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Die
Erfindung betrifft ein Regelverfahren zur Regelung eines Heizsystems
mit einem entlang einer Zirkulationsstrecke zirkulierenden Medium
nach Patentanspruch 1 und ein Heizverfahren zum Heizen, insbesondere
zum Heizen mittels eines Heizsystems wie einem Gasbrenner nach Anspruch
2.
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Zudem
betrifft die Erfindung die Verwendung von mobilen Sensoren zur Messung
mindestens eines Zustands des Mediums an mindestens zwei unterschiedlichen
Orten innerhalb der Zirkulationsstrecke nach Anspruch 4.
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Allgemein
bekannt sind Vorrichtungen und Verfahren für Heizsysteme, bei denen statische
Sensoren verwendet werden, um mindestens einen Zustand eines zirkulierenden
Mediums zu erfassen. Mittels statischer Sensoren lassen sich nur
Aussagen zu Systemzuständen
des Mediums an dem jeweiligen Ort des entsprechenden Sensors treffen.
Aussagen über
Systemzustandsänderungen
oder über
Zustände
an unterschiedlichen Orten lassen sich mittels eines statischen
Sensoren nicht treffen. Sollen Zustände an unterschiedlichen Orten
erfasst werden, so sind hier mehrere Sensoren vorzusehen.
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Aus
der
US 6 745 833 B2 ist
ein Messverfahren zur Erfassung mindestens eines Zustands eines zirkulierenden
Mediums bekannt, bei dem ein mobiler Sensor an einem ersten Ort
innerhalb der Zirkulationsstrecke eingebracht wird und mindestens
ein Zustand des zirkulierenden Mediums an dem ersten Ort erfasst
wird. Danach wird der mobile Sensor an einen zweiten Ort innerhalb
der Zirkulationsstrecke bewegt und erfasst mindestens einen Zustands
des zirkulierenden Mediums an dem zweiten Ort oder nach Umlauf wieder
am ersten Ort.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren
zu schaffen, mit welchen bei Heizsystemen Zustände eines Mediums an verschiedenen
Orten, insbesondere auch Zustandsänderungen des Mediums, erfasst
werden können und
entsprechend ein Heizsystem geregelt und/oder geheizt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dies
mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 2, 3 und 4 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Das
Regelverfahren zur Regelung eines Heizsystems ist dadurch gekennzeichnet,
dass zur Regelung eines Heizsystems mit einem entlang einer Zirkulationsstrecke
zirkulierenden Medium die Schritte umfasst sind: Messen mindestens
eines Zustands des zirkulierenden Mediums an mindestens zwei unterschiedlichen
Orten der Zirkulationsstrecke und Regeln mindestens einer Stellgröße zur Einstellung einer
Heiz- oder Kühlleistung
des Heizsystems anhand des gemessenen Zustands an den mindestens zwei
unterschiedlichen Orten. Durch das verbesserte Regelverfahren lässt sich
eine optimierte Systemauslegung und Systemparametrisierung realisieren.
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Somit
werden in die Zirkulationsstrecke mehrere mobile Sensoren, die sich
bevorzugt mit dem zirkulierenden Medium mitbewegen, eingebracht.
Die Sensoren speichern mehrere Zustände des Mediums und kommunizieren
diese gespeicherten Zustände an
eine Kommunikationseinrichtung. Durch die mobilen Sensoren lassen
sich insbesondere Zustandsänderungen über eine
Veränderung
des Ortes und/oder der Zeit aufzeichnen und übermitteln. Zum Beispiel können die
Verteilung und die Geschwindigkeit in unterschiedlichen Zirkulationsstrecken
bedeutend sein. Auf diese Weise lassen sich eine optimierte Regelung
und/oder ein optimiertes Heizen des Heizsystems realisieren.
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Unter
Einbringen eines Sensors an einen ersten Ort wird im Sinne der Erfindung
sowohl ein erstmaliges Einsetzen des Sensors in die Zirkulationsstrecke,
als auch ein Bewegen des bereits eingesetzten Sensors an den ersten
Ort verstanden. Ein Bewegen des Sensors kann sowohl aktiv als auch passiv
erfolgen.
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Das
Heizverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Heizen, insbesondere
zum Heizen mittels eines Heizsystems wie zum Beispiel mit einem fossil
befeuerten und/oder mit regenerativer Energie betriebenen Heizgerät, die Schritte
umfasst sind: Regeln des Heizsystems nach dem erfindungsgemäßen Regelverfahren
und geregeltes Heizen, basierend auf der Einstellung mindestens
einer Stellgröße. Aufgrund
der verbesserten Regelung lässt
sich ein optimiertes Heizen insbesondere in Abhängigkeit von Zustandsänderungen
des zirkulierenden Mediums realisieren. Durch die optimierte Regelung
lassen sich Heizkosten senken.
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Der
Sensor kann ein aktiver oder passiver Sensor sein, insbesondere
in Bezug auf Bewegung, Kommunikation und/oder Speicherverhalten.
Dabei weist der Sensor bevorzugt eine Speichereinheit auf oder fungiert
direkt durch Material- oder Eigenschaftsänderung als Speicher, um mindestens
einen Zustand, bevorzugt mehrere Zustände des zirkulierenden Mediums
an unterschiedlichen Orten zu speichern. Unter einem aktiven Sensor
versteht man einen Sensor, der eine Kommunikationseinheit zum Übertragen
von Daten oder Informationen aufweist. Unter einem passiven Sensor
versteht man einen Sensor, der keine eigene Kommunikationseinheit zum
aktiven Übertragen
von Daten aufweist, sondern dessen Daten mittels externer Kommunikationseinheiten
ausgelesen werden können.
Weiter umfasst der Sensor eine Kommunikationseinheit, um den gespeicherten
Zustand oder die gespeicherten Zustände zu kommunizieren. Bevorzugt
ist der Sensor als Multi-Sensor ausgebildet, um mehrere unterschiedliche
Zustände
des Mediums zu erfassen, insbesondere physikalische, chemische und/oder
biologische Zustände
es Mediums. Diese können
bevorzugt sein: Fließgeschwindigkeit,
Fließbeschleunigung,
Druck, Temperatur, Sauerstoffgehalt, pH-Wert, Bakteriengehalt, Magnetfeld(-stärke), Ionisierung,
Lumineszenz und dergleichen. Der Sensor selbst kann veränderbar
ausgebildet sein, insbesondere hinsichtlich Position, Menge, Geschwindigkeit,
physikalischem Zustand, chemischem Zustand und/oder biologischem Zustand.
Zum Beispiel ist es denkbar, dass sich durch chemische Reaktionen
und/oder Anlagerungen das Molekulargewicht des Sensors ändert. Vorteilhafterweise
gehört
ein Sensor in die Gruppe der Mikromechanik und -elektronik sowie
der Nanomechanik und -elektronik. Bevorzugt ist der aktive Sensor
ein Nanobot, ein Micro-PCB, ein Micro-Flash(-Drive), ein RFID-tag
und/oder dergleichen. Passive Sensoren können dagegen bevorzugt chemische
Elemente, zum Beispiel Eisenpartikel, sein. Auch kommen dafür Bakterien
als biologische Sensoren in Frage.
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Das
Heizsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein erfindungsgemäßes Regel- und/oder Heizverfahren
umfasst. Mit dem verbesserten Regelverfahren lässt sich ein optimiertes Heizen realisieren.
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Verwendet
werden vorteilhafterweise als mobile Sensoren insbesondere aktive
und/oder passive mobile Sensoren wie dynamische Sensoren, physikalische
Sensoren, biologische Sensoren, chemische Sensoren, Nanobots, Micro-PCBs,
Micro-Flash(-Drives), RFID tags und dergleichen, innerhalb einer
von einem Medium, insbesondere einem Wärme speichernden Medium wie
Heizungswasser, Warmwasser, Kaltwasser, Brauchwasser, Sole, Luft und
dergleichen, durchströmten
Zirkulationsstrecke, wie Leitungen, Rohren, Mantelrohren, Wärmetauscher
und dergleichen, eines Heizsystems, zur Messung mindestens eines
Zustands des Mediums an mindestens zwei unterschiedlichen Orten
innerhalb der Zirkulationsstrecke.
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Mit
den erfindungsgemäßen Verfahren
und Vorrichtungen sowie der erfindungsgemäßen Verwendung wird eine verbesserte
Erfassung von Zuständen
des zirkulierenden Mediums innerhalb der Zirkulationsstrecke ermöglicht.
Insbesondere lassen sich Zustandsänderungen über unterschiedliche Orte der
Zirkulationsstrecke erfassen. Auf diese Weise ist eine dynamische
Messung, Regelung und Heizung möglich.
Das Heizen lässt
sich optimiert an die jeweiligen Bedürfnisse anpassen und es lässt sich
durch die verbesserte Leistung Energie sparen. Auch der biologische
Zustand kann verbessert werden, zum Beispiel im Hinblick auf mögliche Legionellenbildung. Weiterhin
ist eine Optimierung von Service und Wartung mit den erfindungsgemäßen Mitteln
und Maßnahmen
genauere Aussagen als mit bisher bekannten Messverfahren möglich.
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Die
Zeichnungen stellen zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:
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1 zeigt
schematisch einen Ausschnitt eines Heizsystems mit einer Zirkulationsstrecke
mit aktiven mobilen Sensoren,
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2 zeigt
schematisch einen Abschnitt der Zirkulationsstrecke nach 1,
in welchem sich aktive, mobile Sensoren mit einem zirkulierenden
Medium mitbewegen,
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3 zeigt
schematisch einen Ausschnitt eines Heizsystem mit einer Zirkulationsstrecke
mit passiven Sensoren als Marker und
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4 zeigt
schematisch einen Abschnitt der Zirkulationsstrecke nach 3,
in welchem sich passive Sensoren als Marker mit einem zirkulierendem Medium
mitbewegen.
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1 zeigt
schematisch einen Ausschnitt eines Heizsystems 1 mit einer
Zirkulationsstrecke 2 mit aktiven mobilen Sensoren 3.
Durch die Zirkulationsstrecke 2, die aus Rohrleitungen
gebildet ist, zirkuliert ein Medium, beispielsweise Wasser. Die
aktiven, mobilen Sensoren 3 sind schwimmend in dem zirkulierendem
Medium angeordnet und strömen
mit dem Medium mit. Die dargestellte Zirkulationsstrecke 2 durchläuft unter
anderem drei Abschnitte des Heizsystems 1: einen Wärmeerzeuger 4,
einen ersten Heizkreis 5 und einen zweiten Heizkreis 6 (betrachtet von
links nach rechts). Der untere Zuführ-Leitungsabschnitt 7 der
Zirkulationsstrecke 2 führt
das Medium mit den Sensoren 3 zu dem Wärmeerzeuger 4. Dort
durchläuft
die Zirkulationsstrecke 2 in Strömungsrichtung ein Sende- und/oder
Empfangsgerät bzw.
Auslesegerät 8,
welches mit den vorbeiströmenden
Sensoren 3, genauer mit der Kommunikationseinheit 9 der
Sensoren 3, kommuniziert. Dabei werden die in einem Speicher
des Sensors gespeicherten Daten, welche die erfassten Zustände des
Mediums repräsentieren,
kommuniziert, insbesondere ausgelesen. Auslesegerät 8 und
Kommunikationseinheit 9 bilden zusammen die Kommunikationseinrichtung 10.
Die Kommunikationseinrichtung 10 umfasst weiter die dem
Auslesegerät 8 nachgeschaltete Datenverarbeitungseinrichtung 11,
in welcher die kommunizierten Daten verarbeitete werden. Nach Durchlauf
durch den Wärmeerzeuger 4 führt die
Zirkulationsstrecke 2 zu dem ersten und dem zweiten Heizkreis 5, 6,
welche jeweils von der Zirkulationsstrecke 2 abzweigen.
Der erste Heizkreis 5 mündet
in dem Zuführ-Leitungsabschnitt 7 der
Zirkulationsstrecke 2, der zweite Heizkreis 6 mündet in
einem Rückfluss-Leitungsabschnitt 12 der
Zirkulationsstrecke. Entsprechend verzweigen auch die Sensoren 3.
In dem ersten Heizkreis 5 bewegen sich die Sensoren 3 durch
den Heizkreis und erfassen entsprechende Zustände in dem ersten Heizkreis 5.
In dem zweiten Heizkreis 6 bewegen sich die Sensoren 3 analog durch
den zweiten Heizkreis 6 und erfassen dort Zustände des
Mediums. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Sensoren 3 passiv
durch das strömende
Medium bewegt. Insbesondere sind hier die Sensoren 3 als
aktive Sensoren 3 ausgebildet, welche Daten über die
Temperatur, den pH-Wert, die Durchflussgeschwindigkeit, die Durchflussmenge,
das Druckverhältnis
etc. des Mediums entlang der Zirkulationsstrecke 2 sammeln
und speichern. Die erfassten Daten werden durch die Kommunikationseinheit 9 der
aktiven Sensoren 3 entweder direkt an eine hier nicht dargestellte
Regelungseinrichtung oder an das Auslesegerät 8 übertragen.
Die Kommunikation kann insbesondere drahtlos erfolgen.
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2 zeigt
schematisch einen Abschnitt der Zirkulationsstrecke 2 nach 1,
in welchem sich aktive, mobile Sensoren 3 mit einem zirkulierenden Medium
mitbewegen. Dargestellt sind vier aktive Sensoren 3, die
sich jedoch hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft unterscheiden.
Die vier Sensoren 3a–3d sind
je nach Einsatzweck ausgebildet und können hinsichtlich ihrer Eigenschaften,
der zu messenden Zustände
und dergleichen unterschiedlich ausgebildet sein. Die Zirkulationsstrecke 2 ist
bevorzugt als kreisrohrförmige
Leitung ausgebildet. In den Sensoren ist jeweils eine Kommunikationseinheit 9 untergebracht,
um die erfassten Daten zu kommunizieren. Der ebenfalls in den Sensoren 3 untergebrachte
Speicher ist nicht dargestellt.
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3 zeigt
schematisch einen Ausschnitt eines Heizsystem 101 mit einer
Zirkulationsstrecke 102 mit passiven Markern 103 (oder
auch passiven Sensoren 103). Die Zirkulationsstrecke 102 ist
im Wesentlichen gleich zu der Zirkulationsstrecke 2 gemäß 1 ausgebildet.
Das Heizsystem 101 weist im Wesentlichen die drei gleichen
Abschnitte wie das Heizsystem 1 in 1 auf, nämlich einen
Wärmeerzeuger 104,
einen ersten Heizkreis 105 und einen zweiten Heizkreis 106 (betrachtet
von links nach rechts). Die Marker 103 sind als Mikroelemente
mit physikalischen und/oder chemischen und/oder biologischen Eigenschaften
ausgebildet, zum Beispiel als Magnet, als Metall, als Katalysator,
als Lichtelement, als RFID etc., also allgemein als passiver Sensor.
Die Marker 103 senden selbst keine Daten aus. Stattdessen
sind Auslesegeräte 108 bzw.
Kommunikationseinheiten 109 entlang der Zirkulationsstrecke 102 vorgesehen,
welche die Daten aus dem Speicher der Sensoren 103 auslesen.
Falls die Sensoren selbst keine Zustandsänderungen aufweisen, können deren
Menge und/oder Geschwindigkeit ausgewertet werden. Die Kommunikationseinheit 109 befindet sich
anders als in 1 nicht in dem Sensor 3,
sondern ist extern an diskreten Orten entlang der Zirkulationsstrecke 103 angeordnet.
Eine erste Kommunikationseinrichtung 109a befindet sich
eingangs des Wärmeerzeugers 104 und
eine zweite Kommunikationseinrichtung 109b ausgangs der
Wärmeerzeugers 104.
Verbunden sind die beiden Kommunikationseinrichtung 109a und 109b mit
einer dazwischen geschalteten Datenverarbeitungseinrichtung 111.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 111 verarbeitet die ausgelesenen
Daten und/oder überträgt diese
an eine zentrale Regeleinrichtung (hier nicht dargestellt). Weitere
Kommunikationseinheiten 109c–109h befinden sich
vor und hinter jeder Abzweigung der Zirkulationsstrecke 102,
um dort entsprechende Daten auszulesen. Die einzelnen Kommunikationseinheiten 109 können miteinander
kommunizieren. Hierzu sind entweder Datenübermittlungsleitungen 112 zwischen
unterschiedlichen Kommunikationseinheiten 109 vorgesehen
oder die Kommunikation erfolgt drahtlos, zum Beispiel per Funk,
Infrarotlicht, etc. Die Kommunikationseinheiten 109 lesen
insbesondere physikalische oder chemische Veränderungen der Marker wie zum
Beispiel Veränderungen
in dem Magnetfeld, der Ionisation, dem pH-Wert, der Lumineszenz
etc. der Marker 103 aus. Sie bestimmen Masse, Anzahl und/oder
Geschwindigkeit der Marker 103.
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4 zeigt
schematisch einen Abschnitt der Zirkulationsstrecke 102 nach 3,
in welchem sich passive Marker 103 mit einem zirkulierendem
Medium mitbewegen. Dargestellt sind sechs Marker 103 welche
sich entlang der dargestellten Pfeile mit dem Medium mitbewegen
und die Zirkulationsstrecke 102 durchströmen. Umfänglich um
die hier kreisrohrförmig
dargestellte Zirkulationsstrecke 102 ist eine Kommunikationseinheit 109 angeordnet,
welche die Daten der an der Kommunikationseinheit 109 vorbeiströmenden Marker 103 ausliest.
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Zusammenfassend
kann die Erfindung wie folgt beschrieben werden: Mobile Sensoren
werden dem sich im System befindenden Medium (Heizungswasser/Warmwasser/Luft)
zentral zugeführt und
zirkulieren dann darin. Es sind zwei grundsätzliche Arten von Sensoren
verwendbar: aktive und/oder passive Sensoren. Passive Sensoren (bzw.
Marker) fungieren wie folgt: Während
die passiven Sensoren im System zirkulieren erfahren Sie, bedingt
durch physikalische, chemische oder biologische Systemparameter
(wie z. B. Fließgeschwindigkeit,
-beschleunigung, Druck, Temperatur, Sauerstoffgehalt, pH-Wert, Bakteriengehalt
wie z. B. von Legionellen, Magnetfeld, Ionisierung, Lumineszenz
etc.) eine Änderung
ihrer Position, Menge, Geschwindigkeit oder Ihres physikalischen,
chemischen oder biologischen Ausgangszustandes. Passive Sensoren
können
entweder im gesamten System von außen detektiert werden oder
ihr Zustand bzw. ihre Daten können
an einer oder mehreren stationären
Messstellen ausgelesen werden, wenn Sie daran vorbeikommen.
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Aktive
Sensoren fungieren wie folgt: Aktive Sensoren können physikalische, chemische
oder biologische Daten im System sammeln und diese entweder von
ihrer jeweiligen Position aktiv senden oder beim Passieren einer
Kommunikationseinheit ihre Daten aktiv oder passiv auslesen lassen.
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Die
erfassten und übertragenen
Daten können
beispielsweise in einem Service-Tool für Installateure und Heizungsbauer
verwendet werden, um aktuelle Systemzustände zu diagnostizieren und
darzustellen. Diese können
zur Optimierung der Systemauslegung und -parameter eingesetzt werden.
Die Daten können
auch im Heizgerät
oder Regler verwendet werden, um Regelungsalgorythmen anzupassen,
z. B. auch selbstlernend. Der Einsatz mobiler, sich im Heizungsnetz
befindlicher Sensoren hat weiterhin den Vorteil, dass keine Rohre
und Wände mehr
aufgetrennt werden müssen,
um Aussagen über
dezentrale Systemorte erhalten zu können.