DE102009004319A1

DE102009004319A1 - Verfahren, Computerprogramm und Regelgerät für einen temperaturbasierten hydraulischen Abgleich

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Publication number: DE102009004319A1
Application number: DE102009004319A
Authority: DE
Inventors: Henry Klein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-10
Filing date: 2009-01-10
Publication date: 2010-07-22

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Heizungs- oder Kühlanlage vorgeschlagen, bei dem die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf bzw. nur die Rücklauftemperatur geregelt wird, so dass ein temperaturbasierter hydraulischer Abgleich jedes Wärmetauschers eines Heizungs- oder Kühlsystems erfolgt und dieser Abgleich bei Änderungen des Betriebszustandes stets neu eingestellt und optimiert wird.

Description

Das am weitesten verbreitete Heizungssystem im Gebäudebestand ist die sogenannte Zentralheizung, bei der ein Wärmeerzeuger über eine Vorlaufleitung verschiedenste Wärmeverbraucher, in aller Regel Heizkörper, mit Wärme versorgt. Dabei kühlt sich der Wärmeträger, in aller Regel Wasser, im Wärmeverbraucher ab und gelangt in einer Rücklaufleitung wieder zum Wärmeerzeuger.
Insbesondere moderne Wärmeerzeuger, die mit der sogenannten Brennwerttechnik ausgerüstet sind, benötigen möglichst geringe Rücklauftemperaturen, um den Brennstoff bestmöglich auszunutzen.
Nur wenn die Rücklauftemperatur unter 50°C absinkt, kann der in den Rauchgasen enthaltene Wasserdampf kondensieren und die dabei frei werdende Kondensationswärme zur Wärmeerzeugung genutzt werden.
Da die verschiedenen Heizkörper in verschiedenen Räumen eines Gebäudes angeordnet sind, sind die hydraulischen Verhältnisse für jeden Heizkörper unterschiedlich. Um diese Unterschiede auszugleichen, ist es seit langem bekannt und sogar vom Gesetzgeber vorgeschrieben, bei neu in Betrieb genommenen Heizungsanlagen einen sogenannten hydraulischen Abgleich der Wärmeverbraucher vorzunehmen.
Dieser nachfolgend als statischer hydraulischer Abgleich bezeichnete Vorgang besteht darin, am Vorlauf oder am Rücklauf, das heißt am Eintritt bzw. am Austritt des Heizwassers in den Heizkörper, eine einstellbare Blende oder Drossel so einzustellen, dass der Volumenstrom durch den Heizkörper begrenzt wird und infolgedessen die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur an jedem Heizkörper ausreichend groß wird und sich an allen Heizkörpern eines Gebäudes eine annähernd gleich große Temperaturspreizung einstellt.
Dieser statische hydraulische Abgleich ist durchaus sinnvoll, hat allerdings den prinzipiellen Nachteil, dass trotz sorgfältiger Arbeit nur für einen bestimmten Betriebszustand des Heizungssystems ein korrekter und damit zu einer effizienten Wärmeerzeugung beitragender hydraulischer Abgleich eingestellt werden kann. Sobald beispielsweise von zehn Heizkörpern eines Heizungssystems zwei Heizkörper abgeschaltet werden, indem das Thermostatventil schließt oder zugedreht wird, ändern sich die hydraulischen Verhältnisse im System, so dass der statische hydraulische Abgleich nur noch suboptimal ist.
Die Temperaturregelung in den Räumen erfolgt seit Jahrzehnten durch sogenannte Thermostatventile. Diese Thermostatventile umfassen ein Stromventil, mit dessen Hilfe der Volumenstrom des Wärmeträgers von der Vorlaufleitung bzw. Rücklaufleitung in den Heizkörper begrenzt oder sogar auf Null reduziert werden kann. Betätigt wird dieses Stromventil durch ein Dehnstoffelement, welches in Abhängigkeit der Raumtemperatur ein mehr oder weniger großes Volumen hat. Mit zunehmender Raumtemperatur steigt das Volumen des Dehnstoffelements. Durch diese Volumenänderung wird eine Stellbewegung ausgeführt, die auf das Stromventil wirkt und dieses mehr oder weniger weit öffnet beziehungsweise schließt.
Diese Thermostatventile sind so ausgelegt, dass das Dehnstoffelement beim Erreichen der eingestellten Raumtemperatur, von beispielsweise 21°C, die volle Stellbewegung ausgeführt hat, so dass idealerweise das Stromventil geschlossen ist. Sobald die Raumtemperatur unterhalb des Sollwerts der Raumtemperatur absinkt, zieht sich das Dehnstoffelement zusammen, und infolgedessen wird das Stromventil mehr oder weniger weit etwas geöffnet und der Volumenstrom durch den Heizkörper erhöht. Dadurch steigt die Heizleistung des Heizkörpers und mit ihr die Raumtemperatur, bis sie den gewünschten Sollwert erreicht hat. Daraufhin nimmt das Volumen des Dehnstoffelements wieder zu und schließt das Stromventil.
Um den Raumwärmebedarf eines Gebäudes weiter abzusenken, ist es bekannt, eine sogenannte Einzelraumregelung vorzusehen. Eine solche Einzelraumregelung kann beispielsweise eine Zeitsteuerung umfassen, die dafür sorgt, dass in den Zeiten zu denen ein Raum benutzt wird auch die gewünschte Raumtemperatur von beispielsweise 21°C erreicht wird. Zu allen anderen Zeiten, das heißt beispielsweise nachts oder am Wochenende, wenn es sich bei dem Raum um einen Büroraum handelt, wird die Raumtemperatur abgesenkt, so dass der Wärmebedarf reduziert wird. Diese Temperaturabsenkung kann beispielsweise durch Thermostatventile bewirkt werden, bei denen zwischen dem Dehnstoffelement und dem Stromventil ein in seiner Länge veränderbares Zwischenglied angeordnet ist, das beispielsweise über einen elektrischen Stellmotor angesteuert werden kann. Durch dieses in seiner Länge verstellbare Zwischenglied, das die Funktion des zusätzlichen Stellglieds hat, ist es möglich, das Stromventil zu Zeiten der Nachtsabsenkung gezielt etwas weiter zu schließen, so dass der Volumenstrom durch den Heizkörper und infolgedessen auch die Heizleistung des Heizkörpers reduziert wird.
Ein solches Thermostatventil mit zusätzlichem Stellglied ist aus der DE 10 2006 006 999 B3 bekannt. In diesem Patent wird ein Thermostatventil mit Stellmotor beschrieben, welches zur Steuerung des Stromventils eingesetzt werden kann. Dabei überlagert sich die Stellbewegung des Dehnstoffelements und des Stellglieds, weil die Stellbewegung des Dehnstoffelements über ein in seiner Länge veränderbares Zwischenglied auf das Stromventil übertragen wird. Der Stellantrieb ist nun wiederum in der Lage, die Länge des Zwischenglieds zu verändern und dadurch eine überlagerte Steuerung des Stromventils zu ermöglichen.
Bei diesem Thermostatventil wird das Stellglied in Abhängigkeit von einer Zeitschaltuhr angesteuert. Dies bedeutet, dass in den Zeiten, in denen der Raum genutzt wird und deswegen die Solltemperatur erreicht werden soll, das Zwischenglied auf seine minimale Länge gebracht wird, indem ein elektrischer Motor entsprechend angesteuert und betätigt wird. In den Zeiten, in denen eine Temperaturabsenkung stattfinden soll, wird die Länge des Zwischenglieds auf den Höchstwert gebracht und infolgedessen das Stromventil etwas weiter geschlossen. Diese Temperaturabsenkung ist ohne Zweifel ein sehr wirksames Mittel, um den Wärmebedarf eines Gebäudes abzusenken.
Allerdings ist häufig zu beobachten, dass auch in modernen Gebäuden mit modernsten Heizanlagen der hydraulische Abgleich nicht zufriedenstellend funktioniert und infolgedessen der Nutzungsgrad der Heizungsanlage deutlich schlechter als möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, ein Regelgerät und ein Computerprogramm bereitzustellen, welche einen hydraulischen Abgleich ermöglichen, der automatisch, das heißt ohne Personalaufwand, vorgenommen werden kann und der sich außerdem an wechselnde Verbrauchssituationen und infolgedessen wechselnde hydraulische Bedingungen im Heizsystem kontinuierlich und flexibel anpasst.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Durchführung des hydraulischen Abgleichs der Wärmeverbraucher, insbesondere der Heizkörper, einer Zentralheizung, wobei jeder Heizkörper über eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung hydraulisch an die Zentralheizung angeschlossen ist, und wobei zwischen Vorlaufleitung beziehungsweise Rücklaufleitung und Heizkörper jeweils ein Thermostatventil mit steuerbarem Volumenstrom angeordnet ist, dadurch gelöst, dass mindestens die Rücklauftemperatur in der Rücklaufleitung am Austritt aus dem Heizkörper erfasst wird und dass der Volumenstrom durch den Heizkörper in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur geregelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, den Volumenstrom durch den Heizkörper so zu regeln, dass die gewünschte Rücklauftemperatur des Wärmeträgers am Austritt aus dem Heizkörper erreicht beziehungsweise nicht überschritten wird. Dies hat zur Folge, dass unabhängig von den anderen Wärmeverbrauchern jeder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren überwachte Heizkörper so betrieben wird, dass die Temperatur des Wärmeträgers am Austritt aus dem Heizkörper unabhängig von den wechselnden hydraulischen Verhältnissen im System nicht höher als die gewünschte und für den Betrieb des Heizungssystems optimale Rücklauftemperatur ist.
Durch das erfindungsgemäße automatisierte und weitestgehend vom Betriebszustand der Heizkörper unabhängige Einstellen auf eine gewünschte Rücklauftemperatur ist es möglich, die Vorzüge eines Brennwertkessels bestmöglich auszunutzen und infolgedessen die Effizienz des Heizungssystems signifikant zu steigern.
Dabei ist darauf hinzuweisen, dass dies ohne jegliche Komforteinbußen erfolgt, da die Rücklauftemperatur auf den Wert eingeregelt wird, der bei der Auslegung des Heizungssystems als Rücklauftemperatur zugrundegelegt wurde. Dies bedeutet nichts anderes, als dass das Heizungssystem im Auslegungspunkt betrieben wird und infolgedessen die anderen Komponenten des Heizungssystems, wie beispielsweise die Umwälzpumpe und der Wärmeerzeuger, unter optimalen Bedingungen arbeiten können.
Es hat sich bei praktischen Versuchen herausgestellt, dass durch den erfindungsgemäßen dynamischen hydraulischen Abgleich Energieeinsparungen von deutlich über 10% verglichen mit einer nur statisch hydraulisch abgeglichenen Zentralheizung realisiert werden können.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, aus der Rücklauftemperatur und einem Sollwert der Rücklauftemperatur eine Regeldifferenz zu bilden, und den Volumenstrom durch den Heizkörper in Abhängigkeit der Regeldifferenz zu steuern.
Dadurch ist es möglich, einen herkömmlichen oder einen einfachen Regler zur Steuerung des Volumenstroms einzusetzen. Für die Rücklauftemperatur wird ein Soll-Wert vorgegeben, der anhand des Ist-Werts über das vorbeschriebene Zwischenglied den Volumenstrom derart beeinflusst, dass der Soll-Wert nicht überschritten wird.
Diese reine Rücklauftemperaturbegrenzung ist kein vollständiger dynamischer hydraulischer Abgleich, sondern ist ein eingeschränkter dynamischer hydraulischer Abgleich, da nur eine Regelgröße herangezogen wird und beim Unterschreiten des Sollwerts der Volumenstrom nicht mehr gedrosselt wird. Dennoch ist schon damit eine Optimierung des Systems hinsichtlich der maximalen Rücklauftemperatur und damit die Ausnutzung von zum Beispiel der Brennwerttechnik möglich.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich zu der Erfassung der Rücklauftemperatur auch noch die Vorlauftemperatur erfasst, die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur ermittelt und aus der Temperaturdifferenz und einem Sollwert der Temperaturdifferenz eine Regeldifferenz gebildet. Der Volumenstrom durch den Heizkörper wird erfindungsgemäß in Abhängigkeit dieser Regeldifferenz angepasst beziehungsweise gesteuert.
Dadurch ist es möglich, die Temperaturspreizung am Heizkörper, die bei der Auslegung des Heizungssystems vorgegeben wird, unabhängig von dem Betriebszustand anderer Wärmeverbraucher und sonstiger Einflussgrößen einzuregeln, das heißt konstant zu halten. Dadurch ist es möglich, den Nutzungsgrad der Zentralheizung weiter zu verbessern.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, eine Außentemperatur, das heißt die Temperatur der das Gebäude umgebenden Luft, zu erfassen beziehungsweise anhand der Vorlauftemperatur rechnerisch zu ermitteln und für die Steuerung des Volumenstroms durch den Heizkörper zu nutzen.
Schließlich ist es auch möglich, die Raumtemperatur in dem Raum mittels eines Temperaturfühlers – als Ersatz für das Dehnstoffelement – zu erfassen und den Volumenstrom durch den Heizkörper in Abhängigkeit der Raumtemperatur zu steuern. Aus dem ursprünglichen Zwischenglied wird somit der alleinige Stellantrieb, der alle Regelfunktionen auf das Stromventil einwirken lässt. Somit kann das Dehnstoffelement entfallen und in einem Regler wird nicht nur die Rücklauftemperatur und optional auch die Vorlauftemperatur erfasst und ausgewertet, sondern auch noch die Raumtemperatur erfasst und in dem Regelalgorithmus entsprechend berücksichtigt. Dadurch kann der Aufbau des Thermostatventils vereinfacht werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls durch ein Computerprogramm und ein Steuer- und Regelgerät gelöst, welche nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, der Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Zeichnung
Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung eines Zentralheizungssystems;
2 bis 5 Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Heizkörperanschlüsse und
6 und 7 weitere Ausführungsbeispiele.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt stark schematisiert und auf das wesentliche reduziert eine Zentralheizung mit einem Wärmeerzeuger WE, einer Vorlaufleitung VL, einer Rücklaufleitung RL und mehreren Heizkörpern HK₁ bis HK_n. Der Heizkörper HK₁ ist gegenüber den anderen Heizkörper HK₂ bis HK_n etwas vergrößert und detaillierter dargestellt.
Der Heizkörper HK₁ ist in einem Raum angeordnet, in dem eine Temperatur T_Raum herrscht. Außerhalb eines Gebäudes 1, in dem sich die gesamte Heizanlage befindet, herrscht eine Außentemperatur T_amb. Dort wo die Vorlaufleitung VL in den Heizkörper HK₁ mündet, ist ein in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnetes Thermostatventil angeordnet. Das Thermostatventil 3 setzt sich aus einem verstellbaren Stromventil 5 und einem Dehnstoffelement 7 zusammen. Das Dehnstoffelement 7 arbeitet, wie hinlänglich bekannt, mit einer Füllung, deren Volumen von der Temperatur des Dehnstoffelements 7 abhängt. Da sich das Dehnstoffelement 7 in dem gleichen Raum wie der Heizkörper HK₁ befindet, folgt die Temperatur des Dehnstoffelements 7 der im Raum herrschenden Temperatur T_Raum. Über die Volumenänderungen des Dehnstoffelements 7, die durch Änderungen der Raumtemperatur T_Raum verursacht sind, wird eine Stellbewegung auf das Stromventil 5 ausgeübt. Diese Stellbewegung ist in 1 durch einen Pfeil 9 angedeutet. Wenn also beispielsweise das Dehnstoffelement 7 beziehungsweise das Thermostatventil 3 auf eine Solltemperatur von 21°C eingestellt ist, dehnt sich das Dehnstoffelement 7 bei einer Raumtemperatur T_Raum größer oder gleich 21°C aus und verringert den freien Strömungsquerschnitt im Stromventil 5, so dass der Volumenstrom des Wärmeträgers, der durch die Vorlaufleitung VL und den Heizkörper HK₁ strömt, verringert wird. Sobald die Raumtemperatur T_Raum unter die am Thermostatventil 3 eingestellten Solltemperatur sinkt, nimmt das Volumen des Dehnstoffelements 7 ab und das Stromventil 5 wird wieder etwas weiter geöffnet.
Das in 1 dargestellte Thermostatventil 3 weist über diese Standardfunktion eines Thermostatventils hinaus noch ein Stellglied 11 auf, das zwischen dem Dehnstoffelement 7 und dem Stromventil 5 angeordnet ist. Das Stellglied 11 kann beispielsweise als elektrisch angetriebenes Stellglied gemäß der DE 2006 006 999 B3 ausgebildet sein. Dieses aus dem Stand der Technik bekannte Stellglied weist ein Zwischenglied (nicht dargestellt) auf, das zwischen dem Dehnstoffelement 7 und dem Stromventil 5 angeordnet ist. Dieses Zwischenglied kann beispielsweise durch Betätigen eines Elektromotors in seiner Länge verändert werden, so dass der Stellbewegung (siehe Pfeil 9) des Dehnstoffelements 7 eine Stellbewegung des Stellglieds 11 überlagert werden kann.
Bei dem aus der DE 10 2006 006 999 B3 bekannten Thermostatventil wird als Führungsgröße für das Stellglied 11 eine Zeitschaltuhr eingesetzt. Dies ist durch eine gestrichelte Linie und ein vereinfacht dargestelltes Diagramm, welches die Raumtemperatur T über der Zeit t darstellt, angedeutet. Eine solche Zeitsteuerung sieht vor, in den Zeiten in denen der Raum benutzt wird, von dem Thermostatventil 3 vorgegebenen Sollwert der Raumtemperatur von beispielsweise 21°C unverändert zu lassen. In den Zeiten, in denen der Raum nicht benutzt wird, beispielsweise bei einem Büroraum während der Nacht und an arbeitsfreien Tagen, wird die Raumtemperatur abgesenkt, was in dem stilisierten Diagramm angedeutet ist.
Um diese Temperaturabsenkung zu realisieren, wird das Stellglied 11 von der zugehörigen Steuerung entsprechend angesteuert und zwar so, dass sich die Länge des Zwischenglieds im Stellglied 11 vergrößert und infolgedessen der Stellbewegung des Dehnstoffelements eine zusätzliche Stellbewegung des Stellglieds 11 überlagert wird. Infolgedessen wird das Stromventil 5 weiter geschlossen, der Volumenstrom durch den Heizkörper HK₁ nimmt ab und infolgedessen auch die Heizleistung des Heizkörpers HK. In weiterer Folge stellt sich dadurch eine reduzierte Raumtemperatur T_Raum ein, die dazu beiträgt, die Wärmeverluste des Gebäudes zu verringern.
Soweit ist in 1 ein Heizungssystem nach dem Stand der Technik dargestellt. Ausgehend von einem solchen Heizungssystem werden nun anhand der 2 bis 5 Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren zur Durchführung des hydraulischen Abgleichs der Heizkörper einer Zentralheizung erläutert.
In 2 ist der Heizkörper HK mit dem Thermostatventil 3 umfassend ein Stromventil 5, ein Dehnstoffelement 7 und ein Stellglied 11 in der Vorlaufleitung VL am Eintritt in den Heizkörper HK angeordnet. Das Stellglied 11 wird über eine gestrichelt dargestellte Signalleitung 15 von einem erfindungsgemäßen Regel- und/oder Steuergerät 13 angesteuert, welches auch in das Stellglied 11 integriert sein kann. An der Rücklaufleitung RL ist in unmittelbarer Nähe des Rücklaufanschlusses des Heizkörpers HK ein erster Temperatursensor 17 angeordnet, der die Temperatur des Wärmeträgers im Rücklauf T_RL erfasst. Über eine zweite Signalleitung 19 wird das Ausgangssignal des ersten Temperatursensors 17 an das Steuer- und Regelgerät 13 übermittelt. Das Ausgangssignal T_RL des ersten Temperatursensors 17 ist eine Eingangsgröße des Regel- und Steuergeräts 13. Im vorliegenden Fall ist das Regel- und Steuergerät 13 so programmiert, dass es die Rücklauftemperatur T_RL auf einen Sollwert W_TRL einregelt. Dieser Sollwert W_TRL ist beispielsweise die Auslegungstemperatur des Heiznetzes, also zum Beispiel bei einem Heiznetz mit 70° Vorlauftemperatur und 50° Rücklauftemperatur im Auslegungspunkt ist W_TRL = 50°C. In dem Regel- und Steuergerät 13 wird die Differenz zwischen der Temperatur T_RL und der Führungsgröße W_TRL ermittelt und ein entsprechendes Ausgangssignal y_R über die in 2 dargestellte Signalleitung 15 an das Stellglied 11 übermittelt.
Entsprechend dem Ausgangssignal Y_R des Regel- und Steuergeräts 13 wird dadurch das Stellglied 11 in seiner Länge verändert und somit das Stromventil 5 mehr oder weniger weit geöffnet oder geschlossen. Dieser Regelvorgang findet immer dann statt, wenn es eine Abweichung zwischen der Temperatur T_RL und dem Sollwert der Rücklauftemperatur W_TRL gibt. Wichtig ist dabei, dass der Stellweg, der von der Vorlauftemperatur oder Rücklauftemperatur und/oder der Differenz zwischen diesen beiden Temperaturen ausgeht, nie mehr als beispielsweise 90% der Schließstellung des Stromventils 5 bewirkt. Dadurch wird ein gewisser Mindestdurchfluss sichergestellt, so dass die Temperaturen des Wärmeträgers am Eintritt und am Austritt in den Heizkörper gemessen werden können. Das vollständige Schließen des Stromventils 5 kann nur durch das Dehnstoffelement 7 (Raumthermostat), einen anderen Raumtemperaturfühler oder von einem von diesen Größen veranlassten Regelbefehl bewirkt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es somit möglich, die Rücklauftemperatur T_RL immer auf einen maximalen beziehungsweise konstanten Wert, wie zum Beispiel der Auslegungstemperatur des Heizungssystems, zu begrenzen. Somit kann zum Beispiel ein Brennwert-Wärmeerzeuger WE (siehe 1) optimal arbeiten.
Weitere Vorteile dieser erfindungsgemäßen Regelung sind die vergleichsweise große Temperaturspreizung zwischen Vorlauftemperatur T_VL und Rücklauftemperatur T_RL im Heizkörper HK und demzufolge ein vergleichsweise geringer Volumenstrom, der durch den Heizkörper HK strömt.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zu der Temperatur T_RL des Rücklaufs mit Hilfe eines zweiten Temperatursensors 21 die Vorlauftemperatur T_VL erfasst. Über eine Signalleitung 23 wird das Ausgangssignal des Temperatursensors 21, nämlich die Vorlauftemperatur T_VL, als weitere Eingangsgröße in das Regel- und Steuergerät 13 übertragen. Daraufhin wird in einem Komparator die Temperaturdifferenz ΔT gebildet. Diese Temperaturdifferenz wird mit einem Sollwert ΔT_Soll der Temperatur verglichen und daraus eine Regeldifferenz eΔT gebildet. Auf der Basis dieser Regeldifferenz eΔT wird ein Ausgangssignal y_R gebildet, mit dessen Hilfe das Stellglied 11 des Thermostatventils 3 angesteuert wird. Bei dieser Regelung werden die Vorlauftemperatur T_VL und die Rücklauftemperatur T_RL als Eingangsgröße für das Regel- und Steuergerät 13 herangezogen, so dass die Temperaturspreizung zwischen dem Vorlauf VL und dem Rücklauf RL stets auf einen konstanten Wert, bevorzugt die Auslegungstemperaturspreizung, eingeregelt werden kann. Auch hierdurch ergeben sich wieder optimale Betriebszustände des Heizungssystems, so dass der Wärmeerzeuger WE (siehe 1) optimal arbeiten kann und auch die sonstigen Wärmeverluste, beispielsweise in der Rücklaufleitung, aufgrund der optimierten Temperaturen minimiert werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass für jeden Heizkörper HK bis HK_n ein individueller hydraulischer Abgleich dahingehend erfolgt, dass die Rücklauftemperatur T_RL bei allen Heizkörpern eines Heizungssystems den gleichen Wert annimmt und somit die Rücklauftemperatur des Wärmeträgers in den Wärmeerzeuger WE minimal wird. Besonders vorteilhaft ist, dass dieser hydraulische Abgleich permanent erfolgt und dadurch Änderungen in den hydraulischen Verhältnissen der Zentralheizung automatisch kompensiert werden. Solche Änderungen können dadurch verursacht werden, dass beispielsweise wenn ein oder mehrere Heizkörper abgedreht werden, weil sich niemand in den zugehörigen Räumen aufhält. Es besteht auch die Möglichkeit, der Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf die Rücklauftemperatur zu überlagern, das heißt für die Rücklauftemperatur einen Maximalwert einzustellen, der nicht überschritten werden darf.
Die daraus resultierenden Änderungen in der Rücklauftemperatur T_RL werden für jeden Heizkörper HK bis HK_n individuell erfasst und durch das Regel- und Steuergerät 13, das für jeden Heizkörper HK bis HK_n vorhanden ist, individuell ausgeregelt, so dass sich nach einer kurzen Einschwingzeit erneut ein optimaler hydraulischer Abgleich einstellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist das Thermostatventil 3 dahingehend modifiziert, das dass Dehnstoffelement 7 entfällt und ausschließlich ein entsprechend modifiziertes Stellglied 11 oder ein anderer Stellantrieb zur Betätigung des Stromventils 5 eingesetzt wird. Bei dieser Konfiguration muss das Zwischenglied 11 oder ein alternativer Stellantrieb so bemessen sein, dass er das Stromventil 5 vollständig öffnen und schließen kann.
Das Regel- und Steuergerät 13 umfasst eine überlagerte Regelung, wobei zum einen, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 3 dargestellt und erläutert, die Temperaturspreizung zwischen Vorlauftemperatur T_VL und Rücklauftemperatur T_RL geregelt wird. Insoweit entspricht das Regel- und Steuergerät 13 gemäß 3 dem Regel- und Steuergerät gemäß 4. Zusätzlich ist jedoch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 noch ein dritter Temperatursensor 25 vorhanden, der die Raumtemperatur T_Raum erfasst und über eine Signalleitung 27 an das Regel- und Steuergerät 13 übermittelt. Im Regel- und Steuergerät wird die Raumtemperatur T_Raum mit einem Sollwert W_TRaum der Raumtemperatur verglichen und in eine entsprechende Regeldifferenz umgesetzt. Daraus resultiert eine Ausgangsgröße Y₂, die mit der Ausgangsgröße Y₁ der Regelung der Temperaturdifferenz ΔT zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur zu einer Reglerausgangsgröße Y_R zusammengefasst wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann auf das Dehnstoffelement verzichtet werden. Es ist lediglich ein Stellglied 11 vorhanden, das mit Hilfe einer überlagerten Regelung so angesteuert wird, dass einerseits die Raumtemperatur T_Raum, eingehalten wird und andererseits die Temperaturspreizung zwischen Vorlauf VL und Rücklauf RL dem vorgegebenen Wert eΔT entspricht.
In 5 ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dabei wird aus Gründen der Einfachheit das Ausführungsbeispiel gemäß 3 zugrundegelegt.
Das Ablaufdiagramm beginnt mit einem Startblock. In einem ersten Funktionsblock 31 werden die Temperaturen, hier die Rücklauftemperatur T_RL und die Raumtemperatur T_Raum, erfasst. In einem Vergleicher 33 wird daraufhin die Rücklauftemperatur T_RL mit dem Sollwert W_TRL verglichen. Entsprechendes gilt für die Raumtemperatur T_Raum, die mit dem Sollwert der Raumtemperatur T_Raum verglichen wird. Wenn beispielsweise die Rücklauftemperatur T_RL größer als der Sollwert W_tRL der Rücklauftemperatur ist, dann wird in einem zweiten Funktionsblock 35 das Stellglied 11 so angesteuert, dass das Stromventil 5 etwas weiter geschlossen wird. Auf diesem Wege kann das Stromventil 5 maximal zu 90% geschlossen werden, so dass immer noch ein kleiner Volumenstrom verbleibt.
Wenn die Raumtemperatur T_Raum kleiner als der Sollwert W_TRaum ist, dann bleibt das Stromventil 5 in der in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur T_RL eingestellten Position.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Stromventil 5 mit höherer Priorität durch die Rücklauftemperatur T_RL beziehungsweise die Temperaturdifferenz ΔT zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur derart angesteuert, dass es beispielsweise bis zu 90% geschlossen wird. Das vollständige Schließen des Stromventils 5 kann nur von der Raumtemperaturregelung des Thermostatventils beziehungsweise des Dehnstoffelements 7 oder einem Steuerbefehl aus der Raumtemperaturregelung mit einem Raum-Temperatursensor 25 (siehe 4) gesteuert werden.
Wenn die Istwerte kleiner als die Sollwerte sind, dann verzweigt das Programm in einen dritten Funktionsblock 37 und öffnet das Stromventil 5.
Ein überraschender Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Regelung der Rücklauftemperatur T_RL und der Raumtemperatur T_Raum stabil ist, selbst wenn die Rücklauftemperatur T_RL und die Raumtemperatur T_Raum in unterschiedliche Richtungen von ihren Sollwerten abweichen. Dies ist darin begründet, dass das Dehnstoffelement 7 immer das volle Volumen hat und somit das Stromventil 5 geschlossen ist, sobald die Raumtemperatur größer ist als die am Thermostatventil 3 eingestellte Solltemperatur.
Wenn die Heizungsanlage optimal eingestellt und hydraulisch abgeglichen ist, würde sich dann auch automatisch die richtige Rücklauftemperatur T_RL = W_tRL, wie sie bei der Auslegung des Heizungssystems angenommen wurde, einstellen.
In vielen Fällen ist es jedoch so, dass aufgrund des nicht optimalen hydraulischen Abgleichs die Rücklauftemperatur T_RL höher ist als der Sollwert W_tRL. In diesen Fällen wird durch die erfindungsgemäße Ansteuerung das Zwischenglied 11 zwischen dem Dehnstoffelement 7 und dem Stromventil 5 in seiner Länge verlängert, so dass das Stromventil 5 noch weiter geschlossen wird. Dadurch wird die Temperaturspreizung zwischen Vorlauftemperatur T_VL und Rücklauftemperatur T_RL erhöht.
Gleichzeitig wird die Rücklauftemperatur auf den vorgegebenen Wert eingeregelt. Trotzdem sinkt die Raumtemperatur nicht unter den gewünschten Wert, da die Rücklauftemperatur T_RL ja nur auf den Wert abgesenkt wird, der bei der Auslegung der Heizungsanlage zugrunde gelegt wurde. Bei diesen Auslegungswerten erreicht aber der Heizkörper HK eine ausreichende Heizleistung, um die Raumtemperatur auf den Sollwert von beispielsweise 21° zu halten.
Daher arbeiten die beiden Regelungen nicht gegeneinander, sondern ergänzen sich dahingehend, dass sowohl die Raumtemperatur eingehalten als auch die gewünschte Rücklauftemperatur beziehungsweise Differenz zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur erreicht wird und damit ein energieeffizienter Betrieb der Heizungsanlage möglich ist.
Das in der Beschreibung exemplarisch anhand von Heizkörpern dargestellte Verfahren, sei es mit einer rücklauftemperaturorientierten oder einer differenztemperaturorientierten Ansteuerung des Stromventils ist nicht auf die Heizkörper von Zentralheizungssystemen beschränkt, sondern kann überall dort Anwendung finden, wo Wärmetauscher betrieben werden, die auf festgelegte Differenzen zwischen Eintrittstemperatur und Austrittstemperatur eines Wärmeträgers ausgelegt sind.
Dies können, ohne das erfindungsgemäße Verfahren darauf zu beschränken, die Beheizung von technischen Anlagen (wie z. B. Prozesswasserbecken, Lüftungsanlagen etc.) oder die Kalt- oder Kühlwasserversorgung (wie z. B. Klimageräte, Prozesswasseranlagen) sein.
Aus beiden Anwendungsgebieten wird nachfolgend anhand der 6 und 7 je ein Beispiel dargestellt und erläutert.
Auch bei diesen temperaturgeführten Versorgungsprozessen kommt es, wie bereits zuvor anhand der 1 bis 5 ausführlich dargestellt, darauf an, den hydraulischen Abgleich des Systems so zu gestalten, dass eine Optimierung der Wärme- oder Kälteerzeugung sowie eine auslegungs- bzw. bedarfsgerechte Versorgung jedes einzelnen Abnehmers beziehungsweise Wärmeverbrauchers realisierbar wird.
Auch bei diesen Prozessen ist es immer notwendig, dass nur der Thermostatfühler (Thermostatkopf, Fernfühler oder externe Regelgröße) mit der 1. Priorität in der Lage ist den vollen Verschluss (100%) des Stromventils zu realisieren. Alle anderen Regelgrößen können zwar Einfluss auf die Stellung des Stromventils nehmen, jedoch dieses nicht zu 100% schließen, damit immer ein Mindestdurchfluss zur Erfassung der realen, am Vor- bzw. Rücklauf anliegenden Temperaturen möglich ist.
In 6 ist anstelle eines Heizkörpers ein Lufterhitzer LE vorgesehen, der zur Raumlufterwärmung dient. Der Lufterhitzer LE umfasst einen Wärmetauscher WT, der an eine Vorlaufleitung VL und eine Rücklaufleitung RL angeschlossen ist, und ein Gebläse 41. Ansonsten entspricht das Kreislaufverbundsystem in seiner Struktur weitestgehend dem Ausführungsbeispiel gemäß 3, so dass um Wiederholungen zu vermeiden, auf das im Zusammenhang mit 3 gesagte verwiesen wird.
Dabei hat die vom Sensor 25 erfasste Raumlufttemperatur T_Raum gegenüber den von den Sensoren 17 und 21 erfassten Temperaturen und der daraus resultierenden Temperaturdifferenz ΔT Priorität.
In 7 ist anstelle eines Heizkörpers ein Wärmetauscher WT vorgesehen, der zur Erwärmung von in einem Becken 43 befindlichem Prozesswasser oder Kaltwasser dient. Der Wärmetauscher WT ist an eine Vorlaufleitung VL und eine Rücklaufleitung RL angeschlossen. Ansonsten entspricht das Kreislaufverbundsystem in seiner Struktur weitestgehend dem Ausführungsbeispiel gemäß 3, so dass um Wiederholungen zu vermeiden, auf das im Zusammenhang mit 3 gesagte verwiesen wird.
Dabei hat die vom Sensor 25 erfasste Temperatur T_Wasser des zu erwärmenden oder abzukühlenden Prozesswassers gegenüber den von den Sensoren 17 und 21 erfassten Temperaturen und der daraus resultierenden Temperaturdifferenz ΔT Priorität.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß 6 und 7 wird in Abhängigkeit eines Ausgangssignals Y_R (siehe 3) des Regel- und Steuergeräts 13 das Stromventil 5 mehr oder weniger weit geöffnet oder geschlossen. Dieser Regelvorgang findet immer dann statt, wenn es eine Abweichung zwischen der Temperatur T_RL und dem Sollwert der Rücklauftemperatur W_TRL gibt. Wichtig ist dabei, dass der Stellweg, der von der Vorlauftemperatur oder Rücklauftemperatur und/oder der Differenz zwischen diesen beiden Temperaturen ausgeht, nie mehr als beispielsweise 90% der Schließstellung des Stromventils 5 bewirkt. Dadurch wird ein gewisser Mindestdurchfluss sichergestellt, so dass die Temperaturen des Wärmeträgers am Eintritt und am Austritt in den Wärmetauscher gemessen werden können. Das vollständige Schließen des Stromventils 5 kann nur durch das Raumthermostat 25 oder einen anderen Raumtemperaturfühler oder von einem von diesen Größen veranlassten Regelbefehl bewirkt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es somit möglich, die Rücklauftemperatur T_RL immer auf einen maximalen beziehungsweise konstanten Wert, wie zum Beispiel der Auslegungstemperatur des Kreislaufverbundsystems, zu begrenzen.
Grundsätzlich können alle dargestellten Fühler als elektrisch verkabelte, Funk- oder Kapillarrohrfühler ausgeführt werden. Die Erzeugung der Verstellkräfte für das Betätigen des Stromventils kann sowohl über thermische Ausdehnung entsprechender Dehnstoffe (direkt über Wärmeaufnahme von entsprechenden Fühler-/Übertragersystemen bzw. elektrisch aufgeheizt) als auch direkt über einen elektrischen/motorischen Antrieb realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006006999 B3 [0010, 0035]
- DE 2006006999 B3 [0034]

Claims

Verfahren zur Durchführung des hydraulischen Abgleichs der Wärmetauscher (HK₁, HK₂, ..., HK_n, LE, WT) eines Kreislaufverbundsystems mit einem Wärmeträgerfluid, wobei jeder Wärmetauscher (HK₁, HK₂, ..., HK_n, LE, WT) über eine Vorlaufleitung (Vl) und eine Rücklaufleitung (Rl) hydraulisch an einen Wärmeerzeuger (WE) angeschlossen ist, und wobei zwischen Vorlaufleitung (Vl) oder Rücklaufleitung (Rl) und Wärmetauscher (HK₁, HK₂, ..., HK_n, LE, WT) jeweils ein Stromventil (5) mit steuerbarem Volumenstrom angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Rücklauftemperatur (T_Rl) an einem Wärmetauscher (HK) erfasst wird, und dass der Volumenstrom durch den Wärmetauscher (HK, LE, WT) in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur (T_Rl) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Rücklauftemperatur (T_Rl) und einem Soll-Wert (T_Rl,Soll) der Rücklauftemperatur (T_Rl) eine Regeldifferenz (e_Rl) gebildet wird, und dass der Volumenstrom durch den Wärmetauscher (HK, LE, WT) in Abhängigkeit der Regeldifferenz (e_Rl) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Vorlauftemperatur (T_Vl) und Rücklauftemperatur (T_Rl) ermittelt wird, dass aus der Temperaturdifferenz (ΔT) und einem Soll-Wert (ΔT_Soll) der Temperaturdifferenz eine Regeldifferenz (eΔT) gebildet wird, und dass der Volumenstrom durch den Wärmetauscher (HK, LE, WT) in Abhängigkeit der Regeldifferenz (eΔT) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Regelgröße, wie zum Beispiel eine Außentemperatur (T_amb), erfasst wird, und dass der Volumenstrom durch den Wärmetauscher (HK, LE, WT) zusätzlich in Abhängigkeit der zusätzlichen Regelgröße gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Raumtemperatur (T_Raum) in dem Raum erfasst wird in dem sich der Wärmetauscher (HK, LE, WT) befindet, und dass der Volumenstrom durch den Wärmetauscher (HK) in Abhängigkeit der Raumtemperatur (T_Raum) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumtemperatur (T_Raum) mit einem Soll-Wert der Raumtemperatur (T_Raum,Soll) verglichen wird, und dass der Volumenstrom durch den Wärmetauscher (HK, LE, WT) verringert wird, wenn die Raumtemperatur (T_Raum) über dem Soll-Wert (T_Raum,Soll) der Raumtemperatur liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufverbundsystem mit einem Wärmeträgerfluid eine Zentralheizung mit mehreren als Heizkörper ausgebildeten Wärmetauschern (HK₁, HK₂, ..., HK_n) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufverbundsystem mit einem Wärmeträgerfluid mindestens einem als Lufterhitzer ausgebildeten Wärmetauscher (LE) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufverbundsystem mit einem Wärmeträgerfluid mit mindestens einen in einem Prozesswasserbecken (43) installierten Wärmetauscher (WT) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufverbundsystem mit einem Wärmeträgerfluid eine entsprechende Kühlleistung zur Verfügung stellt.
Computerprogramm dadurch gekennzeichnet, dass es ein Verfahren einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt, wenn es abläuft.
Steuer- und Regelgerät mit mindestens einem Eingang für ein Temperatursignal (T_RL, T_VL, T_Raum), mit mindestens einem Ausgang für ein Steuersignal (y_R), dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 arbeitet.