DE102004052595B4

DE102004052595B4 - Verfahren zur Beheizung eines elektrischen Durchlauferhitzers

Info

Publication number: DE102004052595B4
Application number: DE102004052595.1A
Authority: DE
Inventors: Olaf Diederich; Lutz Grünig
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2024-10-30
Also published as: DE102004052595A1

Abstract

Verfahren zur Beheizung eines elektrischen Warmwasserbereiters, insbesondere eines Durchlauferhitzers mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung und mindestens einem Heizkörper, der über Schalter mit einer elektrischen Zuleitung eines Stromnetzes verbunden ist, die eine zulässige elektrothermische Belastbarkeit aufweist. Diese geht laut EN 60898 über die Nennbelastbarkeit der Zuleitung hinaus. Es ist somit eine zulässige Überschreitung der Nennbelastbarkeit laut EN zulässig. Mit dem Verfahren wird die zulässige Überschreitung der Nennbelastbarkeit an der Steuerung oder von einer Regeleinrichtung des Warmwasserbereiters am Heizkörper eingestellt. Durch ständigen Vergleich der zulässigen mit der tatsächlichen Leitungsbelastung wird eine unzulässige Überschreitung der Nennbelastbarkeit der Zuleitung vermieden. Durch das Verfahren ist ein Warmwasserbereiter hinsichtlich einer elektrisch vorhandenen maximalen Leitung elektronisch auf eine demgegenüber geringere Maximalleitung begrenzbar. Weiterhin ist eine Vorrichtung am Beispiel eines elektrischen und elektronischen Durchlauferhitzers für die Einstellung der zulässigen Überschreitung der Nennbelastbarkeit mit einer Steuerung und einem Vergleicher angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beheizung eines elektrischen Warmwasserbereiters mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung und mindestens einem Heizkörper, der über Schalter mit einer elektrischen Zuleitung eines Stromnetzes verbunden ist, die eine zulässige elektrothermische Belastbarkeit aufweist.
Aus der EP 1 383 217 A1 ist ein Überstromauslöser für elektronische Schutzschalter und ein Verfahren zur Nachbildung einer Auslösekennlinie bekannt. Die Auslösekennlinie des elektronischen Schalters ist an eine beliebige zu schützende Lastkennlinie anpaßbar und kann zumindest einen logarithmischen Teilbereich umfassen. Das Verfahren beruht auf der Nachbildung der Kennlinie mittels periodischer Aufaddierung einer Systemgröße, welche neben einem aktuellen Primärstromwert auch einen vorherigen Zustandswert der Systemgröße berücksichtigt. Insbesondere wird für einen thermischen Teilbereich der Kennlinie mit einer Energiebetrachtung ein physisches Bimetall nachgebildet und für einen Sofortauslösebereich ein Auslösezähler eingeführt.
Bekannte Warmwasserbereiter arbeiten mit einer maximalen Heizleistung, die an die Nennbelastbarkeit des Stromnetzes angepaßt ist. Damit ist sichergestellt, dass die elektrische Zuleitung auch bei Dauerbetrieb nicht überlastet ist.
Aus der EN 60898 sind die Grenzen der Auslöse- oder Nichtauslösezeiten bekannt. Ebenfalls sind zulässige Überschreitungen gemäß DIN VDE 100 bekannt. So liegt die Grenze der Auslösezeit für einen Prüfstrom von 1,45 × I_n bei 1 h. Für einen Prüfstrom von 1,13 × I_n gilt ein Zeitraum von 1 h, in der die Auslösung eines Leistungsschutzschalters nicht erfolgen darf.
Aufgabe der Erfindung ist es, die zulässige Belastbarkeit der elektrischen Zuleitung voll auszuschöpfen.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In vorteilhafter Weise wird die Leistung des Warmwasserbereiters von der Steuerung über die dauerhafte Nennbelastbarkeit der elektrischen Zuleitung zumindest in Teilbereichen oder temporär erhöht. Mit dem Verfahren wird die zulässige Überschreitung der Nennbelastbarkeit fortlaufend ermittelt und die zulässige Überschreitung der Nennbelastbarkeit durch die Leistungserhöhung am Heizkörper eingestellt.
Der Warmwasserbereiter weist ein Rechen- und Speicherwerk seiner Steuer- und Regeleinrichtung auf, in dem die Heizleistung oder ein äquivalenter Wert, wie Strom oder eingeschaltete Spannung, über die Zeit ermittelt wird. Damit wird ein Wert für die tatsächliche Belastung der Zuleitung ermittelt. Dieser Wert wird mit einem zulässigen Wert für die Belastbarkeit der elektrischen Zuleitung verglichen. Entweder ist der Wert der zulässigen Belastbarkeit der elektrischen Zuleitung vorgegeben oder wird am Durchlauferhitzer eingegeben. Somit läßt sich auch ein Standard-Durchlauferhitzer mit einer hohen Heizleistung und einem entsprechend hohen Bemessungsstrom an Zuleitungen mit geringerer zulässiger Belastung anschließen. Weist ein elektronisch gesteuerter Durchlauferhitzer beispielsweise einen Bemessungsstrom von 64 A bei 400 V auf, so ist dieser durch die Eingabe eines maximalen Wertes hinsichtlich seiner Leistung begrenzbar. Die durch Widerstände des Durchlauferhitzers vorgegebene Leistung von 25,6 kW wird elektronisch auf einen geringeren Leistungswert, der durch die Eingabe vorgegeben ist, begrenzt. Bei einer Pulspaketsteuerung werden nur so viele Halbwellen durchgeschaltet, dass im Mittel, z. B. durch Wegfall jeder dritten Halbwelle, nur eine Heizleistung von 17 kW vorliegt.
Durch den Vergleich des Wertes der tatsächlichen Belastung mit dem Wert I_B der zulässigen Belastung wird fortlaufend das maximale Leistungsvermögen der elektrischen Zuleitung ausgenutzt. Eine Überschreitung der zulässigen Belastung wird entsprechend vermieden. Wenn der Wert der zulässigen Überschreitung der Nennbelastbarkeit > 0 oder = 0 ist, wird die Leistungserhöhung am Heizkörper entsprechend begrenzt. Neben dem zulässigen Strom in der Zuleitung hängt die erforderliche Leistung von einem Leistungsbedarf des Wassererhitzers ab, z. B. von der gewünschten Wassertemperatur und Wassermenge.
Zu Beginn des Betriebs des elektrischen Warmwasserbereiters kann die Nennbelastbarkeit gemäß EN 60898 zulässig bis zum 1,45-fachen überschritten werden, bis ein Leistungsschutzschalter auslösen muß. Der Wert der zulässigen Überschreitung der Nennbelastbarkeit nimmt jedoch mit der Zeit ab, so dass nach 60 min nur noch max. eine 1,13-fache Überlastung zulässig ist.
Sollte dennoch die elektrische Zuleitung überlastet sein, was durch das Auslösen einer entsprechenden Sicherung detektiert wird, wird die zulässige Überschreitung der Nennbelastbarkeit am Durchlauferhitzer korrigiert. Wenn also im normalen Betrieb die Stromzufuhr netzseitig ausfällt, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen, dass dies durch die Überschreitung der Nennbelastbarkeit über einen zulässigen Wert hinaus erfolgt ist. Somit detektiert das Warmwassergerät, dass der zulässige Wert vermindert werden muß. Nach einer derartigen netzseitigen Zwangsabschaltung wird die zulässige Überschreitung der Nennbelastbarkeit nach unten korrigiert, z. B. durch eine Verminderung des Anteils der zulässigen Überschreitung der Nennbelastbarkeit um 20%.
Um die Erwärmung der Leitung weiter einzugrenzen, wird in vorteilhafter Weise nach einer zeitlich begrenzten Überhöhung des Stromes über den zulässigen Nennstrom hinaus eine zeitlich begrenzte Unterschreitung unter den Nennstrom der Zuleitung eingestellt, um den Warmwasserbereiter weiter in Betrieb zu halten und gleichzeitig eine Abkühlung der Leitung zu erreichen.
Vorteilhaft ist es auch, die Leitungsbelastung auch nach dem Ende des Durchlauferhitzer-Betriebs weiter zu betrachten. So wird angenommen, dass sich die Leitung in einem Zeitintervall von 15 min. nach der Belastung langsam z. B. auf die Hälfte abkühlt. Für einen erneuten Betrieb des Warmwasserbereiters wird abhängig von den Leitungsbelastungen innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls von ca. 1 h festgelegt, welche Überschreitung zulässig ist. Vorteilhafterweise wird der Wert für die tatsächliche Leitungsbelastung I_B nach der letzten jeweiligen Benutzung in Zeiten der Ruhe wieder vermindert, während er in Zeiten der Benutzung je nach Strombelastung wieder ansteigt. Vorteilhaft ist die Bildung des Stromintegrals (Stromwärme) über einen vergangenen Zeitraum t als Wert für
die Leitungsbelastung. I_B wird dann mit I_zu1 verglichen und aus einer Tabelle ein I_max eingestellt.
In der Zeichnung ist das Schaltbild eines Warmwasserbereiters dargestellt.
Die Figur zeigt einen Warmwasserbereiter 1 mit einer Steuerung 2 für die Überschreitung der Nennbelastbarkeit der Zuleitung. Im Ausführungsbeispiel wird über einen Codierer 3 die Beschaffenheit der Zuleitung eingegeben, z. B. Leitungsart, Leitungsmaterial, Leitungsquerschnitt, Nennbelastbarkeit der Leitung oder auch die Zuleitungsbelastung.
Die Steuerung 4 des Durchlauferhitzers ermittelt einen Leistungsbedarf des Durchlauferhitzers und gibt diesen weiter an eine Leistungselektronik 5, die wenigstens einen Heizkörper 6 mit Spannung versorgt und entsprechend beheizt. Die Steuerung 4 ist mit einem Temperaturfühler 7 verbunden, der die Ist-Temperatur des Wassers ermittelt. Daraus werden die Leistungsbedarfe in der Steuerung 4 ermittelt und – wie beschrieben – an die Leistungselektronik 5 weitergeleitet. Der Heizkörper 6 sowie der Durchlauferhitzer 1 sind an ein Stromnetz 8 mit Leitungen L, N angeschlossen. Bei mehrphasigen Durchlauferhitzern mit mehreren Heizkörpern ist dies ein entsprechend mehrphasiges Leitungsnetz. Die Steuerung 4 ist mit einer Steuerspannung 9, die auch aus dem Netzstrom generiert werden kann, und einem Sollwertsteller 10, mit dem die Solltemperatur des Wassers eingestellt werden kann, verbunden.
Ein Vergleicher 11 ist mit einer von der Steuerung 4 kommenden Leitung 4a verbunden, mit der ein Wert für die tatsächliche Belastung der elektrischen Zuleitung 8 an einen Vergleicher 11 übermittelt wird. Ebenfalls in den Vergleicher 11 ist eine Leitung 2a geführt, mit der der zulässige Belastungswert aus der Steuerung 2 übertragen wird. In vorteilhafter Weise ist dies ein aus der Differenz zwischen tatsächlicher und zulässiger Belastung der elektrischen Zuleitung 8 aus einer Tabelle oder per Berechnung ermittelter Wert. Aus dem Vergleicher 11 wird über die Leitung 4b ein Wert für die aktuell zulässige Überschreitung der Nennbelastbarkeit der elektrischen Zuleitung übertragen. Vorteilhaft ist es, den Vergleicher 11 sowie die Steuerung 2 in die Steuerung 4 zu integrieren, womit keine zusätzlichen Übertragungsleitungen 4a, 4b und 2a zwischen der Steuerung 2, dem Vergleicher 11 und der Steuerung 4 erforderlich sind.
Entweder wird im Vergleicher 11 in Abhängigkeit vom Wert der tatsächlichen Belastung der elektrischen Zuleitung 8 und dem Wert der zulässigen Belastung fortlaufend ein Wert für die weitere Belastung der elektrischen Zuleitung und die entsprechende Einschaltung der Heizkörper ermittelt oder dies erfolgt direkt in der Steuerung 4. Im Ausführungsbeispiel ist in der Steuerung 2, z. B. in einem elektronischen, nicht flüchtigen Speicher, eine Tabelle der Nennleistungen mit zugehörigen Überschreitungen der Nennbelastbarkeit in Abhängigkeit der Zeit hinterlegt. Nach Eingabe der Art der tatsächlich vorhandenen elektrischen Zuleitung wird über den Codierer 3 aus der Tabelle eine entsprechende elektrische Zuleitung ausgewählt. Mit Betrieb des Durchlauferhitzers wird der zulässige Wert der Überschreitung von der Steuerung 2 ständig mit der tatsächlichen Leitungsbelastung zeitlich verglichen. Vorteilhaft ist es, im Vergleicher 11 ebenfalls eine Tabelle oder auch eine Berechnungsformel zu hinterlegen, mit der aus dem Vergleich zwischen zulässigem und Istwert ein Wert für die weitere zulässige Leistungserhöhung bestimmt wird.
Auch ein integral arbeitendes Verfahren ist hier vorteilhaft, wobei ebenfalls ein Vergleich des zulässigen Wertes mit dem tatsächlichen Wert erfolgt. Abhängig davon, wieviel Reserven noch vorhanden sind, wird eine weitere Leistungsüberhöhung eingestellt oder auf Nennbelastung des Durchlauferhitzers begrenzt. Die Nennbelastbarkeit kann ebenfalls über den Codierer 3 an den elektronischen Durchlauferhitzer übertragen werden. Damit wird ein Durchlauferhitzer mit einer sehr hohen Leistung auf eine unter der Maximalleistung liegende neue zulässige Nennleistung begrenzt.

Claims

Verfahren zur Beheizung eines elektrischen Warmwasserbereiters mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung und mindestens einem Heizkörper, der über Schalter mit einer elektrischen Zuleitung eines Stromnetzes verbunden ist, die eine zulässige elektrothermische Belastbarkeit aufweist, enthaltend die Verfahrensschritte einer Leistungserhöhung des Warmwasserbereiters über die Nennbelastbarkeit der elektrischen Zuleitung (8) hinaus, wobei eine zulässige Überschreitung der Nennbelastbarkeit fortlaufend ermittelt und von der Steuer- und Regeleinrichtung durch Leistungsanpassung am Heizkörper eingestellt wird, und dass sichergestellt wird, dass die zulässige Überschreitung der Nennbelastbarkeit im Rahmen der zulässigen elektrothermischen Belastung der Zuleitung bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend eine Differenzbildung zur Bestimmung eines Wertes der aktuell zulässigen Überschreitung der Nennbelastbarkeit, gebildet aus der tatsächlichen Belastung der elektrischen Zuleitung (8) und der zulässigen Überschreitung der Nennbelastbarkeit.
Verfahren nach Anspruch 2, enthaltend eine Begrenzung der Leistungserhöhung am Heizkörper (6), wenn der Wert der zulässigen Überschreitung der Nennbelastbarkeit größer/gleich Null ist.
Verfahren nach Anspruch 3, enthaltend eine Begrenzung der Leistung am Heizkörper (6) auf die Nennleistung der elektrischen Zuleitung (8) oder darunter.
Verfahren nach Anspruch 4, enthaltend eine zeitlich begrenzte Unterschreitung der Nennleistung der elektrischen Zuleitung (8).
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend einen Korrekturwert, mit dem die zulässige Überschreitung der Nennbelastbarkeit korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, enthaltend eine Erfassung einer Sicherheitsabschaltung der elektrischen Zuleitung (8), wodurch der Wert der zulässigen Überschreitung vermindert wird.
Elektrischer Warmwasserbereiter, insbesondere Durchlauferhitzer, Warmwasserspeicher oder Kochendwassergerät, mit mindestens einem Heizkörper, mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung und mit einer elektrischen Zuleitung, die eine zulässige elektrothermische Belastbarkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften der elektrischen Leitung (8) mit einem Codierer (3) oder über ein Display in den Warmwasserbereiter (1) eingegeben und in einem Speicher gespeichert werden, und dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (5) einen Mikroprozessor aufweist, in dem die Leistung des Warmwasserbereiters (1) während einer Benutzungsperiode erfasst und abhängig von der Zeit der Wert der zulässigen Überschreitung der Nennbelastbarkeit ermittelt wird.
Elektrischer Warmwasserbereiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Heizkörpers (6) innerhalb seiner zulässigen Belastbarkeit und über der Nennbelastbarkeit der elektrischen Zuleitung (8), jedoch innerhalb der zulässigen Überschreitung der Nennbelastbarkeit betrieben ist, wenn eine entsprechende Leistungsanforderung an den Warmwasserbereiter (1) vorliegt und der Wert größer/gleich Null ist.
Durchlauferhitzer, angeschlossen an ein Stromnetz mit einer elektrischen Zuleitung mit einer Steuerungs- oder Regeleinrichtung, einem Heizkörper der über eine Leistungselektronik mit Strom versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- oder Regeleinrichtung (2) einen Wert für die tatsächliche elektrothermische Belastung der elektrischen Zuleitung (8) ermittelt und mit einer Steuerung (2) verbunden ist, die einen Wert für die zulässige Belastung einer Überschreitung der Nennbelastbarkeit vorgibt, und dass ein Vergleicher (11) für den Wert im Durchlauferhitzer (1) vorhanden ist.
Elektronisch gesteuerter Durchlauferhitzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Codierer (3) mit der Steuerungs- oder Regeleinrichtung (2) verbunden ist, mit dem eine Nennheizleistung unter einer durch den Widerstand des Heizkörpers (6) vorgegebenen Leistung am Durchlauferhitzer (1) eingestellt ist.