DE102004016442B3 - Verfahren zur Regelung eines flächenbasierten elektrischen Raumheizsystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines flächenbasierten elektrischen Heizsystems, das bei Räumen, die mit speichermassearmen und zur massiven Wand hin thermisch entkoppelten Flächenheizelementen ausgekleidet sind und nur sporadisch genutzt werden, innerhalb weniger Minuten thermische Behaglichkeit bei minimalem Strahlungszug gewährleistet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus den Temperaturen der einzelnen Heizflächen sowie der Lufttemperatur eine für das Komfortempfinden charakteristische operative Temperatur zu ermitteln und aus dieser operativen Temperatur sowie den Temperaturen der Einzelflächen einen Wert für die den Einzelflächen zuzuführenden Heizleistungen abzuleiten. DOLLAR A Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einzeltemperaturen der Heizflächen sowie der unbeheizten Wandflächen gemäß ihrem Flächenanteil an der Raumhülle gewichtet und mit der Lufttemperatur arithmetisch gemittelt werden. Aus der Differenz zwischen operativer Soll- und Isttemperatur wird hieraus ein Maß für die Veränderung der jedem Heizelement zuzuführenden Heizleistung abgeleitet, wobei gleichzeitig bei Heizelementen, deren Temperatur um mehr als 2 Kelvin vom arithmetischen Mittel der Heizflächentemperaturen abweicht, eine Korrektur der Heizleistung zur Reduzierung des Strahlungszuges vorgenommen wird.

Description

• Zahlreiche Räume in gewerblich oder privat genutzten Gebäuden werden nur sporadisch und zeitlich unbestimmt genutzt (z.B. Arbeitszimmer, Kelleräume, Besprechungsräume, Schlafräume, Museen, Kirchen etc.). Um diese Räume jedoch jederzeit unter angenehm beheizten Bedingungen zur Verfügung zu haben, werden sie durchgeheizt bzw. die Heizung bereits lange Zeit vor der eigentlichen Raumnutzung eingeschaltet, was gegenüber einer bedarfsorientierten Beheizung zu einem erheblichen Mehrbedarf an Heizenergie führt. Um im Raum thermischen Komfort zu gewährleisten, reicht es darüber hinaus aber nicht aus, lediglich die Luft zu erwärmen bzw. eine relativ kleine Radiatorfläche hoher Temperatur im Raum zu platzieren. Wesentliches Merkmal eines thermisch komfortablen Raumes ist die Einhaltung der vom Nutzer als angenehm empfundenen operativen Temperatur, die sich aus der Luft- und der mittleren Strahlungstemperatur der Umschließungsflächen zusammensetzt. Als zusätzliche Bedingung muss der Strahlungszug, also die Differenz in den Oberflächentemperaturen verschiedener Bereiche der Raumumschließungsflächen, möglichst gering sein.
• Dieses Problem wird durch ein im Patentanspruch 1 angegebenes Verfahren gelöst.
• Die Erfindung kann die Bedingung thermischen Komforts erfüllen, indem speichermassefreie dünne Heizelemente großflächig auf den Raumumschließungsflächen (Wände, Decke, Fußboden) montiert werden und so für eine sehr gleichmäßige Wärmeeinbringung in den Raum sorgen können.
• An den Fenstern können die Heizelemente in Form von Gardinen oder Lamellen gestaltet sein. Bei den Heizelementen handelt es sich beispielsweise um ein feines Edelstahldrahtgewebe, wie es die DE 10158469 A1 zeigt. Im Gegensatz zu bekannten elektrischen oder warmwasserbetriebenen Flächenheizungen ist das Heizelement frei von speichermassebehafteten Trägern (z.B. Gipskarton) und wird erfindungsgemäß unmittelbar auf einem 4-7 mm dicken Hartschaumdämmstoff aufgebracht.
• Die Fertigung dieser Kombination von Heizfläche und Dämmträger erfolgt zunächst durch Verkleben des Heizgewebes mit einem dünnen Vliesträger. Auf diese Weise wird das Gewebe fixiert und somit bei der Weiterverarbeitung leichter handhabbar. Als Klebstoff kommt ein handelsüblicher wasserlöslicher Methylzellulosekleber (Tapetenkleister) zum Einsatz. Zur Vermeidung des Verziehens oder Verwerfens der Schichten während des Trocknungsvorgangs, welches beim Verkleben sehr dünner Schichten mit wasserhaltigem Klebstoff regelmäßig auftritt, wurde als Teil der Erfindung folgendes Verfahren entwickelt: Das Heizgewebe und der Vliesträger werden während des Trocknungsvorganges durch Lochbleche mit einem Lochdurchmesser von 10 mm in enger Rasterung flächig abgedeckt wobei das Eigengewicht der Lochbleche in Verbindung mit dem horizontalen Untergrund zu einem plan verklebten Heizvlies führt.
• Auf Grund der Feinheit des Drahtgewebes ist die stromübertragende Kontaktfläche bei allen klemmenden Verfahren nicht ausreichend groß und stellt bei zusätzlich hinzu kommenden Korrosionsprozessen ein Sicherheitsrisiko aufgrund der entstehenden Kontaktwiderstände dar. Verfahren zum punktuellen Verschweißen des Gewebes mit dem Kupferblech sind aufgrund der Feinheit des Drahtgewebes ebenfalls ausgeschlossen. Auch das plane Verlöten des Gewebes auf dem Kupferblech ist nicht möglich; da sich Edelstahl nicht mit Kupfer verlöten lässt. Daher wurde als Teil der Erfindung ein neues Verfahren zur Gewährleistung eines dauerhaft guten elektrischen Kontakts entwickelt: In die aus Kupferblech gebogene Tasche wird eine pastöse Emulsion, bestehend aus Kupfer- und Zinnpartikeln sowie einem Reduktions- und Flussmittel eingebracht, bevor das Heizgewebe eingelegt und zwischen den Kupferseiten verpresst wird. Anschließend erfolgt das Verlöten beider Kupferblechstreifen miteinander durch einmaliges Erhitzen der gesamten Anschlussschiene auf 330-355°C über einen Zeitraum von 15-20 s. Durch das in der Emulsion enthaltene Reduktions- und Flussmittel werden hierbei alle Kontaktflächen von (den Stromfluss hemmenden) Oxidanlagerungen befreit und das Edelstahldrahtgewebe während des anschließenden Abkühlvorgangs mechanisch fest und mit allseitiger elektrischer Kontaktfläche in die Lötzinnschicht eingebunden. Bei diesem Verfahren werden beide Materialien nicht miteinander verlötet. Stattdessen wird durch die o.g Emulsion eine großflächige Kontaktstelle zwischen Kupferblech und Edelstahldrahtgwebe erzeugt. Da die Verbindungsstelle nicht mit Luftsauerstoff oder anderen oxidierenden Stoffen in Berührung kommen kann, ist eine Verschlechterung des elektrischen Kontaktes mit zunehmender Betriebszeit nicht zu erwarten.
• Nach der Montage auf der Wand wird diese anschließend nur noch überstrichen bzw. mit einer Dekortapete übertapeziert. Nebeneinander befindliche Heizelemente werden elektrisch zu Heizkreisen verschaltet und mit einem Temperaturfühler versehen, der permanent eine Bestimmung der mittleren Oberflächentemperatur des jeweiligen Heizkreises erlaubt. Nicht mit Heizelementen versehene Raumumschließungsflächen werden, soweit möglich, mit dem Dämmträger verkleidet, um auch dort bei ausgekühlten Räumen während des Aufheizvorgangs schnell entsprechend behagliche Oberflächentemperaturen zu erreichen. Die Anordnung der Heizflächen im Raum erfolgt erfindungsgemäß in der Weise, dass unter Berücksichtigung der Raumgeometrie und raumseitiger Randbedingungen (Fenster, Türen, Möbel) bei vorgegebener zu installierender Leistung der Strahlungszug (Temperaturasymmetrie) möglichst gering ist.
• Wesentliches Merkmal ist nach Anspruch 1 die Kombination der Heizkreise mit einer Regelungseinheit, die in am Regler einstellbaren Zeitintervallen zwischen 1 und 30 s die durch Temperaturfühler gemessenen Temperaturen aller Heizelemente sowie der Luft abfragt und aus diesen Größen die operative, also die für das Behaglichkeitsempfinden relevante Temperatur bestimmt. Der durch den Nutzer vorzugebende Sollwert der operativen Temperatur (in der Regel 21°C) wird dabei als Vergleichskriterium für die zuzuführende Heizleistung herangezogen. Das Heizsystem zeichnet sich also dadurch aus, dass im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik der DE 196 47 935 A1 , DE 200 08 737 U1 und der DE 199 27 428 C2 nicht allein die Lufttemperatur, sondern zusätzlich die Wandtemperatur an unterschiedlichen Stellen im Raum ermittelt wird, die bekanntermaßen einen erheblichen Einfluss auf das Komfortempfinden hat. Bestandteil der Erfindung ist daher der im Folgenden beschriebene Regelungsalgorithmus:
  Die gemessenen diskreten Temperaturen der Heizflächen werden gemäß ihrem Flächenanteil an der Raumhülle gewichtet. Die Temperatur der unbeheizten Flächen der Raumhülle wird gleich der gemessenen Lufttemperatur gesetzt und ebenfalls gemäß ihrem Flächenanteil an der Raumhülle gewichtet. Die Summe dieser gewichteten Temperaturen stellt die mittlere Strahlungstemperatur der Umschließungsflächen dar. Ihr Wert wird mit der Lufttemperatur arithmetisch gemittelt, um die operative Raumtemperatur zu bestimmen. Die für die Veränderung der aktuellen Heizleistung heranzuziehende Regeldifferenz wird durch Subtraktion der operativen Raumtemperatur von der am Regler einstellbaren Solltemperatur ermittelt. Die Heizleistung, angegeben in Prozent der jeweiligen Maximalleistung, wird für jedes Heizelement individuell verwaltet. Der Wert der zuvor bestimmten Regeldifferenz wird mit einem am Regler einstellbaren Skalierungsfaktor im Wertebereich zwischen 1 und 5 multipliziert und zu den jeweiligen Einzelheizleistungen addiert. Für die Minimierung des Strahlungszuges im zu beheizenden Raum wird ferner bei Heizelementen, deren Temperatur um mehr als 2 Kelvin vom arithmetischen Mittel der Heizflächentemperaturen abweicht, eine Korrektur der Heizleistung wie folgt vorgenommen: Die Differenz zwischen der gemessenen Heizflächentemperatur und der mittleren Heizflächentemperatur wird mit dem o.g. Skalierungsfaktor im Wertebereich zwischen 1 und 5 multipliziert und zu der zugehörigen Heizleistung addiert. Werte für die Heizleistung, die oberhalb von 100% der Maximalleistung bzw. unterhalb von 0% liegen, werden zu 100% bzw. 0% festgelegt.
• Damit kann sich das Heizsystem, unabhängig von der jeweils installierten Heizleistung, selbständig an den zu beheizenden Raum und seine Nutzung anpassen und maximalen thermischen Komfort herbeiführen. Als raumspezifische Einflussgröße wird einmalig im Regler der Heizflächenanteil, bezogen auf die Raumumschließungsfläche, sowie der Skalierungsfaktor zur Anpassung der Regeldynamik eingestellt. Die operative Solltemperatur ist vom Nutzer je nach Vorliebe bzw. aktueller Aktivität individuell am Regler veränderbar.
• Erfindungsgemäß wird daher der Niedervoltversorgungsstrang, der über Fuß- bzw. Deckenleisten die elektrische Energie zu den Heizkreisen überträgt, um einen Datenbus (2-Leiter-Betrieb) erweitert, der die Datenerfassung aller Temperatursensoren über eine gemeinsame Datenleitung erlaubt. Auf diese Weise bleibt trotz des relativ großen Informationstransports der Installationsaufwand für Datenleitungen gering.
• Der Aufbau des Heizsystems als dynamischer Regelkreis mit kleinen Zeitschritten, verbunden mit dem quasi speichermassefreien Aufbau der Heizelemente und einer verhältnismäßig großen Leistungsdichte von 150-200 W/m² ermöglicht die Bereitstellung thermischer Behaglichkeit auch in zuvor unbeheizten Räumen innerhalb weniger Minuten. Besonders hervorzuheben ist die auf diese Weise realisierbare Heizenergieeinsparung, da das Durch- bzw. Vorheizen ungenutzter Räume sowie mögliches Überheizen vollständig vermieden wird. Unter Überheizen ist in diesem Zusammenhang die unnötige Zufuhr von Heizwärme zu verstehen, die stets aus der Trägheit speichermassebehafteter Heizelemente und einer verzögert einsetzenden und schlecht arbeitenden Regelung resultiert. Die Erfindung erlaubt somit eine Vermeidung von Überheizvorgängen im Bereich des Aufheizens des zu nutzenden Raums, aber auch beim spontanen Auftreten zusätzlicher Wärmequellen wie elektrische Verbraucher, wechselnder Anzahl von Personen im Raum und solarer Einstrahlung. Auf Grund dieser dynamischen Regelmerkmale ist das Heizsystem nach Anspruch 2 trotz der Verwendung hochwertiger Elektroenergie gewöhnlichen fossilen Heizsystemen bei dynamischer Nutzung primärenergiemäßig überlegen.
• Durch die Verwendung von Schutzkleinspannung (42V und darunter) ist ein Berühren aller auf den Raumumschließungsflächen montierten Heizelemente gefahrlos möglich. Durch die der Kleinspannungstransformation nachgeschalteten Gleichrichtung des elektrischen Wechselstroms wird weiterhin das Auftreten elektromagnetischer Wechselfelder wirkungsvoll vermieden. Die Anbindung der Heizelemente erfolgt erfindungsgemäß über einen kompakten, dekorativ gestalteten Schaltschrank, der für jeden Heizkreis separat die Umwandlung der Niederspannung (230V) im Hausnetz in Kleinspannung (48 V) und die anschließende Gleichrichtung enthält. Den Transformatoren sind weiterhin elektronische Lastrelais, die durch den Regler angesteuert werden, und Sanftanlauf-Module zur Vermeidung von Lastspitzen im Hausnetz vorgeschaltet. Durch die Montage des Schaltschranks innerhalb des zu beheizenden Raumes wird die unvermeidbare Abwärme der Gleichrichterdioden konvektiv als warmer Luftstrom der Raumluft zugeführt und somit zusätzlich genutzt.

Claims (4)

1. Verfahrens zur Regelung eines flächenbasierten elektrischen Raumheizsystems, bestehend aus mehreren getrennt ansteuerbaren elektrischen Flächenheizelementen, die über eine Wärmedämmschicht an Raumwänden angebracht sind und denen jeweils ein Temperaturfühler zugeordnet ist und einer Regeleinrichtung, die Signale der Temperaturfühler verarbeitet und eine Temperatur der Flächenheizelemente in Abhängigkeit von den Signalen regelt, wobei ein Sollwert vorgegeben ist und ein Flächenanteil der Flächenheizelemente an der Raumhülle ermittelt wird, mit der Schrittfolge: a) in an der Regeleinrichtung einstellbaren Zeitintervallen zwischen 1 und 30s werden die Temperaturen aller Flächenheizelemente über ihre zugeordneten Temperaturfühler gemessen, b) ein Temperaturwert der Raumluft wird gemessen, wobei dieser Temperaturwert der unbeheizten Raumfläche, ohne Flächenheizelemente, zugeordnet wird, c) die flächenanteilbezogenen ermittelten Temperaturwerte werden mit dem Temperaturwert der Raumluft arithmetisch gemittelt und als operativer Temperaturwert bestimmt, d) eine Regeldifferenzwert wird durch Abziehen des operativen Temperaturwertes vom Sollwert ermittelt, e) für jedes Flächenheizelement wird die Heizleistung in Prozent der Gesamtleistung bestimmt, f) eine Regelgröße der jeweils getrennt ansteuerbaren elektrischen Flächenheizelemente wird durch Multiplizieren des Regeldifferenzwertes mit den jeweiligen Prozent der Gesamtleistung der Heizleistung jedes Flächenheizelementes und Addieren eines an der Regeleinrichtung einstellbaren Skalierungsfaktors im Wertebereich zwischen 1 und 5 bestimmt.
2. Elektrisches Raumheizsystem zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, bestehend aus – mehreren getrennt ansteuerbaren elektrischen Flächenheizelementen, die über eine Wärmedämmschicht an den Raumwänden angebracht sind und denen jeweils ein Temperaturfühler zugeordnet ist, – einer Regeleinrichtung die Signale der Temperaturfühler verarbeitet und die Temperatur der Flächenheizelemente regelt, wobei – jedes Flächenheizelement aus einem Heizgewebe besteht, das über parallele, randseitig angeordnete Stromführungen kontaktiert ist, – jedes Flächenheizelement auf einer Wärmedämmschicht befestigt ist und – in jedem Flächenheizelement ein Temperaturfühler integriert ist.
3. Elektrisches Raumheizsystem nach Patentanspruch 2, mit Spannungsquelle zum Betrieb der Flächenheizelemente, bestehend aus – einem Sanftanlassermodul für ohmsche und induktive Lasten bei 230V bis 1kVA zur Reduzierung der Spitzenströme während des Einschaltvorgangs, primärseitig mit dem 230V-Wechselstromhausnetz, sekundärseitig mit einem Lastrelais verbunden; – einem elektronischen Lastrelais für ohmsche und induktive Lasten bei 230V bis 1kVA, dessen Leistungsausgang durch eine Steuerspannung im Bereich zwischen 3 und 24 V angesteuert wird, primärseitig mit dem Sanftanlassermodul, sekundärseitig mit einem Transformator verbunden, – einem Ringkerntransformator zur Umwandlung von 230V-Wechselspannung in eine Kleinwechselspannung von 42 Volt mit einer Leistung von 1kVA, primärseitig mit dem Lastrelais, sekundärseitig mit dem Brückengleichrichter verbunden, einem Brückengleichrichter für Spannungen bis 42 Volt und Leistungen bis 1kVA in Kombination mit einem parallel geschalteten Kondensator zur Reduzierung des Wechselstromanteils in der Kleinspannung.
4. Elektrisches Raumheizsystem nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei die randseitig angeordneten Stromführungen je aus einer Kontaktschiene aus längsseitig gefaltetem Kupferblech gebildet sind, und die Kontaktschiene über eine innenseitig aufgebrachte pastöse Emulsion aus Kupfer- und Zinnpartikeln und einem Reduktions- und Flussmittel mit dem Heizgewebe verpresst ist.