedliche Werte der Steilheit S unterscheiden.

Für die erste Schnellaufheizung wird ein geschätzter oder berechneter Wert Ki der Schnellaufheizkonstante, ausgedrückt in Anzahl Perioden des hochfrequenten Taktsignals CL, während der Inbetriebsetzung der Heizanlage in den Hilfsspeicher 35a (siehe Fig. 3) geladen und somit abgespeichert. In der Absenkperiode vor der ersten Schnellaufheizung gilt, wie bereits erwähnt, die Gleichung (2). Während jeder Absenkperiode wird fortlaufend der Istwert Ta.ì der Raumtemperatur TR gemessen und anschliessend gemäss den Gleichungen (12) und (14) die zugehörige Schnellaufheizdauer tn vom Rechner 36 berechnet und im Zeit-Speicher 35b abgespeichert. Im Augenblick t = tj beginnt die erste Schnellaufheizung, indem der Sollwert der Vorlauftemperatur Tv von Tv,o auf T'v.i = Tv.i + ATv.s umgeschaltet wird. Die Raumtemperatur TR steigt dann mit ansteigender Zeit t linear z.B. gemäss der geraden Linie ED (siehe Fig. 4) an. Im Raumtemperatur/Zeit-Diagramm der Fig. 4 besitzt der Punkt E bei der ersten Schnellaufheizung die Koordinaten Tr.j; -ti. Stimmt der geschätzte bzw. berechnete Wert mit dem wirklichen Wert der Schnellaufheizdauer überein, dann besitzt die gerade Linie ED, wie in der Fig. 4 dargestellt, im Augenblick t = 0 annähernd den Wert Tr = Tr.i (siehe Punkt D in der Fig. 4).

Die in der Fig. 3 dargestellte Schaltung arbeitet folgender-massen: Die negativgehenden Flanken des Nutzungsprogramms Pr(t) laden jeweils in den Zeit-Zähler 23 über dessen Paralleleingänge den Wert der Dauer tA der gerade beginnenden Absenkungsperiode. Dies bedeutet nichts anderes, als dass der augenblicklich geltende Wert der Zeit t im Zeit-Zähler 23 gespeichert wird unter der Annahme, dass der Bezugspunkt der Zeit t der Augenblick ist, an dem die nachfolgende Nutzungsperiode beginnt, d.h. der Moment ist, an dem die laufende Absenkungsperiode endet. Der Zeit-Zähler 23 ist z.B. ein Binärzähler und zählt, bei t = tA beginnend, rückwärts die rechteckförmigen Impulse des Taktsignals CL und damit die Zeit t unter der Annahme, dass alle Zeiten in Anzahl Perioden des Taktsignals CL ausgedrückt sind. Der Zeit-Komparator 24 vergleicht den vom Zeit-Zähler 23 gelieferten Wert der Zeit t mit dem Wert der Schnellaufheizdauer tn, der vom Zeit-Speicher 35b geliefert wird. Sobald t = t„ wird, erscheint ein Logikwert «1» am Ausgang des Zeit-Komparators 24 und setzt das Freigabe-Flip Flop 25. Damit beginnt die Schnellaufheizung, indem das Freigabe-Flip Flop 25 über den A- und den C-Ausgang des Steuergerätes

17 mit Hilfe der Freigabeschaltungen 19 und 21 (siehe Fig. 2) den Sollwert der Vorlauftemperatur Tv von Tv^auf T' v,i = Tv,s + ATv.s umschaltet. Gleichzeitig lädt der Q-Ausgang des Freigabe-Flip Flops 25 den für die Schnellaufheizung geltenden Wert der Schnellaufheizdauer tn aus dem Zeit-Speicher 35b in den Hochlauf-Zähler 27, der anschliessend mit Hilfe des Nand-Gatters 26 durch die nächste negativgehende Flanke des Taktsignals CL gestartet wird und so seine Rückwärtszählung beginnt.

Während jeder Schnellaufheizung wird mit Hilfe des Temperatur-Komparators 31 die gemessene Raumtemperatur Tr mit einem Referenzwert verglichen. Dieser wird z.B., wie bereits erwähnt, gleich dem um den Toleranzwert t reduzierten, während einer Nutzungsperiode geltenden Sollwert Tr.i der Raumtemperatur Tr, d.h. gleich T'r.i = Tr.i - x, gewählt. Die Differenz Tr,i - t wird durch den Differenzgeber 30 errechnet. Sobald TR = T'r.i ist, erscheint am Ausgang des Temperatur-Kompara-tors 31 ein Logikwert «1», der über das Oder-Gatter 32 das Umschalt-Flip Flop 33 setzt, welches unter anderem das Freigabe-Flip Flop 25 zurückstellt. Dadurch wird der Sollwert der Vorlauftemperatur Tv mit Hilfe der Freigabeschaltungen 20 und 21 (siehe Fig. 2) von T' v.i auf Tv.i umgeschaltet und dadurch spätestens die Schnellaufheizung beendet. Gleichzeitig wird durch die Rückstellung des Freigabe-Flip Flops 25 der Zählvorgang des Hochlauf-Zählers 27 gestoppt, sein Inhalt Z mit Hilfe des Umschalt-Flip Flops 33 gelesen und im Korrekturwert-Speicher 29 abgespeichert.

War die Schnellaufheizdauer tn, die ja ursprünglich im Hochlauf-Zähler 27 gespeichert war, richtig geschätzt bzw. berechnet worden, dann ist der im Hochlauf-Zähler 27 im Augenblick seines Anhaltens gespeicherte Zählwert Z gleich Null und entspricht somit korrekterweise t = 0. Die Heizung befindet sich jetzt in der Nutzungsperiode und regelt die Vorlauftemperatur Tv annähernd auf ihren Sollwert Tv.i, der einer Raumtemperatur Tr,i entspricht.

Entspricht der geschätzte bzw. berechnete Wert der Schnellaufheizung nicht dem wirklichen Wert, dann erfolgte der Start der Schnellaufheizung entweder zu früh, z.B. im Augenblick -t' n < -tn, oder zu spät, z.B. im Augenblick -t" n > -tn (siehe Fig. 4). Beide Fälle sind unerwünscht, da im ersten Fall Energie vergeudet wird und im zweiten Fall die Raumtemperatur Tr zu Beginn der Nutzungsperiode noch nicht ihren Sollwert Tr.i erreicht hat und somit die Raumtemperatur Tr noch ungenügend ist. In beiden Fällen muss der Wert Kn der Schnellaufheizungskonstante für die nächste Schnellaufheizung entsprechend korrigiert werden.

Im ersten Fall müsste die Raumtemperatur Tr während der Schnellaufheizung korrekterweise entlang der geraden Linie GD in Funktion der Zeit t ansteigen (siehe Fig. 4). In Wirklichkeit steigt sie entlang der geraden Linie GH an. Auch hier wird der Hochlauf-Zähler 27 gestoppt, wenn Tr = Tr.i - x, nur diesmal ist der in ihm gespeicherte Zählwert Z nicht Null, sondern entspricht der noch bis zum Augenblick t = 0 verbleibenden Zeit. Diese ist bei kleinen Werten von t annähernd gleich der Zeitdifferenz um die die Schnellaufheizung zu früh begonnen hat.

Die Schnellaufheizdauer t'n = K'n-T' (15)

und damit auch die Schnellaufheizkonstante K' „ wurden in diesem Fall also zu gross gewählt. Mit dem richtigen Wert Kn der Schnellaufheizkonstante wäre die Schnellaufheizdauer:

t'n + At = Kn-T' (16),

wobei

At den Wert der Zeitkorrektur der Schnellaufheizung darstellt.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

667 147

6

Durch Eliminierung von T' ergeben die beiden Gleichungen (15) und (16) den nachfolgenden richtigen Wert Kn der Schnellaufheizdauer:

K„ =

t'n + At t n

•K'„

(17).

In der Praxis wird allerdings nicht nur der volle ermittelte Wert von At zur Korrektur verwendet, sondern nur ein Bruchteil g- At, mit g < 1. Die Dämpfungskonstante g wird bei einem digitalen Rechner vorzugsweise gleich 2_t gewählt, mit t z.B. gleich 2. Die Verwendung der Dämpfungskonstante g verhindert das Auftreten von Überschwingungen. Die Gleichung (17) nimmt dann folgende Gestalt an:

Kn = KV

t'n + g-At t'n mit

At = -Z

(18),

(19).

Im zweiten Fall, wenn die Schnellaufheizung zu spät beginnt, müsste die Raumtemperatur Tr während der Schnellaufheizung in der Fig. 4 korrekterweise entlang der geraden Linie JD in Funktion der Zeit t ansteigen. In Wirklichkeit steigt sie entlang der geraden Linie JK an. Hier ist die Gleichung Tr = Tr,i - t nie erfüllt, so dass der Hochlauf-Zähler 27 somit auf jeden Fall im Augenblick t = 0 den Zählwert Null erreicht. Der Decodierer 28 (siehe Fig. 3), der z.B. aus einem Nor-Gatter besteht, erzeugt an seinem Ausgang einen Logikwert «1», wenn der Inhalt des Hochlauf-Zählers 27 Null ist, und lädt dadurch den in diesem Moment anstehenden Wert Tr.m der Raumtemperatur Tr in den Temperatur-Speicher 34. Gleichzeitig wird über das Oder-Gatter 32 das Umschalt-Flip Flop 33 gesetzt, welches auf die bereits beschriebene Art die Schnellaufheizungs beendet, dies obwohl die Raumtemperatur Tr eventuell noch sehr weit von ihrem Sollwert Tr,i entfernt ist. Dies ist nötig, wenn eine Selbstadaption der vom Heizkurven-Einsteller (16) (siehe Fig. 2) ermittelten Heizkurve vorhanden ist. Diese Selbstadaption ist nämlich, um korrekt zu funktionieren, in der Regel darauf angewiesen, dass während der Nutzungsperiode nicht die durch einen überhöhten Sollwert verfälschten Werte der Raumtemperaturen Tr, sondern die korrekten, zum Sollwert Tv.i gehörigen Werte vorhanden sind.

Die Differenz zwischen dem zu erreichenden Sollwert Tr.i und der im Augenblick t = 0 erreichten Raumtemperatur Tr.m würde gemäss den Gleichungen (12) und (14) eine weitere Aufheizdauer

At = Kn

Tr.i - Tr.n

(20)

ATv.s bedingen, wobei jedoch die richtige Aufheizkonstante Kn nicht bekannt ist.

In der berechneten Schnellaufheizdauer t" n = K'VT'

= K" Tr-'"TrJ

(21)

ATv.s ist in Wirklichkeit, d.h. mit der richtigen Schnellaufheizkonstante Kn, nicht Tr.i, sondern nur Tr.m erreicht worden, so dass

Tr.m - Tr.ì

t n — Kn '

(22).

ATv.s

Durch Gleichsetzung der beiden Gleichungen (21) und (22) ergibt sich:

v _v,, Tr.> " Tr.'

ivn — tv n

Tr.m - Tr.ì

(23).

Auch hier wird in der Praxis zur Vermeidung von Überschwingung nicht die volle, sondern nur ein Bruchteil der Korrektur durchgeführt. Dies hat als weiteren Vorteil, dass in der Gleichung (20) der nicht bekannte Wert Kn durch den bekann-5 ten Wert K' ' n der Schnellaufheizkonstante ersetzt werden kann, so dass:

Tr.i - Tr.m

At = K"„-

ATv.s

(24)

io gilt.

Um den neuen, korrigierten Wert von Kn zu erhalten, muss dieser Wert von At in der Gleichung (18) eingesetzt werden, wobei natürlich für diesen zweiten Fall vorher K' „ durch K' ' n 15 und t' n durch t" n zu ersetzen ist.

Im zweiten Fall gilt somit:

t"n + g-At

K„ = K"n- (25),

t n

20 wobei der Wert At der Zeitkorrektur durch die Gleichung (24) gegeben ist.

In beiden Fällen muss also das Steuergerät 17 nach Beendigung der Schnellaufheizung den neuen Wert der Schnellaufheizkonstante gemäss den Gleichungen (18) und (19) bzw. (25) und 25 (24) mit Hilfe des Rechners 36 berechnen und im Hilfsspeicher 35a abspeichern. In der nachfolgenden Absenkperiode wird fortlaufend Tr,; gemessen und in den Temperatur-Speicher 34 abgespeichert. Der Rechner 36 errechnet dann fortlaufend mit diesem Wert von Tr.î, mit dem neuen Wert der Schnellaufheiz-30 konstante Kn und mit den Gleichungen (14) und (12) den augenblicklich geltenden Wert der Schnellaufheizdauer tn und speichert diesen Wert in den Zeit-Speicher 35b ab, von wo er anschliessend in den Hochlauf-Zähler (27) (siehe Fig. 3) über dessen Paralleleingängen geladen und somit abgespeichert wird. 35 In der Fig. 5 sind Block 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 und 46 in der angegebenen Reihenfolge in Kaskade geschaltet, desgleichen Block 47 und 48. Die Blöcke 38, 41 und 42 sind Entscheidungsblöcke und haben je einen Ja-Ausgang Y (Y = «Yes») und einen Nein-Ausgang N. Die Ja-Ausgänge Y der 40 Blöcke 38 und 42 sowie der Nein-Ausgang N des Blocks 41 dienen der Bildung der Teilkaskadenschaltung 38; 39; 40; 41; 42; 43. Die Kaskadenschaltung 47; 48 liegt parallel zur Teilkaskadenschaltung 41; 42; 43, wobei der Ja-Ausgang Y des Blocks 41 mit dem Eingang des Blocks 47 verbunden ist und der Ausgang 45 des Blocks 48 genau wie derjenige des Blocks 43 auf den Eingang des Blocks geführt ist. Sowohl der Ausgang des Blocks 46 als auch der Nein-Ausgang N des Blocks 38 ist auf den Eingang des Blocks 37 rückgekoppelt. Desgleichen ist der Nein-Ausgang N des Blocks 42 auf den einzigen Eingang des Blocks 41 zu-50 rückgeführt.

In der Fig. 5 bedeuten die Buchstaben:

W' im Block 37:

«Messe und speichere Tr.ì in den Temperatur-Speicher 34, berechne und speichere T' = (Tr.i - Tr,,)/ATv.s, berechne und 55 speichere tn = Kn-T' in den Zeit-Speicher 35b»,

I im Block 40:

«Lade den Hochlauf-Zähler 27 mit dem Wert tn und starte anschliessend dessen Rückwärtszählen»,

X im Block 43:

60 «Stoppe das Rückwärtszählen des Hochlauf-Zählers 27, lese dessen Inhalt Z unter gleichzeitiger Abspeicherung des Inhalts Z im Korrekturwert-Speicher 29 und wähle At = -Z' ' und S im Block 47:

«Stoppe das Rückwärtszählen des Hochlauf-Zählers 27 und 65 messe die Raumtemperatur Tr unter gleichzeitiger Abspeicherung des Messwertes Tr.m im Temperatur-Speicher 34».

Im Block 38 wird die Frage «t = tn?», im Block 41 die Frage «Z = 0?» und im Block 42 die Frage «Tr = T' r.i?» ge

stellt. Im Block 39 wird Tv,s = T' v,i, im Block 45 wird Tv,s = Tv,i und im Block 46 wird Tv,s = Tv,o gesetzt. Im Block 44 wird der neue Wert Kn (tn + g- At)/tn der Schnellaufheizkonstante und im Block 48 der Wert At = kn-(tr,i - Tr,m) /ATv.s berechnet und in den Hilfsspeicher 35a abgespeichert.

Das in der Fig. 5 dargestellte Flussdiagramm ist nur ein Ausschnitt des gesamten Flussdiagramms der Heizeinrichtung und bezieht sich ausschliesslich auf die Schnellaufheizung. Es gilt die Annahme, dass zu Beginn des in der Fig. 5 dargestellten Flussdiagramms die Heizung sich in einer Absenkperiode befindet.

Noch vorher und demnach in der Fig. 5 nicht dargestellt finden folgende Verfahrensschritte statt:

1. Zu Beginn, z.B. bei der Inbetriebsetzung, werden abrufbar in einem Speicher des Rechners 36 die vorgegebenen Werte von ATv.s bzw. S und To, g, Tr,i, t und Ki gespeichert.

2. Direkt anschliessend berechnet der Rechner 36 die Werte von:

ATv.s = S-T0 falls ATv.s nicht vorgegeben ist,

und

T'r,, = TRfl - x

3. Der Heizkurven-Einsteller 16 (siehe Fig. 2) ermittelt fortlaufend die Werte von Tv,o und Tv,i und speichert sie abrufbar in seinen Speicher und der Addierer 18 rechnet anschliessend fortlaufend den Wert von

T'v.i = Tv.i + ATv.s-

4. Die Zeit t wird fortlaufend ermittelt. Dies kann bei der Verwendung von Vorwärts-Zählern dadurch geschehen, dass der Zähler einmal in einem Augenblick t = 0 gestartet wird und dann fortlaufend die Impulse des Taktsignals CL zählt oder dadurch, dass der Zähler periodisch, z.B. zu Beginn einer jeden Absenkperiode, auf Null zurückgestellt und direkt anschliessend wieder gestartet wird. Der letzten Methode entspricht bei der Verwendung von Rückwärts-Zählern das periodische Laden des Zählers zu Beginn einer jeden Absenkperiode mit dem Wert tA der Dauer der gerade beginnenden Absenkperiode.

5. Für jede Schnellaufheizung wird zu Beginn des in der Fig. 5 dargestellten Flussdiagramms in Block 37 gemäss der Bedeutung des Buchstabens W' die Raumtemperatur Tr,ì während der Absenkperiode fortlaufend gemessen und abgespeichert sowie anschliessend jeweils nacheinander T' = (Tr,i - Tr.ì)/

ATv.s und der neue Wert tn = Kn-T' der Schnellaufheizdauer berechnet und abgespeichert. Dabei wird als erster Wert von K„ nach der Inbetriebsetzung der gespeicherte Wert Ki gewählt.

6. Im nachfolgenden Block 38 wird dann abgeklärt, ob t =

667 147

t„ ist. Wenn nicht, wird die Teilkaskadenschaltung 37; 38 mit Hilfe der Rückführung des Nein-Ausganges N des Blocks 38 so oft durchlaufen, bis t = t„ gilt. Ist dies der Fall, wird in den nächsten, durch die Blöcke 39 und 40 dargestellten Verfahrensschritten zuerst Tv,s = T'v.i gesetzt und dann, gemäss der Bedeutung des Buchstabens I, der Hochlauf-Zähler 27 (siehe Fig. 3) mit dem augenblicklich geltenden Wert von tn geladen und anschliessend gestartet. Die Schnellaufheizung hat damit begonnen.

7. Im Block 41 wird anschliessend fortlaufend kontrolliert, ob die Zeit t, d.h. der Inhalt Z des Hochlauf-Zählers 27 gleich dem vorgegebenen Referenzwert Null ist. Ist dies nicht der Fall, dann wird im Block 42 kontrolliert, ob die Raumtemperatur Tr gleich dem vorgegebenen Referenzwert T' r,i ist. Ist dies auch nicht der Fall, dann wird die Teilkaskadenschaltung 41; 42 mit Hilfe der Rückführung des Nein-Ausgangs N des Blocks 42 auf den Eingang des Blocks 41 so oft durchlaufen, bis einer der beiden Kontrollwerte erreicht ist.

8. Wird Tr = T' r,i als erstes erreicht, dann wird im nächsten, durch den Block 43 dargestellten Verfahrensschritt zuerst, gemäss Bedeutung des Buchstabens X, der Hochlauf-Zähler 27 gestoppt, sein Inhalt Z gelesen und im Korrekturwert-Speicher 29 gespeichert (siehe Fig. 3) sowie anschliessend der Wert der Zeitkorrektur At = -Z gewählt und im Hilfsspeicher 35a gespeichert. Der Wert Z stellt in diesem Fall die Schlusszeit der Schnellaufheizung dar.

9. Ist dagegen Z = 0 zuerst erfüllt, dann wird in den nächsten durch die Blöcke 47 bis 48 dargestellten Verfahrensschritten zuerst, gemäss Bedeutung des Buchstabens S, der Hochlauf-Zähler 27 gestoppt und der gerade geltende Messwert TR,M der Raumtemperatur Tr gemessen und im Temperatur-Speicher 34 (siehe Fig. 3) gespeichert. Anschliessend wird durch den Rechner 36 der Wert At = kn-(tr,i - Tr,m)/ATv.s der Zeitkorrektur berechnet und im Hilfsspeicher 35a gespeichert, wobei Kn der bisher geltende Wert der Schnellaufheizkonstante ist.

10. Im nachfolgenden Verfahrensschritt, dargestellt durch Block 44, berechnet der Rechner 36 in beiden Fällen den neuen Wert Kn-(tn + g- At)/tn der Schnellaufheizkonstante und speichert ihn in den Hilfsspeicher 35a ab, wobei t„ der bisher geltende Wert der Schnellaufheizdauer ist.

11. Dann wird gemäss Block 45 Tv,s = Tv,i gewählt. Damit ist die Schnellaufheizung beendet und die nachfolgende Nutzungsperiode beginnt.

12. Sobald die Nutzungsperiode beendet ist, beginnt eine neue Absenkperiode, indem gemäss dem durch Block 46 dargestellten Verfahrensschritt Tv,s = Tv,o gewählt wird. Das Programm kehrt dann anschliessend wieder zum Beginn des in der Fig. 5 dargestellten Flussdiagramms, d.h. zum Punkt 5, zurück, um einen neuen Zyklus zu beginnen. In der unter Punkt 5 angegebenen Gleichung tn = K„ -T' der neuen Schnellaufheizdauer ist dann Kn durch seinen neuen Wert zu ersetzen.

7

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

v

3 Blätter Zeichnungen

Claims (5)

667 147

1. Verfahren zur selbsttätigen Ermittlung der Dauer einer vor dem Ende einer Absenkperiode durch Sollwertumschaltung der Vorlauftemperatur einer Heizung ausgelösten Schnellaufheizung, während der ein überhöhter Sollwert der Vorlauftemperatur gilt und die spätestens beendet wird, wenn eine Raumtemperatur einen vorgegebenen Referenzwert erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Schnellaufheizung ermittelt wird, ob die Raumtemperatur (Tr) oder die Zeit (t) als erste einen vorgegebenen Referenzwert (T' r,i bzw. 0) erreicht, dass, wenn die Raumtemperatur (Tr) als erste ihren Referenzwert (T r,i) erreicht, dadurch die Schnellaufheizung beendet, der Wert Z der Schlusszeit der Schnellaufheizung ermittelt und der Wert At einer Zeitkorrektur gleich -Z gewählt wird, dass, wenn die Zeit (t) als erste ihren Referenzwert (0) erreicht, dadurch die Schnellaufheizung beendet, der gerade geltende Messwert Tr,m der Raumtemperatur (Tr) ermittelt und der Wert At der Zeitkorrektur gleich Kn-(TR,i - Tr,m)/ATv,s berechnet wird, wobei Kn ein bisher geltender Wert einer Schnellaufheizkonstante ist, Tr.i den Sollwert der Raumtemperatur (Tr) während einer der Schnellaufheizung nachfolgenden Nutzungsperiode darstellt, und ATv.s die Sollwertüberhöhung der Vorlauftemperatur während der Schnellaufheizung ist, dass anschliessend in beiden Fällen der neue Wert Kn-(tn + g- At)/t„ der Schnellaufheizkonstante berechnet wird, wobei t„ ein bisher geltender Wert der Schnellaufheizdauer und g eine Dämpfungskonstante ist, dass während der der Nutzungsperiode nachfolgenden Absenkperiode fortlaufend der Istwert Tr,; der Raumtemperatur (Tr) gemessen, anschliessend jeweils der neue Wert Kn-T' der Schnellaufheizdauer berechnet wird, mit T' = (Tr,i - Tr,;)/ATv.s, wobei Kn diesmal den neuen Wert der Schnellaufheizkonstante darstellt, und jeweils abgeklärt wird, ob die Zeit (t) gleich dem neuen Wert der Schnellheizdauer ist, und dass, wenn dies der Fall ist, die Schnellaufheizung begonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Referenzwert (T' r,i) der Raumtemperatur (Tr) gleich einem um einen Toleranzwert (t) reduzierten, während einer Nutzungsperiode geltenden Sollwert (Tr.i) der Raumtemperatur (Tr) gewählt wird.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Zeit-Zähler (23), einen Zeit-Komparator (24), einen Hochlauf-Zähler (27), einen Decodierer (28), einen Korrekturwert-Speicher (29), einen Temperatur-Komparator (31), einen Tempertur-Speicher (34), einen Zeit-Speicher (35b) und einen Rechner (36) enthält.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnten Bauelemente alle Teil eines gemeinsamen, digitalen Rechners sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Rechner ein Mikrocomputer ist.