BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein 2-Punkt Regelungsverfahren für eine Wärmequelle gemäss dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 6.
2-Punkt-Regler sind insbesondere bei Heizungsanlagen speisenden Kesseln üblich. Diese 2-Punkt-Regelungen werden bevorzugt als schaltende Regler ausgestaltet. Dem Regler wird ein Soll-Wert in Form einer Ein- und Ausschaltschwelle vorgegeben, so dass beispielsweise bei einer Vorlauftemperaturregelung der Regler den Kessel einschaltet, wenn der Ist-Wert der Vorlauftemperatur die Einschaltschwelle unterschreitet, beziehungsweise der Kessel wird ausgeschaltet, wenn die Ausschaltschwelle vom Ist-Wert passiert wird.
Hierbei ist in derRegel die Schaltdifferenz, dass heisst die Differenz zwischen Ein- und Ausschaltwert, fest vorgegeben.
Es ist zwar schon überlegt worden, diese Schaltdifferenz lastabhängig, insbesondere aussentemperaturabhängig vorzugeben, nur hat das zu dem Nachteil geführt, dass nur die gesamte Schaltdifferenz variiert wurde, obwohl zum Beispiel im Starklastfall, das heisst bei niedriger Aussentemperatur der obere Grenzwert, das heisst die Ausschaltschwelle, variiert werden müsste, während im Schwachlastbetrieb nur die Einschaltschwelle, jeweils bezogen auf den Nennsoll-Wert, geändert werden müsste.
Der vorliegenden Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, ein 2-Punkt-Regelverfahren für eine beliebige Wärmequelle anzugeben, die diese Besonderheiten berücksichtig.
Demgemäss besteht die Lösung der Aufgabe gemäss den kennzeichnenden Teilen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 6 in der Variation einmal der Ausschaltschwelle und zum anderen der Einschaltschwelle je nach vorliegendem Belastungsfall.
Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren eins bis vier der Zeichnung näher erläutern. Es zeigen
Figur eins ein Blockschaltbild eines 2-Punkt-Reglers gemäss der Erfindung und die Figuren zwei bis vier Diagramme zur Erläuterung des Schaltbildes.
In allen vier Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.
Eine Heizungsanlage 1 weist eine Wärmequelle 2, bestehend aus einem Gasbrenner 3 und einem Wärmetauscher 4, auf, die zusammen einen Umlaufwasserheizer bilden. Der Brenner 3 ist über eine mit einem Proportionalmagnetventil 5 versehene Gaszuleitung 6 gespeist.
Statt eines gasbeheizten Kessels könnte ebensogut ein ölbeheizter Kessel oder ein elektrischer Durchlauferhitzer in Frage kommen, gleichzeitig wäre auch die Anwendung einer Absorptions- oder Kompressionswärmepumpe nicht auszuschliessen.
An den Wärmetauscher 4 der Wärmequelle ist über eine Vorlaufleitung 7 eine Vielzahl parallel und/oder in Serie geschalteter Heizkörper 8 beziehungsweise eine Fussbodenheizungsanlage oder ein Brauchwasserspeicher angeschlossen, der über eine mit einer Umwälzpumpe 9 versehene Rücklaufleitung 10 rücklaufseitig mit dem Wärmetauscher 4 verbunden ist. Der Istwert der Vorlauftemperatur in der Leitung 7 ist über einen Temperaturfühler 11 abgeführt, der über eine Messleitung 12 mit dem Regler 13 verbunden ist. Für das Ausführungsbeispiel ist eine Vorlauftemperaturregelung unterstellt, so dass der Istwert dieser Vorlauftemperatur entspricht. Die Erfindung ist mit gleichem Vorteil anwendbar auf eine Rücklauftemperaturregelung oder auf eine Raumtemperaturregelung, die Istgrössen wären dann entsprechend zu wählen.
Die Pumpe 9 ist von einem Motor 14 angetrieben, der über eine Stelleitung 15 auf ein Stellglied 16 geschaltet ist und von diesem mit Betriebsspannung genauso versorgt wird wie das Proportionalgasventil 5 über eine Stelleitung 17.
Zentrales Glied des Reglers 13 ist ein Vergleicher 18, auf dessen einen Eingang 19 die Leitung 12 geschaltet ist, die den Istwert führt. Von der Leitung 12 zweigt eine Leitung 20 ab, die in Parallelschaltung zu einem weiteren Vergleicher 21, einem dritten Vergleicher 22 und einem vierten Vergleicher 23 führt.
Dem Vergleicher 18 ist auf einem zweiten Eingang 24 über eine Leitung 25 ein Sollwert zugeführt, der beispielsweise aus einem Aussentemperaturfühler 26 bestehen kann.
Bei Verwendung eines Aussentemperaturfühlers stellt der Sollwert eine gleitende Führungsgrösse dar, es wäre gleichermassen möglich, einen festen Sollwert oder einen zeitabhängig programmierbaren Sollwert oder ähnliches auf den Eingang 24 des Vergleichers 18 zu schalten. Die Leitung 25 verzweigt sich, von der Verzweigung geht eine Leitung 27 aus, die auch in Parallelschaltung auf Eingänge der Vergleicher 21 und 22 geschaltet ist. In die Leitung 25 ist ein Addierer 28 eingeschleift, dessen einer Eingang die Leitung 25 ist und dessen anderer Eingang von einer Leitung 29 gebildet ist. Der Ausgang des Addierers ist auf den Eingang 24 des Vergleichers 18 geschaltet.
Es sind zwei Einsteller 30 und 31 vorgesehen, an denen die Ein- und Ausschaltschwellen für den Sollwert vorgegeben werden können, und zwar deren Differenz zur Mittellage des Sollwertes, der auf der Leitung 25 ansteht. Es wird hierbei davon ausgegangen, dass in der Nullstellung der beiden Ein steller 30 und 31 die Differenzen der Aus- und Einschaltschwellen bezüglich auf den Sollwert gleich sind. Vom Einsteller 30, mit dem die Ausschaltschwelle vorgegeben werden kann, geht eine Leitung 32 aus, die einen weiteren Eingang für den Vergleicher 23 bildet. Von der Leitung 32 zweigt eine weitere Leitung 33 ab, die zu einem Subtrahierer 34 führt.
Ein Ausgang des Subtrahierers bildet eine Leitung 35, die auf einen Pol 36 eines Umschalters 37 geschaltet ist. Der Ausgang des Umschalters bildet die Leitung 29 und damit den einen Eingang des Addierers 28. Der Einsteller 31 für die Einschaltschwelle weist eine Ausgangsleitung 38 auf, die den dritten Eingang des Vergleichers 23 bildet und von welcher eine Leitung 39 abgeht, die einen Eingang eines Addierers 40 bildet, dessen Ausgang 41 auf den Pol 42 des Umschalters 37 geschaltet ist. Von der Leitung 32 zweigt parallel zur Leitung 33 eine weitere Leitung 43 ab, die auf einen Rampengenerator 44 geschaltet ist. Ein weiterer Eingang des Rampengenerators bildet eine Leitung 45, die von der Leitung 38 parallel zur Leitung 39 abgeht.
Der Rampengenerator 44 besitzt einen dritten Eingang 46, der vom Ausgang eines Vergleichers 47 gebildet ist, dessen einer Eingang von einer Leitung 48 gebildet ist, die den Ausgang des Vergleichers 23 darstellt.
Ein Ausgang 49 des Rampengenerators ist auf eine Leitungsverzweigung zweier Leitungen 50 und 51 geschaltet, wovon die Leitung 50 über einen Arbeitskontakt eines Relais 52 geführt ist und auf den zweiten Eingang 53 des Addierers 40 gelegt ist. Die Leitung 51 ist über einen Arbeitskontakt 54 eines weiteren Relais geführt, hinter dem Arbeitskontakt 54 ist die Leitung 51 auf den subtrahierenden Eingang 55 des Subtrahierers 34 geschaltet. Die beiden Arbeitskontakte 52 und 54 werden von Ausgangsleitungen 56 und 57 der beiden Vergleicher 21 und 22 geschaltet, wobei die Ausgangsleitungen 56 und 57 in Parallelschaltungen über Leitungen 58 und 59 mit zwei weiteren Eingängen des Vergleichers 47 verbunden sind.
Der Ausgang 60 des Vergleichers 18 ist mit dem Eingang des Stellgliedes 16 verbunden. Von dieser Leitung zweigt eine erste Leitung 61 ab, die auf dritte Eingänge der beiden Vergleicher 21 und 22 geschaltet ist. Parallel hierzu liegt eine weitere Leitung 62, die über eine Triggerschaltung 63 mit einer Leitung 64 verbunden ist, die in Parallelschaltung einmal den Eingang eines Flip-Flops 65 und zum anderen über eine Leitung 66 einen Eingang des Rampengenerators 44 bildet. Der Ausgang des Flip-Flops betätigt über eine Leitung 67 den Umschalter 37. Die Funktion des eben beschriebenen Reglers 13 wird nun anhand der Diagramme gemäss den Figuren zwei bis vier näher erläutert. In der Figur zwei ist ein Diagramm aufgetragen, das in der Abszisse die Zeit in Stunden und in der Ordinate Temperaturwerte in "C aufweist.
Es ist eine erste waagerechte Gerade 70 vorgesehen, die die Lage der Ausschalttemperatur definiert, also der Ausschalttemperatur, die über den Einsteller 30 vorgegeben werden kann. Eine weitere hierzu im Abstand unterhalb liegende Gerade 71 stellt den Wert der Einschalttemperatur dar, die über den Einsteller 31 variiert werden kann. Die Differenz zwischen den Kurven 70 und 71 stellt die Schaltdifferenz des Reglers mit dessen Hysterese dar. In der Mitte zwischen dem Abstand der beiden Kurven 70 und 71 liegt der Sollwert 72 gleichermassen als Gerade mit konstantem Abstand zu beiden. Dieser konstante und gleichmässige Abstand ist oder entspricht der Ruhelage des Reglers. Die Kurvenschar 70 bis 72 wird von einer Istwert-Kurve 73 geschnitten, die beispielsweise im Ausführungsbeispiel der Vorlauftemperatur entspricht.
Beim erstmaligen Aufheizen verläuft die Kurve 73 von einem relativ tiefen Temperaturpunkt zunächst bis zu einem ersten Punkt 74. Da bereits im Kurvenstück 75 der Istwert unterhalb der Einschaltschwelle lag, resultiert in jedem Fall ein Einschaltbefehl für die Wärmequelle 2. Die Folge für den Einschaltbefehl ist ein Signal des Vergleichers 18 an seinem Ausgang 60, damit ein Aktivieren des Stellgliedes 16, ein Öffnen des Gasmagnetventils 5 und ein Anlaufen der Pumpe 9. Der Umlaufwasserheizer 2 geht in Betrieb, über den Wärmetauscher 4 werden die Heizkörper 8 aufgeheizt, die Räume des Gebäudes erwärmen sich. In Folge des steigenden Wertes der Vorlauftemperatur schliesst sich in Abhängigkeit von der Zeit an den Punkt 74 ein ansteigendes Kurvenstück 76 an. Dies führt zu einem Schneiden der Kurve 72 von der Kurve 73 im Punkt 77, das heisst, der Istwert ist gleich dem Sollwert.
Die an diesem Punkt anlaufende Funktion des Reglers wird später noch behandelt. Der Istwert steigt weiter gemäss dem anschliessenden Kurvenstück 78, bis der Istwert im Punkt 79 die Kurve 70 erreicht. Damit resultiert ein Ausschaltbefehl für den Umlaufwasserheizer. Die Kurve 73 schwingt aufgrund der Stauwärme über und beginnt nach Überschreiten des Maximums wieder zu sinken, so dass sich ein nahezu linearer fallender Kurvenzug 80 anschliesst, im Punkt 81 wird die Gerade 70 passiert, was aber folgenlos bleibt. Schliesslich erreicht der Istwert im Punkt 82 den Sollwert gemäss der Kurve 72. Würde jetzt die Erfindung nicht einsetzen, so könnte insbesondere im Schwachlastbetrieb bei sehr tief eingestellten Vorlauftemperatur-Sollwerten eine erhebliche Zeit vergehen, bis sich die Vorlauftemperatur so weit abgekühlt hat, dass die Kurve 80 die Einschaltschwelle gemäss der Kurve 71 erreicht.
Im Extremfall müsste nämlich zunächst die Raumtemperatur so weit sinken, dass die dann als Folge weiter sinkende Vorlauftemperatur auf die Einschaltschwelle absinken kann. Das ist aber bereits mit einer erheblichen Komforteinbusse für die Benutzer der von der Wärmequelle beheizten Räume verbunden. Aus diesem Grunde wird im Schwachlastbereich, also bei niedrig eingestellten Sollwerten für die Vorlauftemperatur, nun die Einschaltschwelle, das heisst die Kurve 71 angehoben. Das bedeutet, dass mit fallendem Istwert beim Passieren des Punktes 82 der Rampengenerator 44 aktiviert wird. Der Rampengenerator erzeugt eine zeitabhängig ansteigende Spannung, der Steigungsfaktor entspricht dem Kurvenstück 83 in Figur vier. Der Beginn des Kurvenstücks 83 ist zeitgleich mit dem Punkt 82.
Vorher hat jedoch beim Abschalten der Wärmequelle im Punkt 79 (vergleiche Figur eins) beim Stromloswerden der Leitung 60 die Triggerschaltung 63 auf ihrem Ausgang 64 einen Impuls abgegeben, der über die Leitung 66 dazu führt, dass der Rampengenerator 44 in seine Ruhestellung gegangen ist. Gleichzeitig ist über diesen Rücksetzimpuls des Triggers 63 der Speicher 65 in eine Position geschaltet worden, dass der Umschalter 37 die Leitung 41 auf die Leitung 29 umschaltet.
Das bedeutet, dass nunmehr die Werte des Einstellers 31 über die Leitung 39 am Addierer 40 anliegen und dass der Ausgang des Addierers auf den Eingang 24 des Vergleichchers 18 geschaltet ist. Die Höhe und Art der Einstellung der Einschaltschwelle liegt über die Leitung 38 und über die Leitung 45 auch am Rampengenerator 44 an. Der Rampengenerator erzeugt nunmehr ein Spannungssignal, das über die Leitung 49 und den Arbeitskontakt 52 am Eingang 53 des Addierers 40 anliegt. Der Arbeitskontakt 52 wird vom Vergleicher 22 dann geschlossen, wenn der Punkt 82 erreicht wurde. Die entsprechenden Werte liegen über die Eingangsleitungen 20 und 27 an. Damit wird im Addierer 40 zusätzlich zu dem am Einsteller 31 vorgegebenen Spannungssignal noch das Spannungssignal des Rampengenerators addiert, das heisst, für den Regler wird der Wert des Einschaltpunktes künstlich angehoben.
Diese Anhebung ist linear zeitabhängig und in ihrer Steilheit am Rampengenerator 44 einstellbar. Die Einstellung wird bevorzugt nach Massgabe der Totzeit der Anlage, das heisst insbesondere nach Massgabe der Wärmekapazität sämtlicher Verbraucher 8 und der Leistung der Wärmequelle 2, gewählt. Der Rampengenerator muss nicht unbedingt ein stetig lineares Spannungssignal abgeben, das Spannungssignal könnte auch in Stufen realisiert werden, gegebenenfalls auch progressiv. Über den Vergleicher 23 wird ein Startsignal erzeugt, das über den Vergleicher 47 zur Freigabe des Ausgangssignals des Rampengenerators führt.
Da der Istwert der Kurve 80 nach Passieren des Punktes 82 zeitabhängig nahezu linear weiter fällt (in Wirklichkeit nach einer e-Funktion), erreicht der fallende Istwert irgendwann im Punkt 84 den Einschaltpunkt, wobei das Anheben der Einschaltschwelle aus der Figur vier ersichtlich ist. Das bedeutet, dass die Anhebungswirkung für die Einschaltschwelle um so grösser wird, je flacher die Lage des Kurvenzuges 80 ist und je grösser die Schaltdifferenz war, mindestens die Schaltdifferenz bezüglich der Kurven 72 und 71.
Analog verfährt der Regler beim Aufheizen, wenn sich dass Aufheizen im Zuge einer starken Belastung vollzieht, das heisst, dass die von dem oder den Verbrauchern abgenommene Leistung bei relativ tiefen Aussentemperaturen sich der maximal von der Wärmequelle 2 abgebbaren Leistung nähert. In diesem Fall kann es nämlich relativ lange dauern, wenn im Zuge einer Aufheizung (vergleiche hier Figur drei) nach Passieren des Punktes 77 der weitere Verlauf der Kurve 78 zeitabhängig so langsam ansteigt, dass erst nach sehr langen Zeiten der Punkt 79 erreicht wird, in dem die Wärmequelle abgeschaltet wird.
Da andererseits für die Behaglichkeit des Benutzers nur erforderlich ist, dass der Istwert gemäss der Kurve 73 den Sollwert gemäss der Kurve 72 erreicht hat, es aber gleichgültig ist, wie weit dieser Sollwert vom Istwert überschritten ist, erfolgt hier erfindungsgemäss analog eine Absenkung der Ausschaltschwelle, und zwar in Annäherung an den Sollwert gemäss der Kurve 72. Zunächst wird über den Einsteller 30 die Höhe der Ausschaltschwelle, das heisst die Ordinate der Kurve 70, vorgegeben. Hierbei kann der senkrechte Abstand der Kurve 70 von der Kurve 72 durchaus abweichen von dem Abstand, den die Kurven 72 und 71 ihrerseits haben. Zur Absenkung des Ordinatenwertes der Kurve 70 wird wieder der Rampengenerator 44 als Signalgeber benutzt. Nunmehr wird aber statt des Umschalters 52 der Umschalter 54 benutzt.
Der vom Einsteller 30 vorgegebene Ausgangswert steht über die Leitungen 32 und 43 sowohl am einen Eingang des Rampengenerators als auch über die Leitung 33 am positiven Eingang des Subtrahierers 34 an. Auf den negativen Eingang 55 kommt das von dem Einsteller abzuziehende Zeitsignal an, und zwar dann, wenn der Arbeitskontakt 54 geschlossen hat. Dieser Arbeitskontakt wird vom Vergleicher 21 dann aktiviert, wenn der Istwert der Kurve 73 den Sollwert im Punkt 77 erreicht hat. Beim Erreichen dieses Punktes läuft der Rampengenerator aktiviert über den Vergleicher 23 und den weiteren Vergleicher 47 an und erzeugt ein zeitabhängiges linear stetig wachsendes Spannungssignal auf der Leitung 49, das auf den negativen Eingang des Subtrahierers 34 geschaltet wird und von dem Spannungssignal auf der Leitung 33 abgezogen wird.
Beim Inbetriebgehen der Wärmequelle hat der Vergleicher 18 auf der Leitung 60 ein Spannungssignal abgegeben, das einmal zum Aktivieren des Stellgliedes 16, zum anderen aber auch zum Anstossen der Triggerstufe 63 geführt hat. Über den Speicher 65 hat der Umschalter 37 die Stellung eingenommen, dass der Ausgang des Subtrahierers 34 auf die Leitung 29 und damit auf den Sollwert-Eingang des Vergleichers 18 geschaltet ist. Somit wird dem Regler ein künstliches Absenken der Ausschaltschwelle vorgetäuscht, das Ausschalten erfolgt zeitabhängig umso eher, je grösser der Abstand der Kurven 70 und 72 war und je geringer die Überschussleistung der Wärmequelle 2 gegenüber der vom Verbraucher angeforderten Leistung ist.
Das Absinken der Ausschaltschwelle kann wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel stetig linear, stetig progressiv oder stufenweise erfolgen, je nach Variation der Ausführung des Rampengenerators 44.
Es ist möglich, sowohl die Aufheiz- als auch die Abkühlungsvorgänge der Wärmequelle durch Variationen sowohl der Ausschalt- als auch der Einschaltschwelle gleichermassen zu verändern, es ist auch möglich, im Schwachlastbereich lediglich die Einschaltschwelle, im Starklastbereich lediglich die Ausschaltschwelle anzupassen.