DE10057359C2

DE10057359C2 - Verfahren zum Steuern einer Fußbodenheizung

Info

Publication number: DE10057359C2
Application number: DE10057359A
Authority: DE
Inventors: Christian Neve; Joergen Seerup; Eva Kuehne
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2000-11-18
Filing date: 2000-11-18
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2020-11-19
Also published as: CA2360249C; DE10057359A1; DK200101656A; US20020088867A1; US6533186B2; CA2360249A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Fußbodenheizung, bei dem ein Heizkreis eines Raumes in nerhalb einer Periode für einen Versorgungszeitraum mit einem Wärmeträgerfluid versorgt wird und der Versor gungszeitraum in Abhängigkeit von der Raumtemperatur gewählt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus DE 37 08 449 bekannt. Im bekannten Fall möchte man eine ungleichmäßige Tempe raturverteilung über den Fußboden vermeiden, die sich bei einer Drosselung ergeben könnte. Die Drosselung könnte nämlich dazu führen, daß das Wärmeträgerfluid, beispielsweise heißes Wasser, abgekühlt ist, bevor es den Heizkreis verlassen hat. Man drosselt dementspre chend das Wärmeträgerfluid nicht, sondern man steuert die Zeiten, innerhalb derer das Wärmeträgerfluid durch den Heizkreis fließen kann. Hierbei wird die Perioden länge vom Anlagenersteller vorgegeben. Sie liegt im Be reich von 26 bis 36 Minuten. Innerhalb einer jeden Pe riode kann der Benutzer oder eine Raumtemperaturregelung eine Ausschaltzeit angeben, die von 0 bis 24 Minu ten reichen kann. Je kürzer die Ausschaltzeit ist, de sto stärker wird der Raum beheizt.

Dieses Steuerungsverfahren ist im Hinblick auf den Energieverbrauch nicht optimal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fußbo denheizung im Hinblick auf den Energieverbrauch günsti ger zu betreiben.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge nannten Art dadurch gelöst, daß neben der Raumtempera tur mindestens ein weiterer Parameter erfaßt wird und in Abhängigkeit von der Raumtemperatur und dem Parame ter die Periodenlänge und die Länge des Versorgungs zeitraums gewählt wird.

Bei dieser Vorgehensweise erweitert man zum einen die Zahl der Einflußgrößen, die für die Steuerung berück sichtigt werden. Zum anderen erweitert man aber auch die Zahl der Eingriffsmöglichkeiten, d. h. man steuert nicht nur eine Größe, sondern zwei. Hierbei gibt es verschiedene Möglichkeiten. Man kann entweder die Peri odenlänge insgesamt verändern und in der Periodenlänge zusätzlich noch den Versorgungszeitraum ändern. Man kann aber auch den Versorgungszeitraum als Einschalt zeit und den verbleibenden Zeitraum einer Periode als Ausschaltzeit ansehen und Einschaltzeit und Ausschalt zeit jeweils verändern. Das Verhältnis dieser beiden Zeiten wird in Abhängigkeit von der Belastung des be heizten Raumes bestimmt. Man ist also nicht mehr darauf angewiesen, feste Periodenlängen einzuhalten, was ins besondere dann nachteilig ist, wenn sich innerhalb ei ner Periodenlänge Änderungen ergeben, die erheblichen Einfluß auf die Raumtemperatur haben. Diese Steuerungs art hat vor allem dann Vorteile, wenn man die Tempera tur eines Raumes konstant halten möchte.

Hierbei ist bevorzugt, daß man als Parameter eine ther mische Zeitkonstante des Raumes wählt. Die Zeitkonstan te ist ein Maß dafür, wie schnell sich der Raum bei der Zufuhr einer bestimmten Wärmemenge aufheizt. Die zuge führte Wärmemenge ist bekannt oder kann aus der Diffe renz zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur sowie der Durchflußmenge ermittelt werden. Man kann nun mit der Zeitkonstanten die Einschaltzeit und die Aus schaltzeit so berechnen, daß eine gewünschte Raumtempe ratur gehalten wird. Während der Aufheizphase des Rau mes beziehungsweise beim Abkühlen wird man zumindest über einen größeren Abschnitt dieser Phase weniger Rücksicht auf die Zeitkonstante nehmen, sondern bei spielsweise das Aufheizen mit möglichst hoher Leistung betreiben.

Vorzugsweise verwendet man für das Aufheizen und das Abkühlen unterschiedliche Zeitkonstanten. Damit ist man in der Lage, die Raumtemperatur noch näher am gewünsch ten Sollwert zu halten.

Bevorzugterweise ermittelt man die Zeitkonstante aus Messungen der Raumtemperatur zu verschiedenen Zeitpunk ten. Diese Zeitpunkte liegen vorzugsweise in einer Auf heiz- bzw. in einer Abkühlphase. Wenn der Raum hingegen auf der gewünschten Temperatur gehalten wird, ist es schwieriger, die Zeitkonstante zu ermitteln. Das Ver fahren ist also sozusagen selbstlernend. Wenn man die Raumtemperaturen zu verschiedenen Zeitpunkten mißt, kann man die Zeitkonstante selbst ermitteln. Vor allem hat diese Vorgehensweise den Vorteil, daß die Zeitkonstante fortlaufend oder von Zeit zu Zeit korrigiert werden kann, um Änderungen, die sich im Raum selbst oder in seiner Umgebung ergeben haben, zu berücksichti gen.

Vorzugsweise schaltet man auf einen Komfortbetrieb um, wenn es für einen vorbestimmten Zeitraum keinen Wärme bedarf gegeben hat, wobei im Komfortbetrieb der Heiz kreis mit Wärmeträgerfluid so versorgt wird, daß der Raum gerade nicht beheizt wird. In vielen Fällen gibt es typischerweise Zeiträume, in denen es keinen Wärme bedarf an die Fußbodenheizung gibt. Eine derartige Si tuation kann beispielsweise dann auftreten, wenn der Raum durch Sonneneinstrahlung beheizt wird. Obwohl die Raumtemperatur dann der vom Benutzer vorgewählten Tem peratur entspricht, können sich Beeinträchtigungen des Komfortgefühls dadurch ergeben, daß der Fußboden aus kühlt. Dies betrifft hauptsächlich Fußböden, die mit Klinker oder Fliesen belegt sind. Wenn der Benutzer auf diesen "Steinfußböden" barfuß oder mit Socken oder dün nen Sohlen gehen muß, wird er dies als unangenehm emp finden. Wenn man nun auf Komfortbetrieb umschaltet, dann sorgt man dafür, daß lediglich der Fußboden be heizt wird, die Raumtemperatur aber nicht oder nicht nennenswert beeinflußt wird. Dies führt dazu, daß der Fußboden vom Benutzer als nicht kalt empfunden wird. Da der Raum aber nicht weiter beheizt wird, ergeben sich im Hinblick auf den Energieverbrauch zumindest angenä hert optimale Verhältnisse.

Vorzugsweise wird eine Fußbodentemperatur aus mehreren anderen Temperaturen berechnet, und die Periodenlänge und die Länge des Versorgungszeitraumes werden auf die Fußbodentemperatur abgestimmt. Man stellt also fest, welche Temperatur der Fußboden haben muß, damit der Raum nicht weiter beheizt wird. Hierfür kann man andere Temperaturen verwenden, die zur Verfügung stehen. Man kann nun diese Fußbodentemperatur als Wert vorgeben und die Periodenlänge und die Länge des Versorgungszeitrau mes oder die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit so aufeinander abstimmen, daß sich die gewünschte Tempera tur ergibt. Selbstverständlich läßt sich dies aber auch mit einer Regelung bewirken, bei der die Fußbodentempe ratur gemessen wird.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Fußbodentempe ratur nach folgender Formel berechnet wird:

wobei T_F die Fußbodentemperatur,
T_L die Lufttemperatur,
T_V die Vorlauftemperatur,
T_R die Rücklauftemperatur,
C_W die Dichte von Wasser und
C_L die Dichte von Luft ist.

Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich ein Wärmegleichge wicht. Dieses besagt, daß

(T_V - T_R).C_W = (T_L - T_F).C_L.

T_V, T_R und T_L werden gemessen. Da C_V und C_L Konstanten sind, kann T_F berechnet werden. Danach werden die Ein schaltzeiten beziehungsweise Ausschaltzeiten so gehal ten, daß T_F den berechneten Wert nicht übersteigt. Statt dessen kann man auch das Verhältnis zwischen der Raumtemperatur T_L und der Vorlauftemperatur T_V berück sichtigen.

Bevorzugterweise wird im Komfortbetrieb die Versorgung aller anderen Räume abgeschaltet, die mit der gleichen Wärmequelle verbunden sind. Als Wärmequelle wird hier bei eine Stelle im Heizungssystem angesehen, die unab hängig von der Belastung ein Wärmeträgerfluid mit einer weitgehend konstanten Temperatur liefert. Während des Komfortbetriebs hat das Wärmeträgermedium daher die op timale Vorlauftemperatur, d. h. es ergeben sich keine Temperaturabsenkungen durch den Verbrauch in anderen Räumen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zei gen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Heizungs systems und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Tempera turverlaufs.

Ein Heizungssystem 1 für einen Raum 2 weist einen Heiz kreis 3 auf, der von einer Wärmequelle 4, beispielswei se einem Heizungskessel mit Vorlauftemperaturregelung, mit einen Wärmeträgerfluid, beispielsweise heißem Was ser, versorgt wird. Der Zustrom des Wärmeträgerfluids zu dem Heizkreis 3 wird über ein Ventil 5 gesteuert, das von einer Steuereinrichtung 6 betätigt ist. Die Steuereinrichtung erhält über ein Raumthermometer 7 die Information über die Lufttemperatur T_L. Ferner ist die Steuereinrichtung 6 mit einem Thermometer 8 verbunden, das die Vorlauftemperatur T_V mißt, und einem Thermome ter 9, das die Rücklauftemperatur T_R mißt.

Der Raum 2 weist ein Fenster 10 und eine Tür 11 auf. Die Temperatur im Raum kann beispielsweise auch dadurch beeinflußt werden, daß durch das Fenster 10 eine Son neneinstrahlung erfolgt oder bei geöffneter Tür 11 Wär me abfließen kann.

Die Steuereinrichtung öffnet das Ventil 5 oder schließt es. In Fig. 2 ist die Temperatur T nach oben und die Zeit t nach rechts aufgetragen. In einem Zeitraum S1 wird der Heizkreis 3 mit Wärmeträgerfluid versorgt. In einem Zeitraum S2 wird die Versorgung unterbrochen. Dementsprechend bezeichnet man den Zeitraum S1 auch als "Einschaltzeit" und den Zeitraum S2 als "Ausschalt zeit". Die Summe S1 + S2 wird als Periode definiert.

Als Einflußgröße für die Wahl der Einschaltzeit S1 und der Ausschaltzeit S2 wird zum einen die Raumtemperatur T_L verwendet, zum anderen aber auch ein zweiter Parame ter, der nachfolgend diskutiert werden soll. Der zweite Parameter kann beispielsweise die thermische Zeitkon stante des Raumes 2 sein. Die Steuereinrichtung 6 er mittelt beim Aufheizen zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Temperatur T. Diese Ermittlung ist auf jeden Fall erforderlich bei der erstmaligen Inbetriebnahme der Heizeinrichtung. Sie kann aber auch während des norma len Betriebes wiederholt werden, um die Zeitkonstante an möglicherweise zwischenzeitlich eingetretenen Ände rungen anzupassen. In ähnlicher Weise kann man auch beim Abkühlen eine Zeitkonstante ermitteln. In vielen Fällen können sich die Zeitkonstanten beim Erwärmen und beim Abkühlen voneinander unterscheiden.

Wenn man nun eine vorbestimmte Temperatur, die bei spielsweise von einem Sollwertgeber vorgegeben wird, einhalten möchte, dann spielt die Kenntnis der Zeitkonstanten eine gewisse Rolle. Man stellt die Einschalt zeit S1 und die Ausschaltzeit S2 so ein und paßt sie aneinander an, daß mit möglichst geringen Wärmeverlu sten die Temperatur gerade gehalten werden kann.

Dies ist besonders interessant in Fällen, in denen im Grunde kein Heizbedarf besteht. Derartige Situationen treten beispielsweise dann auf, wenn kostenlose Wärme zur Verfügung steht, beispielsweise durch eine intensi ve Sonneneinstrahlung. In diesem Fall könnte man theo retisch die Einschaltzeit S1 auf Null verkürzen. In diesem Fall würde jedoch der Fußboden stark auskühlen, was vom Benutzer als unangenehm empfunden wird. Man verwendet daher eine Mindesteinschaltzeit S1, die eine bestimmte Temperatur des Fußbodens T_F gewährleistet, wobei diese Temperatur T_F so gewählt ist, daß eine Be heizung des Raumes 2 unterbleibt. Hierzu berücksichtigt man das Wärmegleichgewicht des Raumes, wonach

(T_V - T_R).C_W = (T_L - T_F).C_L.

Hierbei ist T_V die Lufttemperatur, T_R die Rücklauftem peratur, T_F die Fußbodentemperatur, T_L die Lufttempera tur (= Raumtemperatur), C_W die Dichte des Wassers und C_L die Dichte von Luft. T_V, T_R und T_L werden gemessen. C_V und C_L sind Konstanten. Dementsprechend kann T_F be rechnet werden. Danach werden S1 und S2 so eingestellt, das T_F den berechneten Wert nicht übersteigt. Dabei liegt die Einschaltzeit S1 in der Größenordnung von 10% bis 30%, vorzugsweise von 15% bis 25% einer Periode S1 + S2.

Natürlich kann man auch das Verhältnis zwischen der Raumtemperatur und der Vorlauftemperatur für die Be rechnung der Fußbodentemperatur verwenden. Einen derartigen Komfortbetrieb wird man beispielsweise dann steu ern, wenn es für einen vorbestimmten Zeitraum, bei spielsweise eine Stunde, keinen Wärmebedarf für den Raum 2 gegeben hat.

Schematisch dargestellt ist ein weiterer Raum 12, der über eine Vorlaufleitung 13 mit der Wärmequelle 4 ver bunden ist und in der Vorlaufleitung 13 ist ein Ventil 14 angeordnet, das ebenfalls von der Steuereinrichtung 6 betätigt wird. Wenn der Heizkreis 3 auf Komfortbe trieb geschaltet wird, dann schließt die Steuereinrich tung 6 das Ventil 14.

Man kann nun die Fußbodentemperatur T_F entweder messen, wofür ein nicht näher dargestellter Temperaturfühler erforderlich ist. Oder man kann die Fußbodentemperatur über die Vorlauftemperatur und das Verhältnis von S1 und S2 so steuern, daß die Fußbodentemperatur T_F er reicht wird.

Claims

1. Verfahren zum Steuern einer Fußbodenheizung, bei dem ein Heizkreis eines Raumes innerhalb einer Pe riode für einen Versorgungszeitraum mit einem Wär meträgerfluid versorgt wird und der Versorgungs zeitraum in Abhängigkeit von der Raumtemperatur ge wählt wird, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Raumtemperatur mindestens ein weiterer Parameter erfaßt wird und in Abhängigkeit von der Raumtempe ratur und dem Parameter die Periodenlänge und die Länge des Versorgungszeitraums gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Parameter eine thermische Zeitkonstante des Raumes wählt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man für das Aufheizen und das Abkühlen unter schiedliche Zeitkonstanten verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Zeitkonstante aus Messungen der Raumtemperatur zu verschiedenen Zeitpunkten er mittelt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man auf einen Komfortbetrieb umschaltet, wenn es für einen vorbestimmten Zeit raum keinen Wärmebedarf gegeben hat, wobei im Kom fortbetrieb der Heizkreis mit Wärmeträgerfluid so versorgt wird, daß der Raum gerade nicht beheizt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fußbodentemperatur aus mehreren anderen Temperaturen berechnet wird und die Periodenlänge und die Länge des Versorgungszeitraumes auf die Fußbodentemperatur abgestimmt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fußbodentemperatur nach folgender Formel berechnet wird:
wobei
T_F die Fußbodentemperatur,
T_L die Lufttemperatur,
T_V die Vorlauftemperatur,
T_R die Rücklauftemperatur,
C_W die Dichte von Wasser und
C_L die Dichte von Luft ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Komfortbetrieb die Versor gung aller anderen Räume abgeschaltet wird, die mit der gleichen Wärmequelle verbunden sind.