DE102009008649B4

DE102009008649B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Regeln der Laufzeit eines Brenners

Info

Publication number: DE102009008649B4
Application number: DE102009008649A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Osterloh; Christine Hanke; Jörg Hoffmann
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2013-03-28
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: EP2218967A3; DE102009008649A1; EP2218967A2; EP2218967B1; DK2218967T3; PL2218967T3

Abstract

Verfahren zum Regeln der Laufzeit eines Brenners (10), der geeignet ist, einem Kessel (20) Wärme zuzuführen, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte umfasst: – Einstellen (S31; S401) eines Kesseltemperatur-Sollwerts TSOLL, der einen Sollwert der Kesseltemperatur angibt, – Zuführen (S33; S406) von Wärme durch den Brenner (10) zu dem Kessel (20), – kontinuierliches oder wiederholtes Ermitteln (S34; S407) eines momentanen Kesseltemperatur-Istwerts TIST, der von einer momentanen Temperatur in zumindest einem Teil des Kesselvolumens abhängt, zum Bestimmen des Kesseltemperatur-Istwerts TIST(t) als Funktion der Zeit t, – kontinuierliches oder wiederholtes Bestimmen (S35; S408) einer momentanen Regelabweichungsdifferenz ΔT, die eine Differenz zwischen dem eingestellten Kesseltemperatur-Sollwert TSOLL und dem bestimmten momentanen Kesseltemperatur-Istwert TIST angibt, zum Bestimmen der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) als Funktion der Zeit t, – Bestimmen (S36; S409, S411) eines Abschaltintegrals IAB(t) durch Integralbildung in Abhängigkeit der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) über die Zeit t, wenn der Kesseltemperatur-Istwert TIST größer ist als der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln der Laufzeit eines Brenners, der geeignet ist, einem Kessel Wärmeenergie, im Folgenden kurz Wärme genannt, zuzuführen.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Regeln der Laufzeit eines Brenners, der geeignet ist, einem thermischen Medium, z. B. Wasser oder Öl, in einem Kessel oder Wärmespeicher Wärme zuzuführen, um die Temperatur des thermischen Speichermediums im Kessel durch Wärmezufuhr zu erhöhen, basierend auf der Vorgabe eines Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL.
Hintergrund der Erfindung
Derartige Brenner sind dem Stand der Technik bekannt, z. B. als Gas- oder Ölbrenner in Heizungsanlagen und werden z. B. als einziger Wärmeerzeuger oder als ein Wärmeerzeuger aus einer Mehrzahl von Wärmeerzeugern, z. B. in bivalenten Heizanlagen, genutzt.
Ferner sind dem Stand der Technik Gas- und Ölbrenner bekannt, die in einer Betriebsart geregelt werden können, bei der eine abgegebene Brennerleistung P_Br kontinuierlich moduliert werden kann, um einen vorbestimmten, bestimmten oder eingestellten Brennerleistungswert P_Br abzugeben und somit die Kesseltemperatur gleich oder nahe dem Sollwert T_SOLL zu halten. Jedoch kann bei derartig geregelten Gas- und Ölbrennern die abgegebene Leistung P_Br gegebenenfalls nicht kontinuierlich bis auf Null heruntermoduliert werden, so dass der Brenner durch Taktung geregelt wird (Brennertakten), wenn ein Wärmezufuhrbedarf, z. B. in Abhängigkeit einer Gebäudelast, unterhalb einer minimalen Brennerleistung des Brenners auftritt.
Hierbei wird der Brenner bei einer Kesseltemperatur unter dem Sollwert T_SOLL eingeschaltet, um die Kesseltemperatur über den Sollwert T_SOLL zu erhöhen. Bei einer Kesseltemperatur über dem Sollwert T_SOLL wird der Brenner wieder abgeschaltet. Indem der Brenner taktet, also abwechselnd zu- und abgeschaltet wird, kann die Kesseltemperatur nahe dem Sollwert T_SOLL gehalten werden, selbst wenn die dazu benötigte Brennerleistung unterhalb der minimalen Brennerleistung oder der minimalen modulierbaren Brennerleistung liegt.
Als ein Verfahren zum Regeln eines derartigen Gas- oder Ölbrenners ist dem Stand der Technik die sogenannte Zweipunktreglermethode mit Hysterese bekannt. In der Zweipunktreglermethode wird eine Regelabweichung ΔT der Kesseltemperatur von dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL ermittelt durch Differenzbildung des Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL mit einer momentan bestimmten Kesseltemperatur, dem sogenannten Kesseltemperatur-Istwert T_IST: ΔT = T_SOLL – T_IST.
Wird hierbei eine Regelabweichung ΔT größer Null ermittelt, liegt die Kesseltemperatur unter dem Sollwert T_SOLL und andernfalls, bei einem ermittelten ΔT kleiner Null, liegt die Kesseltemperatur momentan oberhalb dem Sollwert T_SOLL.
Nach der Zweipunktreglermethode mit Hysterese wird ein sogenannter Einschaltdifferenzwert und ein sogenannter Ausschaltdifferenzwert festgelegt. Wird nun ermittelt, dass die Regelabweichung größer der festgelegten Einschaltdifferenz ist, wird der Brenner zugeschaltet, da die Kesseltemperatur dann mehr als die festgelegte Einschaltdifferenz unterhalb des Sollwerts T_SOLL liegt. Bei zugeschaltetem Brenner wird die Kesseltemperatur dann durch Zuführung von Wärme zu dem Kessel solange erhöht, bis ermittelt werden kann, dass der Absolutwert der Regelabweichung die festgelegte Ausschaltdifferenz erreicht oder übersteigt (hierbei ist die Ausschaltdifferenz positiv definiert). Dann wird der Brenner wieder ausgeschaltet. Dieser Zyklus wird wiederholt ausgeführt, so dass der Kesseltemperaturwert durch zyklisches Ein- und Ausschalten des Brenners um den Sollwert T_SOLL schwankt.
In der vorhergehend beschriebenen Zweipunktreglermethode treten oftmals sehr kurze Brennerlaufzeiten zwischen Zu- und Abschalten des Brenners auf, selbst wenn relativ hohe Ein- und Ausschaltdifferenzwerte festgelegt werden. Die Brennerlaufzeiten in einer Regelung nach der Zweipunktreglermethode können teilweise unter 1 Minute liegen. Da der Brenner aber gegebenenfalls nur kurze Zeit danach wieder zugeschaltet werden muss, und somit gegebenenfalls eine kurze Periodendauer vorliegt, ergeben sich in der Zweipunktreglermethode sehr viele Schaltzyklen, die teilweise über 100 Ein- und Ausschaltvorgänge des Brenners pro Tag umfassen können.
Weiterhin entsteht eine hohe dynamische Belastung des Kessels durch schnellen Temperaturanstieg und daraufhin folgenden schnellen Temperaturabfall bei kurzer Periodendauer und hoher Anzahl von Schaltzyklen pro Tag.
Weiterhin treten bei den kurzen Zykluszeiten oder Periodendauern, bzw. bei der hohen Zyklusanzahl pro Tag durch häufiges Ein- und Ausschalten des Brenners weitere Probleme auf. So ergeben sich z. B. schlechte Emissionswerte des Brenners, ein reduzierter Nutzungsgrad und auch erhöhter Verschleiß.
Bei Ölbrennern tritt zusätzlich gegebenenfalls eine starke Verschmutzung eines Wärmetauschers durch Ruß aufgrund der schlechten Emissionswerte auf.
1 zeigt den Kesseltemperatur-Istwert T_IST als Funktion der Zeit t eines Kessels, dem zeitweise durch einen Brenner Wärme zugeführt wird, wobei der Brenner nach der im Stand der Technik bekannten Zweipunktreglermethode mit Hysterese geregelt wird. Zusätzlich zeigt 1 den zeitlichen Verlauf der Brennerleistung P_Br entsprechend dem gezeigten Kesseltemperatur-Istwert T_IST als Funktion der Zeit t.
Nach der Zweipunktreglermethode mit Hysterese wird ein Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL eingestellt und eine Ausschalt- bzw. Einschaltdifferenz festgelegt. Die Ausschaltdifferenz ergibt sich aus der Differenz eines festgelegten Temperaturmaximalwerts T_MAX und dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL. Die Ausschaltdifferenz ergibt sich aus der Differenz des Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL und einem eingestellten Mindesttemperaturwert T_MIN. Im zeitlichen Verlauf wird jeweils der momentane Kesseltemperatur-Istwert T_IST bestimmt, um eine Regelabweichung zwischen dem Kesseltemperatur-Istwert T_SOLL und dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL zu ermitteln.
Bei eingeschaltetem Brenner wird dem Kessel Wärme zugeführt und die Kesseltemperatur bzw. der Kesseltemperatur-Istwert T_SOLL erhöht sich im zeitlichen Verlauf. Wird nun ermittelt, dass der Kesseltemperatur-Istwert T_IST über den eingestellten Maximaltemperaturwert T_MAX steigt, wird der Brenner abgeschaltet. Mit anderen Worten, wenn die ermittelte Regelabweichung zwischen dem Kesseltemperatur-Istwert T_IST und dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL im Absolutwert bei Kesseltemperaturen über dem Sollwert über die Ausschaltdifferenz steigt, wird der Brenner abgeschaltet. Daraufhin sinkt die Kesseltemperatur, bis sie zuerst unter den Sollwert T_SOLL sinkt und daraufhin unter den eingestellten Mindesttemperaturwert T_MIN.
Wird nun festgestellt, dass der Kesseltemperatur-Istwert T_IST unter die Mindesttemperatur T_MIN gefallen ist, also mit anderen Worten die Regelabweichung unterhalb des Sollwerts die eingestellte Einschaltdifferenz übersteigt, wird der Brenner wieder zugeschaltet, so dass dem Kessel Wärme zugeführt wird und die Kesseltemperatur wieder steigt.
Wie in 1 dargestellt, führt die Zweipunktreglermethode somit zu einem zyklischen Zu- und Abschalten des Brenners, wodurch die Kesseltemperatur um den eingestellten Sollwert T_SOLL schwankt. Die jeweiligen Ein- bzw. Ausschaltzeitpunkte des Brenners sind in 1 durch die gestrichelten senkrechten Linien dargestellt. Im unteren Teil der 1 ist die Brennerleistung P_Br als Funktion der Zeit dargestellt. In einem Zeitraum zwischen Abschalten des Brenners und erneutem Einschalten des Brenners ist die Brennerleistung P_Br gleich Null (oder auf einem niedrigen Bereitschaftswert).
Wird der Brenner zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet, erhöht sich die Brennerleistung P_Br auf eine hohe Brennerstartleistung und wird dann auf einen niedrigeren Wert heruntermoduliert. Dies führt zu einem schnellen Temperaturanstieg im Kessel aufgrund der hohen Brennerstartleistung, die gegebenenfalls erst wieder sinkt, bevor sie kontinuierlich aufgrund einer Brennerleistung P_Br unterhalb der hohen Brennerstartleistung steigt.
Jedoch kann es vorkommen, dass der starke Temperaturanstieg aufgrund der hohen Brennerstartleistung ohne große Verzögerung über den eingestellten Temperaturmaximalwert T_MAX steigt, wodurch in der Zweipunktreglermethode mit Hysterese der Brenner wieder ausgeschaltet wird. Dies kann zu einer sehr kurzen Brennerzeit führen, in der der Kessel durch die schnellen Temperaturschwankungen und hohen Temperaturamplituden dynamisch belastet wird, und zusätzlich kann dies zu einer Verbrennung mit hohen Emissionswerten führen. Eine derartige vorzeitige Brennerabschaltung durch einen Temperaturüberschwinger aufgrund der hohen Brennerstartleistung ist in 1 im zweiten Zyklus dargestellt.
Um die vorangehend beschriebenen Probleme der Zweipunktreglermethode zu vermeiden, ist es im Stand der Technik bekannt, hohe Ein- und Ausschaltdifferenzwerte zu wählen, z. B. eine Einschaltdifferenz von 6 K (Kelvin) und eine Ausschaltdifferenz von ca. 8 K. Hierdurch können die Zykluszeiten des Brenners verlängert werden, bzw. die Anzahl der Zyklen pro Tag verringert werden. Allerdings ergibt sich nach diesem Verfahren das weitere Problem, dass die Amplituden der Temperaturschwankung der Kesseltemperatur um den Sollwert T_SOLL bei hohen Ein- und Ausschaltdifferenzwerten ansteigen. Dies kann gegebenenfalls zu einem eingeschränkten Nutzungsvermögen des Brenners führen. So ist es bekannt, dass hohe Ein- und Ausschaltdifferenzen ungeeignet sind für eine Vielzahl von Heizungsanlagen, z. B. Niedertemperatur-Fußboden-Heizungsanlagen, in denen der Kessel direkt, also ohne Mischer, an einen Heizkreis, z. B. die Fußbodenheizung, angeschlossen ist.
Mit den oben genannten Beispielwerten für die Einschaltdifferenz (6 K) und die Ausschaltdifferenz (8 K) ergibt sich bei einer Kesselsolltemperatur von z. B. 26°C ein Zyklus, in dem ein Brenner erst zugeschaltet wird, wenn die Kesseltemperatur unter 20°C fällt, und weiterhin wird der Brenner erst wieder ausgeschaltet, wenn die Kesseltemperatur bei 34°C liegt. Dies führt zu dem Problem, dass ein Gebäude erst vollständig auskühlt, bevor der Brenner wieder startet. Danach, wenn der Brenner läuft, wird das Gebäude allerdings überheizt. Bei einer Periodendauer, die in der Praxis mehrere Tage dauern kann, bedeutet dies, dass eine Wohntemperatur in dem Gebäude einen Tag zu kalt und einen Tag zu warm ist.
Weiterhin sind dem Stand der Technik Regelungsmethoden zur Regelung eines Brenners bekannt, bei denen die Zweipunktreglermethode derart erweitert ist, dass zusätzlich eine variable Mindestpausenzeit, z. B. 4 Minuten, festgelegt oder eingestellt wird. Zusätzlich zu dem Einschaltkriterium für den Brenner anhand des Vergleichs der Regelabweichung mit dem festgelegten Einschaltdifferenzwert wird dann überprüft, ob die festgelegte Mindestpausenzeit seit dem letzten Abschalten des Brenners verstrichen ist.
Hierdurch können die Zykluszeiten des Brenners erhöht werden, bzw. die Anzahl der Zyklen pro Tag verringert werden. Jedoch kann eine solche Methode dazu führen, dass die Kesseltemperatur zu stark fällt, wenn die Regelabweichung der Kesseltemperatur die festgelegte Einschaltdifferenz vor Ablauf der Mindestpausenzeit unterschreitet.
DE 34 26 937 C1 zeigt eine Einrichtung zum Festlegen der Ein- und Ausschaltperioden eines Brenners mit einem Integrator, dem die Differenz zwischen einer Bezugstemperatur und einer Meßtemperatur zugeführt wird, wobei ein Hystereseschalter das Einschalten des Brenners bewirkt, wenn der Integrationswert des Integrators einen Grenzwert des Hystereseschalters erreicht, und der Hystereseschalter das Ausschalten des Brenners bewirkt, wenn der Integrationswert einen anderen Grenzwert des Hystereseschalters erreicht.
DE 30 29 131 A1 zeigt ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung einer Raumheizung, wobei die Raumheizung derart gesteuert wird, dass sie entsprechend einer bestimmten Vorheizzeit vor Beginn einer Nutzungszeit nach langer Ausschaltzeit eingeschaltet wird, so dass die Soll-Raumtemperatur zu Beginn der Nutzungszeit erreicht wird.
DE 34 42 441 A1 zeigt ein Verfahren zum Ermitteln einer für eine Schnellaufheizung eines Raumes benötigten Zeit, wobei ein Zeitpunkt errechnet wird, in dem eine Heizungsanlage eingeschaltet werden muss, um zu einem vorgegebenen Zeitpunkt einen vorgegebenen Sollwert der Raum-Ist-Temperatur zu erreichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile und Probleme der bekannten Regelungsverfahren eines Brenners zu vermeiden und eine Laufzeitregelung eines Brenners zu optimieren.
Insbesondere ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile und Probleme der bekannten Zweipunktreglermethode mit Hysterese und der erweiterten Zweipunktreglermethode mit einer zusätzlichen Mindestpausenzeit des Brenners zu vermeiden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln eines Brenners, der geeignet ist, einem Kessel Wärme zuzuführen, bereitzustellen, um eine niedrigere Schaltzyklenzahl des Brenners pro Tag zu ermöglichen, und um die Probleme eines häufigen Ein- und Ausschaltens des Brenners, wie z. B. erhöhte Emissionswerte, einen reduzierten Nutzungsgrad und einen erhöhten Verschleiß, zu vermeiden.
Zur Lösung der vorangehend beschriebenen Aufgaben der Erfindung wird ein Verfahren zum Regeln der Laufzeit eines Brenners nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zum Regeln der Laufzeit eines Brenners nach Anspruch 7 vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zum Regeln der Laufzeit eines Brenners, der geeignet ist, einem Kessel Wärme zuzuführen umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

– Einstellen eines Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL, der einen Sollwert der Kesseltemperatur angibt,
– Zuführen von Wärme durch den Brenner zu dem Kessel,
– kontinuierliches oder wiederholtes Ermitteln eines momentanen Kesseltemperatur-Istwerts T_IST, der von einer momentanen Temperatur in zumindest einem Teil des Kesselvolumens abhängt, zum Bestimmen des Kesseltemperatur-Istwerts T_IST(t) als Funktion der Zeit t, und
– kontinuierliches oder wiederholtes Bestimmen einer momentanen Regelabweichungsdifferenz ΔT, die eine Differenz zwischen dem eingestellten Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL und dem bestimmten momentanen Kesseltemperatur-Istwert T_IST angibt, zum Bestimmen der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) als Funktion der Zeit t.

Weiterhin umfasst das Verfahren zum Regeln der Laufzeit eines Brenners nach der vorliegenden Erfindung die Verfahrensschritte:

– Bestimmen eines Abschaltintegrals I_AB(t) durch Integralbildung in Abhängigkeit der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) über die Zeit t, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST größer ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL,
– Abschalten des Brenners zu einem ersten Zeitpunkt t₁, an dem der Wert I_AB(t₁) des Abschaltintegrals I_AB(t) einen ersten Schwellwert SW₁ erreicht, um das Zuführen von Wärme durch den Brenner zu beenden.

In dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zum Regeln eines Brenners wird im Gegensatz zum Stand der Technik ein neuer Ansatz verwendet, in dem das Zuschalten des Brenners nicht über starre Temperaturgrenzen, sondern über die Bestimmung eines Zuschaltintegrals durch Integralbildung in Abhängigkeit der ermittelten Regelabweichung, insbesondere über einen Temperaturparameter (als Funktion der Zeit), der um eine erste konstante Temperaturdifferenz von der ermittelten Regelabweichungsdifferenz (als Funktion der Zeit t) abweicht, oder über die ermittelte Regelabweichungsdifferenz (als Funktion der Zeit t) selbst ausgeführt wird.
Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass eine fehlende Massenträgheit auf der Erzeugerseite (Wärmeerzeugung) durch Massenträgheit auf der Verbraucherseite ergänzt werden kann. Weiterhin macht sich die Erfindung den Umstand zunutze, dass es für den Komfort seitens eines Verbrauchers entscheidend ist, welche Energiemenge eingespeist wird, und welches Temperaturniveau herrscht, und nicht die tatsächliche momentane Leistung des Brenners.
Des Weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren längere Zykluszeiten und eine niedrigere Anzahl Zyklen des Brenners pro Tag, da nicht anhand starrer Temperaturgrenzen geregelt wird. Es ergeben sich somit erfindungsgemäß längere Brennerlauf- und Pausenzeiten, wodurch geringere Emissionswerte, eine höhere Energiesparung und zusätzlich ein reduzierter Wartungsaufwand erreicht werden kann. Die Erfindung bietet gegenüber dem Stand der Technik somit eine optimierte Regelung eines Brenners mit einer optimierten Brennerlaufzeit.
Das Verfahren zum Regeln der Laufzeit eines Brenners nach der vorliegenden Erfindung umfasst die weiteren Verfahrensschritte:

– Bestimmen eines Zuschaltintegrals I_ZU(t) durch Integralbildung in Abhängigkeit der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) über die Zeit t, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST kleiner ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, und/oder
– Zuschalten des Brenners zu einem zweiten Zeitpunkt t₂, an dem der Wert I_ZU(t₂) des Zuschaltintegrals I_ZU(t) einen zweiten Schwellwert SW₂ erreicht, um dem Kessel Wärme durch den Brenner zuzuführen.

Wie vorstehend in Bezug auf das Abschaltintegral beschrieben wird hierbei eine Integralbildung in Abhängigkeit der ermittelten Regelabweichung durchgeführt, insbesondere über einen Temperaturparameter (als Funktion der Zeit), der um die erste konstante Temperaturdifferenz oder um eine zweite konstante Temperaturdifferenz von der ermittelten Regelabweichungsdifferenz (als Funktion der Zeit t) abweicht, oder über die ermittelte Regelabweichungsdifferenz (als Funktion der Zeit t) selbst.
Somit kann die Laufzeitregelung weiter optimiert werden, indem zusätzlich zu dem Zuschalten des Brenners auch das darauffolgende Abschalten des Brenners bei dem Brennertakten anhand eines Integrals in Abhängigkeit der Regelabweichung ΔT(t) über die Zeit t geregelt wird und nicht anhand starrer Temperaturgrenzen. Des Weiteren wird eine weitere Reduktion der Anzahl der Zyklen des Brenners pro Tag ermöglicht, wenn Zu- und Abschaltintegrale zum Regeln des Zu- und Abschaltens bei Brennertaktung bestimmt werden. Es ergeben sich somit noch längere Brennerlauf- und Pausenzeiten, wodurch noch geringere Emissionswerte, eine noch höhere Energiesparung und zusätzlich ein noch niedrigerer Wartungsaufwand erreicht werden kann.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Abschaltintegral I_AB(t) bestimmt durch Integration bis zu einem dritten Zeitpunkt t₃, an dem der Kesseltemperatur-Istwert T_IST(t) den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL nach Abschalten des Brenners erreicht oder unterschreitet, und wobei der zweite Schwellwert SW₂ vorzugsweise entsprechend dem Wert I_AB(t₃) des Abschaltintegrals I_AB(t) zu dem dritten Zeitpunkt t₃ festgelegt wird, so dass der zweite Zeitpunkt t₂ der Zeitpunkt ist, an dem der Absolutwert |I_ZU(t)| des Zuschaltintegrals I_ZU(t) den Absolutwert |I_AB(t₃)| des Abschaltintegrals I_AB(t) zu dem dritten Zeitpunkt t₃ erreicht oder überschreitet.
Somit wird eine dynamische Zuschaltintegralschwelle SW₂ ermöglicht. Die Erfindung macht sich somit vorzugsweise den Umstand zunutze, dass der Wert des Abschaltintegrals zu diesem Zeitpunkt t₃ ein Maß für die zuviel eingebrachte Energie ist, da, nachdem der Brenner nach Überschreiten des ersten Schwellwerts SW₁ abgeschaltet wurde, solange weiter integriert wird, bis die Kesseltemperatur kleiner oder gleich dem Sollwert ist.
Des Weiteren bleibt der Brenner vorzugsweise solange ausgeschaltet, bis ein analog dem vorangehend bestimmten Abschaltintegral gebildetes Zuschaltintegral den gleichen Wert erreicht, wie das vorhergehend bestimmte Abschaltintegral. Somit wird es ermöglicht, dass bei einem Stillstand des Brenners (bei ausgeschaltetem Brenner) im selben Maße unterversorgt wird, wie zuvor überversorgt wurde. Es entsteht somit im zeitlichen Mittel weder eine Über- noch Unterversorgung. Die nur kurzfristigen Über- und Unterversorgungen erzeugen keine Komforteinbußen, da diese im Wesentlichen nur innerhalb eines Brennerzyklus auftreten und somit durch die Trägheit der gesamten Anlage ausgeglichen werden.
Vorzugsweise werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest die Schritte des Zuführens von Wärme, des Bestimmens des Abschaltintegrals, des Abschaltens des Brenners, des Bestimmen eines Zuschaltintegrals und des Zuschaltens des Brenners zyklisch wiederholt.
Somit wird ermöglicht, dass der Kesseltemperaturwert nahe dem eingestellten Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL durch zyklisches Ein- und Ausschalten des Brenners gehalten werden kann.
Vorzugsweise ist der erste Schwellwert SW₁ manuell oder prozessgesteuert einstellbar und vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin den Schritt des Einstellens des ersten Schwellwerts SW₁.
Somit wird ermöglicht, dass der erste Schwellwert, also der Abschaltintegral-Schwellwert SW₁, parametrisierbar ist, z. B. auf ein gewünschtes oder erforderliches Anlagenverhalten.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin einen Verfahrensschritt des Einstellens eines Regelabweichungsgrenzwerts ΔT_MAX, wobei der Brenner vorzugsweise zu dem ersten Zeitpunkt t₁ oder zu einem vierten Zeitpunkt t₄, an dem der Absolutwert der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) einen Regelabweichungsgrenzwert ΔT_MAX erreicht oder überschreitet, vor dem ersten Zeitpunkt t₁ abgeschaltet wird.
Somit kann eine hohe Überschreitung des Sollwerts T_SOLL vermieden werden, indem der Brenner abgeschaltet wird, wenn die Regelabweichung den Regelabweichungsgrenzwert ΔT_MAX überschreitet. Die Amplituden der Regelabweichung können dann zusätzlich durch Temperaturwerte begrenzt werden. Hohe Temperaturamplituden können somit vermieden werden, selbst wenn das Abschaltintegral den ersten Schwellwert SW₁ zum Beispiel bedingt durch einen schnellen Temperaturanstieg noch nicht erreicht oder überschritten hat, obwohl schon eine sehr hohe Regelabweichung vorliegt. Somit können hohe Temperaturamplituden z. B. bei einem fehlendem Volumenstrom des thermischen Speichermediums in einer Heizungsanlage vermieden werden.
Analog kann vorzugsweise in einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens ein zweiter Regelabweichungsgrenzwert ΔT_MAX,2 eingestellt werden, so dass der Brenner nicht nur zugeschaltet wird, wenn das Zuschaltintegral den zweiten Schwellwert SW₂ erreicht, sondern vorzugsweise auch bei einer Regelabweichung, bei der der Kesseltemperatur-Istwert T_IST den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL um mehr als ΔT_MAX;2 unterschreitet.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt des Definierens eines Temperaturbereichs um den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL durch Einstellen eines ersten Temperaturbereichswerts T₁, der größer ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, und eines zweiten Temperaturbereichswerts T₂, der kleiner ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, wobei das Abschaltintegral I_AB(t) vorzugsweise nur dann bestimmt wird, wenn der bestimmte momentane Kesseltemperatur-Istwert T_IST größer als der erste Temperaturbereichswert T₁ ist, und/oder wobei das Zuschaltintegral I_ZU(t) vorzugsweise nur dann bestimmt wird, wenn der bestimmte momentane Kesseltemperatur-Istwert T_IST kleiner als der zweite Temperaturbereichswert T₂ ist.
Somit wird um den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL eine sogenannte Tote Zone mit einer Temperaturbreite von z. B. 1 K definiert (d. h. T₁ – T₂ = 1 K), wobei weder ein Zu- und noch ein Abschaltintegral gebildet wird, wenn die Regelabweichung ΔT oder die Amplituden der Regelabweichung ΔT so klein sind, dass der Kesseltemperatur-Istwert T_IST innerhalb der Toten Zone liegt oder schwankt. Solange T_IST innerhalb der Toten Zone liegt, wird die Integration vorzugsweise nicht ausgeführt, bzw. vorzugsweise angehalten. Dies verhindert ein Zu- bzw. Abschalten des Brenners, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST nur geringfügig, nämlich innerhalb der Toten Zone, um den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL schwankt. Somit können unnötige Ein- und Ausschaltvorgänge des Brenners verhindert werden.
Vorzugsweise wird hierbei bei der Integration für die Integralbildung des Abschaltintegrals über einen ersten Temperaturparameter in Abhängigkeit der ermittelten Regelabweichungsdifferenz integriert, der von der ermittelten Regelabweichungsdifferenz um eine erste konstante Temperaturdifferenz, insbesondere vorzugsweise entsprechend der Differenz zwischen dem ersten Temperaturbereichswert T₁ und dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL abweicht, und vorzugsweise wird hierbei weiterhin bei der Integration für die Integralbildung des Zuschaltintegrals über einen zweiten Temperaturparameter in Abhängigkeit der ermittelten Regelabweichungsdifferenz integriert, der von der ermittelten Regelabweichungsdifferenz um eine zweite konstante Temperaturdifferenz, insbesondere vorzugsweise entsprechend der Differenz zwischen dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL und dem zweiten Temperaturbereichswert T₂, abweicht.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt des Zurücksetzens des bestimmten Abschaltintegrals I_AB(t) auf den Wert Null, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL bei zugeschaltetem Brenner unterschreitet.
Bei einer Regelung des Brenners im modulierten Betrieb (z. B. im Winter) kann es auftreten, dass die Kesseltemperatur den Sollwert T_SOLL gegebenenfalls selbst dann unterschreitet, wenn der Brenner dem Kessel Wärme zuführt. Steigt die Kesseltemperatur danach leicht über den Sollwert und fällt gegebenenfalls kurz darauf wieder usw., kann ohne Zurücksetzen des Abschaltintegrals auf den Wert Null eine Kumulation dieser kleinen Regelabweichungen gegebenenfalls dazu führen, dass ein bestimmtes Abschaltintegral den Schwellwert SW₁ erreicht, obwohl ein Ausschalten des Brenners nicht empfehlenswert ist. Ein solches Ausschalten des Brenners kann dadurch vermieden werden, dass das Abschaltintegral auf den Wert Null zurückgesetzt wird, wenn die Kesseltemperatur den Sollwert oder den ersten Temperaturbereichsparameter T₁ bei in Betrieb befindlichem Brenner unterschreitet.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Regeln der Laufzeit eines Brenners, der geeignet ist, einem Kessel Wärme zuzuführen, beschrieben, die dazu geeignet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Hierbei wird nicht im Detail auf die Vorteile eingegangen, da diese den Vorteilen des Verfahrens entsprechen.
Eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum Regeln der Laufzeit eines Brenners umfasst:

– ein Kesseltemperatur-Sollwert-Einstellungsmittel zum Einstellen eines Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL, der einen Sollwert der Kesseltemperatur angibt,
– ein Kesseltemperatur-Istwert-Ermittelungsmittel zum kontinuierlichen oder wiederholten Ermitteln eines momentanen Kesseltemperatur-Istwerts T_IST, der eine momentane Temperatur in zumindest einem Teil des Kesselvolumens angibt, zum Bestimmen des Kesseltemperatur-Istwerts T_IST(t) als Funktion der Zeit t,
– ein Regelabweichungs-Bestimmungsmittel zum kontinuierlichen oder wiederholten Bestimmen einer momentanen Regelabweichungsdifferenz ΔT, die eine Differenz zwischen dem eingestellten Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL und dem bestimmten momentanen Kesseltemperatur-Istwert T_IST angibt, zum Bestimmen der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) als Funktion der Zeit t, und/oder
– ein Brennersteuerungsmittel zum Zu- und Abschalten des Brenners.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel zum Bestimmen eines Integrals durch Integralbildung in Abhängigkeit der Regelabweichung ΔT(t) über die Zeit t umfasst.
Erfindungsgemäß bestimmt das Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel weiterhin ein Abschaltintegral I_AB(t), wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST größer ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL. Der Brenner wird durch das Brennersteuerungsmittel zu einem ersten Zeitpunkt t₁ abgeschaltet, an dem der Wert I_AB(t₁) des Abschaltintegrals I_AB(t) einen ersten Schwellwert SW₁ erreicht, um das Zuführen von Wärme durch den Brenner zu beenden. Weiterhin bestimmt das Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel ein Zuschaltintegral I_ZU(t), wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST kleiner ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, und der Brenner wird durch das Brennersteuerungsmittel zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ zugeschaltet, an dem der Wert I_ZU(t₂) des Zuschaltintegrals I_ZU(t) einen zweiten Schwellwert SW₂ erreicht, um dem Kessel Wärme durch den Brenner zuzuführen.
Weiterhin bestimmt das Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel das Abschaltintegral I_AB(t) durch Integralbildung in Abhängigkeit der Regelabweichung ΔT(t) bis zu einem dritten Zeitpunkt t₃, an dem der Kesseltemperatur-Istwert T_IST den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL nach Abschalten des Brenners erreicht oder unterschreitet, und weiterhin legt das Brennersteuerungsmittel den zweiten Schwellwert SW₂ entsprechend dem Wert I_AB(t₃) des Abschaltintegrals I_AB(t) zu dem dritten Zeitpunkt t₃ fest, so dass der zweite Zeitpunkt t₂ der Zeitpunkt ist, an dem der Absolutwert des Zuschaltintegrals I_ZU(t) den Absolutwert des Abschaltintegrals I_AB(t) zu dem dritten Zeitpunkt t₃ erreicht oder überschreitet.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin ein Schwellwert-Einstellungsmittel zum Einstellen des ersten Schwellwerts SW₁.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zum Regeln der Laufzeit eines Brenners weiterhin ein Regelabweichungsgrenzwert-Einstellungsmittel zum Einstellen eines Regelabweichungsgrenzwerts ΔT_MAX, wobei der Brenner vorzugsweise zu dem ersten Zeitpunkt t₁ oder zu einem vierten Zeitpunkt t₄, an dem der Absolutwert der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) einen Regelabweichungsgrenzwert ΔT_MAX erreicht oder überschreitet, vor dem ersten Zeitpunkt t₁ durch das Brennersteuerungsmittel abgeschaltet wird.
Vorzugsweise ist das Regelabweichungsgrenzwert-Einstellungsmittel weiterhin zum Einstellen eines zweiten Regelabweichungsgrenzwerts ΔT_MAX;2 geeignet, so dass der Brenner analog zugeschaltet werden kann, wenn die Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) einen Regelabweichungsgrenzwert ΔT_MAX,2 erreicht oder überschreitet, bevor das Zuschaltintegral den zweiten Schwellwert SW₂ erreicht.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin ein Temperaturbereichs-Definitionsmittel zum Definieren eines Temperaturbereichs um den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL durch Einstellen eines ersten Temperaturbereichswerts T₁, der vorzugsweise größer ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, und eines zweiten Temperaturbereichswerts T₂, der vorzugsweise kleiner ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, wobei das Abschaltintegral I_AB(t) vorzugsweise nur dann von dem Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel bestimmt wird, wenn der bestimmte momentane Kesseltemperatur-Istwert T_IST größer als der erste Temperaturbereichswert T₁ ist, und das Zuschaltintegral I_ZU(t) vorzugsweise nur dann von dem Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel bestimmt wird, wenn der bestimmte momentane Kesseltemperatur-Istwert T_IST kleiner als der zweite Temperaturbereichswert T₂ ist.
Vorzugsweise wird hierbei bei der Integration für die Integralbildung des Abschaltintegrals über einen ersten Temperaturparameter in Abhängigkeit der ermittelten Regelabweichungsdifferenz integriert, der von der ermittelten Regelabweichungsdifferenz um eine erste konstante Temperaturdifferenz, insbesondere vorzugsweise entsprechend der Differenz zischen dem ersten Temperaturbereichswert T₁ und dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL abweicht, und vorzugsweise wird hierbei weiterhin bei der Integration für die Integralbildung des Zuschaltintegrals über einen zweiten Temperaturparameter in Abhängigkeit der ermittelten Regelabweichungsdifferenz integriert, der von der ermittelten Regelabweichungsdifferenz um eine zweite konstante Temperaturdifferenz, insbesondere vorzugsweise entsprechend der Differenz zischen dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL und dem zweiten Temperaturbereichswert T₂, abweicht.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin ein Integral-Zurücksetzungsmittel zum Zurücksetzen eines von dem Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel bestimmten Integrals auf den Wert Null, wobei das Integral-Zurücksetzungsmittel das bestimmte Abschaltintegral I_AB(t) vorzugsweise auf den Wert Null zurücksetzt, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL bei zugeschaltetem Brenner unterschreitet. Das Integral-Zurücksetzungsmittel ist kann vorzugsweise auch dazu geeignet sein, das bestimmte Abschaltintegral I_AB(t) bereits auf den Wert Null zurückzusetzen, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST den ersten Temperaturbereichswert T₁ bei eingeschaltetem Brenner unterschreitet.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 zeigt einen Verlauf eines Kesseltemperatur-Istwerts T_IST als Funktion der Zeit t nach der im Stand der Technik bekannten Zweipunktregelungsmethode mit Hysterese und den dazugehörigen Verlauf der Brennerleistung P_Br als Funktion der Zeit t.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Brenners, des Kessels und der Vorrichtung zum Regeln des Brenners nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3A und 3B zeigen ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Regeln eines Brenners nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4A, 4B und 4C zeigen ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Regeln eines Brenners nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt einen Verlauf eines Kesseltemperatur-Istwerts T_IST als Funktion der Zeit t nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und den dazugehörigen Verlauf der Brennerleistung P_Br als Funktion der Zeit t.
6 zeigt einen Ausschnitt eines Diagramms nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und den dazugehörigen Verlauf der Brennerleistung P_Br als Funktion der Zeit t.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Regeln eines Brenners nach der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Figuren und bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung detailliert anhand von Ausführungsbeispielen des Verfahrens zum Regeln eines Brenners nach der vorliegenden Erfindung, sowie eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Regeln eines Brenners nach der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren beschrieben.
2 zeigt einen Brenner 10, einen Kessel 20 und eine Vorrichtung 30 zum Regeln des Brenners 10, in einer schematischen Darstellung. Der Brenner 10 ist dazu geeignet, einem thermischen Speichermedium, z. B. Wasser oder Öl, im Kessel 20 Wärme zuzuführen, wobei der Brenner 10 durch die Vorrichtung 30 zum Regeln eines Brenners 10 geregelt wird.
Der Kessel 20 ist hierbei z. B. ein unabhängiger Kessel, z. B. eines Wasserboilers, oder ein an eine Heizungsanlage z. B. eines Gebäudes angeschlossener Heizkessel. Bei dem Brenner 10 kann es sich z. B. um einen Gas- oder Ölbrenner handeln. Ein Regelungsverfahren nach der Erfindung ist jedoch nicht auf das Regeln von Gas- oder Ölbrennern eingeschränkt und kann generell auf jede Vorrichtung angewendet werden, die dazu geeignet ist zu- und abgeschaltet zu werden, um einem Kessel zeitweise Wärme zuzuführen.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Regeln eines Brenners nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst die Schritte S31 Einstellen des Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL, S32 Zuschalten des Brenners 10, S33 Zuführen von Wärme, S34 Ermitteln des Kesseltemperatur-Istwerts T_IST(t), S35 Bestimmen der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t), S36 Bestimmen des Abschaltintegrals I_AB(t), S37 Abschalten des Brenners 10, und S38 Bestimmen des Zuschaltintegrals I_ZU(t).
In Schritt S31 Einstellen des Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL wird ein Sollwert der Kesseltemperatur eingestellt, anhand dessen die Regelung des Brenners 10 nach dem Regelungsverfahren der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Im Folgenden wird das Verfahren zum Regeln eines Brenners 10 anhand eines einmaligen Einstellen des Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das einmalige Einstellen des Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL beschränkt. Je nach Bedarf ist ein neuer Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL einstellbar.
Im Schritt S32 Zuschalten des Brenners 10 wird der abgeschaltete Brenner 10 zugeschaltet, um dem Kessel 20 im Schritt S33 Wärmeenergie zuzuführen.
Weiterhin wird im Schritt S34 Ermitteln des Kesseltemperatur-Istwerts T_IST(t) die Kesseltemperatur als Funktion der Zeit t ermittelt. Hierzu wird eine momentane Kesseltemperatur, bzw. der momentane Kesseltemperatur-Istwert T_IST, entweder kontinuierlich oder wiederholt bzw. periodisch ermittelt. Durch kontinuierliches Ermitteln der Kesseltemperatur kann der Kesseltemperatur-Istwert T_IST direkt als Funktion der Zeit t ermittelt werden. Wird der Kesseltemperatur-Istwert T_IST wiederholt bzw. periodisch z. B. immer nach Ablauf eines eingestellten Zeitintervalls Δt ermittelt, wird der Kesseltemperatur-Istwert T_IST als Stufenfunktion der Zeit t ermittelt. Der Kesseltemperatur-Istwert T_IST wird hierbei derart ermittelt, dass eine Integralbildung durch Integration des Kesseltemperatur-Istwerts T_IST mit der Zeit t möglich ist.
Im Schritt S35 Bestimmen der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) wird die Regelabweichungsdifferenz zwischen dem Kesseltemperatur-Istwert T_IST und dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL ermittelt: ΔT = T_SOLL – T_IST, wodurch die Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) als Funktion der Zeit t anhand des Kesseltemperatur-Istwerts T_IST(t) als Funktion der Zeit t und dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL gebildet werden kann: ΔT(t) = T_SOLL – T_IST(t).
Durch das Zuführen von Wärme steigt der Kesseltemperatur-Istwert über den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL zu einem Zeitpunkt τ₀. Wird nun festgestellt, dass der Kesseltemperatur-Istwert den Kesseltemperatur-Sollwert übersteigt, wird in Schritt S36 Bestimmen des Abschaltintegrals I_AB(t) ein Abschaltintegral I_AB(t) bestimmt:
Wird der Kesseltemperatur-Istwert T_IST periodisch nach jedem Zeitintervall Δt ermittelt, kann das Abschaltintegral als Summe der ermittelten Werte (Stufenfunktionswerte) multipliziert mit Δt ermittelt werden (Bestimmung einer Fläche unterhalb einer Stufenfunktion).
Das Abschaltintegral I_AB(t) wird somit bestimmt durch Integration der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) über die Zeit t, wenn sich der Kesseltemperatur-Istwert T_IST oberhalb des Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL befindet. Da bei der oben angegebenen Definition der Regelabweichungsdifferenz ΔT oberhalb der Kesselsolltemperatur T_SOLL ein negativer Wert bestimmt wird, wird bei Bestimmung des Abschaltintegrals I_AB(t) der Absolutwert der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) ermittelt, um ein positives Abschaltintegral I_AB(t) zu bestimmen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Bestimmung des Abschaltintegrals I_AB(t) beschränkt und kann auch ohne Absolutwertbildung bestimmt werden, ggf. durch gleichzeitige Anpassung der Vorzeichen von Schwellwerten.
Zu einem Zeitpunkt t₁ steigt das bestimmte Abschaltintegral I_AB(t), das auch eine Funktion der Zeit t darstellt, einen eingestellten ersten Schwellwert SW₁, so dass erfindungsgemäß festgestellt wird, dass der Brenner 10 zum Zeitpunkt t₁ abzustellen ist, da das bestimmte Abschaltintegral I_AB zu diesem Zeitpunkt t₁ den Schwellwert SW₁ erreicht hat oder übersteigt. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Zweipunktreglermethode mit Hysterese wird der Brenner 10 somit nicht abgeschaltet, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST einen Maximalwert T_MAX übersteigt, sondern wenn das bestimmte Abschaltintegral I_AB, bestimmt durch Integration der Regelabweichungsdifferenz ΔT, einen Schwellwert SW₁ erreicht oder übersteigt.
Erfindungsgemäß führt dies zum Zeitpunkt t₁ im Schritt S37 Abschalten des Brenners dazu, dass die Wärmezufuhr des Brenners 10 zu dem Kessel 20 beendet wird, indem der Brenner 10 abgeschaltet wird. Hierauf fällt die Kesseltemperatur, da dem Kessel 20 keine Wärme durch den Brenner 10 mehr zugeführt wird.
Sinkt die Kesseltemperatur zu einem Zeitpunkt τ₀' unter den eingestellten Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, wird erneut über die Regelabweichung ΔT integriert, um im Schritt S38 Bestimmen des Zuschaltintegrals I_ZU(t) ein Zuschaltintegral zu bilden. Da die Regelabweichung ΔT bei Kesseltemperaturen unterhalb des Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL nach der obigen Definition positiv ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Bestimmen des Zuschaltintegrals I_ZU nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung auf Absolutwertbildung verzichtet:
Jedoch kann es erforderlich sein, eine Absolutwertbildung auszuführen, wenn eine andere Definition der Regelabweichung ΔT oder der Schwellwerte (z. B. negative Schwellwerte) vorliegt.
Solange die Kesseltemperatur unterhalb des Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL liegt, steigt der bestimmte Wert des Zuschaltintegrals I_ZU(t) und erreicht zu einem Zeitpunkt t₂ einen zweiten Schwellwert SW₂. Wird nun festgestellt, dass das Zuschaltintegral I_ZU(t) den zweiten Schwellwert SW₂ erreicht oder übersteigt, wird der Brenner im Schritt S32 Zuschalten des Brenners erneut zugeschaltet, um dem Kessel 20 erneut Wärme zuzuführen. Nach dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Regeln eines Brenners 10 in 3 werden die Schritte S32 bis S38 zyklisch wiederholt, so dass der Brenner zyklisch zugeschaltet wird, wenn das bestimmte Zuschaltintegrals I_ZU(t) den zweiten Schwellwert SW₂ erreicht oder übersteigt, um jeweils abgeschaltet zu werden, wenn das bestimmte Abschaltintegral I_AB(t) den ersten Schwellwert SW₁ erreicht oder übersteigt.
Ein bevorzugtes zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Regeln eines Brenners 10 nach der vorliegenden Erfindung wird in dem Ablaufdiagramm in 4 dargestellt. Nach dem bevorzugten zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren die Schritte S401 Einstellen des Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL, S402 Einstellen des ersten Schwellwert SW₁, S403 Definieren des Temperaturbereichs (Tote Zone), S404 Einstellen des Regelabweichungsgrenzwerts ΔT_MAX, S405 Zuschalten des Brenners, S406 Zuführen von Wärme, S407 Ermitteln des Kesseltemperatur-Istwerts T_IST(t), S408 Bestimmen der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t), S409 Bestimmen des Abschaltintegrals I_AB(t), S410 Abschalten des Brenners 10, S411 Bestimmen des Abschaltintegrals I_AB(t), und S412 Bestimmen des Zuschaltintegrals I_ZU(t).
Im Schritt S401 Einstellen des Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL wird analog zu Schritt S31 in 3 ein Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL eingestellt.
Im Schritt S402 Einstellen des ersten Schwellwerts SW₁ wird ein erster Schwellwert SW₁ eingestellt, der analog zu dem Ausführungsbeispiel in 3 einen Schwellwert für das Abschaltintegral I_AB(t) darstellt, um anzuzeigen, ab welchem Wert des Abschaltintegrals I_AB(t) der Brenner 10 erfindungsgemäß abzuschalten ist.
Im Schritt S403 Definieren des Temperaturbereichs (Tote Zone) wird ein Temperaturbereich um den eingestellten Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL definiert durch Einstellen eines ersten Temperaturbereichswerts T₁ größer dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL und Einstellen eines zweiten Temperaturbereichswerts T₂ kleiner dem eingestellten Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL. Hierbei kann der Schritt S403 Definieren des Temperaturbereichs, bzw. der sogenannten Toten Zone, ausgeführt werden, indem der erste und zweite Temperaturbereichswert T₁ und T₂ einzeln eingestellt werden, oder durch Einstellen einer Halbbreite der Toten Zone, so dass der erste Temperaturbereichswert T₁ und der zweite Temperaturbereichswert T₂ jeweils um den Halbwert der Toten Zone oberhalb bzw. unterhalb des eingestellten Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL liegen.
Im Schritt S404 Einstellen des Regelabweichungsgrenzwerts ΔT_MAX wird ein maximaler Regelabweichungsgrenzwert ΔT_MAX festgelegt, um große Temperaturamplituden bzw. große Temperaturschwankungen der Kesseltemperatur um den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL neben einer Begrenzung der Zu- und Abschaltintegrale zusätzlich durch absolute Temperaturwerte zu begrenzen.
Dies bedeutet, dass der Brenner 10 gegebenenfalls zu- bzw. abgeschaltet wird, wenn die Regelabweichung ΔT den eingestellten Regelabweichungsgrenzwert ΔT_MAX übersteigt, obwohl ein bestimmtes Zu- bzw. Abschaltintegral den ersten bzw. den zweiten Schwellwert noch nicht erreicht hat. Gegebenenfalls können auch zwei verschiedene Regelabweichungsgrenzwerte eingestellt werden, um eine Regelabweichung ober- und/oder unterhalb des Schwellwerts unabhängig voneinander zu begrenzen.
Weiterhin umfasst das Verfahren nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie in 3 dargestellt, weiterhin die Schritte S405 Zuschalten des Brenners und S406 Zuführen von Wärme analog zu den Schritten S32 und S33 in 3.
Analog zu den Schritten S34 und S35 in 3 umfasst das Verfahren in 4 weiterhin die Schritte S407 Ermitteln des Kesseltemperatur-Istwerts T_IST(t) und S408 Bestimmen der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t). Sowohl der Kesseltemperatur-Istwert T_IST als auch die Regelabweichungsdifferenz ΔT werden analog zu dem Verfahren in 3 als Funktion der Zeit t bestimmt.
Durch die Zufuhr von Wärme übersteigt die Kesseltemperatur zuerst den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL und kurz darauf den ersten Temperaturbereichswert T₁, so dass die Regelabweichungsdifferenz ΔT kleiner gleich der Differenz T_SOLL – T₁ wird. Zu diesem Zeitpunkt τ_AB beginnt die Bestimmung des Abschaltintegrals I_AB(t) im Schritt S409 Bestimmen des Abschaltintegrals I_AB(t). Im Gegensatz zu dem vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach 3, in dem das Abschaltintegrals I_AB(t) ab einem Zeitpunkt τ₀ bestimmt wurde, an dem die Kesseltemperatur den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL übersteigt, wird in diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens das Abschaltintegral I_AB(t) ab einem Zeitpunkt τ_AB bestimmt, an dem die Kesseltemperatur den definierten Temperaturbereich, bzw. die Tote Zone, um den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL verlässt:
Des Weiteren wird bei der Integration in diesem Ausführungsbeispiel, wie an der vorstehend angegebenen Formel ersichtlich ist, ein Flächenbereich unterhalb des zeitlichen Verlaufs des Kesseltemperatur-Istwerts T_IST bis zu dem ersten Temperaturbereichswert T₁ gebildet, so dass eine Fläche zwischen dem Temperaturbereichswert T₁ und dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL unberücksichtigt bleibt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Integralbildung beschränkt und es ist möglich Ausführungsbeispiele der Erfindung bereitzustellen, in denen eine Integralbildung über die gesamte Regelabweichung ΔT ausgeführt wird, wobei die Integralbildung erst zu einem Zeitpunkt beginnt, an dem der Kesseltemperatur-Istwert T_IST den definierten Temperaturbereich bzw. die tote Zone verlässt.
Solange die Kesseltemperatur, bzw. der Kesseltemperatur-Istwert T_IST, oberhalb des ersten Temperaturbereichswerts T₁ bleibt, wird der Wert des Abschaltintegrals I_AB(t) bestimmt.
Im Schritt S410 Abschalten des Brenners 10 wird der der Brenner 10 abgeschaltet, wenn der Wert des Abschaltintegrals I_AB(t) den eingestellten ersten Schwellwert SW₁ erreicht oder übersteigt, oder wenn zuvor der Absolutbetrag der Regelabweichungsdifferenz ΔT den eingestellten Maximalwert für die Regelabweichungsdifferenz ΔT_MAX erreicht oder übersteigt. Durch das Abschalten des Brenners wird eine Wärmezufuhr von dem Brenner 10 zu dem Kessel 20 geändert, so dass die Kesseltemperatur zu sinken beginnt.
Selbst bei ausgeschaltetem Brenner wird im Schritt S411 nach Abschalten des Brenners weiterhin das Abschaltintegral I_AB(t) bestimmt. Hierbei wird das Abschaltintegral I_AB(t) mindestens bis zu einem Zeitpunkt bestimmt, zu dem die abnehmende Kesseltemperatur den ersten Temperaturbereichswert T₁ erreicht oder unterschreitet. Schließlich wird das Abschaltintegral I_AB(t) bis zu einem Zeitpunkt t₃ weiter bestimmt an dem der Kesseltemperatur-Istwert T_IST den ersten Temperaturbereichswert T₁ erreicht oder unterschreitet. Zu diesem Zeitpunkt wird das Bestimmen des Abschaltintegrals I_AB(t) beendet und der bis dahin bestimmte Wert I_AB(t₃) als neuer Wert für den zweiten Schwellwert SW₂ festgelegt: I_AB(t₃) = SW₂.
Sinkt die Kesseltemperatur weiter, so dass die Regelabweichungsdifferenz ΔT größer gleich der Differenz der Kesseltemperatur-Solltemperatur T_SOLL mit dem zweiten Temperaturbereichswert T₂ an einem Zeitpunkt τ_ZU wird, beginnt in Schritt S412 Bestimmen des Zuschaltintegrals I_ZU(t) die Integration zum Bestimmen des Zuschaltintegrals I_ZU(t):
Erreicht oder unterschreitet das bestimmte Zuschaltintegral I_ZU(t) den zweiten Schwellwert SW₂, der entsprechend dem Wert des Abschaltintegrals I_AB(t₃) zum Zeitpunkt t₃ festgelegt ist, wird der Brenner im Schritt S405 wieder zugeschaltet, um den Kessel 20 im Schritt S406 wieder Wärme zuzuführen. Des Weiteren wird der Brenner 10 durch eine erweiterte Regelung auch dann zugeschaltet, wenn die Regelabweichung ΔT bei sinkendem Kesseltemperatur-Istwert unterhalb des Sollwerts eine maximale Regelabweichung ΔT_MAX erreicht oder überschreitet, obwohl das bestimmte Zuschaltintegral I_ZU(t) den zweiten Schwellwert SW₂ = I_AB(t₃) noch nicht erreicht hat.
Die Schritte S405 bis S412 werden zyklisch wiederholt, so dass der Kesseltemperatur-Istwert T_IST um den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL schwankt.
Durch das Festlegen des zweiten Schwellwert SW₂ = I_AB(t₃), kann sichergestellt werden, dass der Kessel innerhalb eines Zyklus im gleichen Maße unterversorgt wird, wie er direkt zuvor mit Wärmeenergie überversorgt wurde. Der Grund hierfür ist, dass das Abschaltintegral vom Zeitpunkt τ_AB bis zum Zeitpunkt t₁ im Wesentlichen dem Wert der zuviel eingebrachten Wärmeenergie entspricht, und es wird sichergestellt, dass der Brenner innerhalb des Zyklus solange ausgeschaltet bleibt, bis ein analog gebildetes Zuschaltintegral den gleichen Wert erreicht wie das zuvor gebildete Abschaltintegral, das im Wesentlichen einer Überversorgung an Wärmeenergie entspricht. Innerhalb eines Zyklus ist somit sichergestellt, dass der Kessel weder über- noch unterversorgt wird.
5 zeigt einen Zyklus eines Brenners, der nach dem Verfahren zum Regeln eines Brenners nach dem in 4 beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geregelt wird. 5 zeigt den Temperaturverlauf der Kesseltemperatur als Funktion der Zeit t und den entsprechenden zeitlichen Verlauf der Brennerleistung P_Br als Funktion der Zeit t. Der eingestellte Sollwert T_SOLL für die Kesseltemperatur ist durch eine horizontale Linie dargestellt Ober- und unterhalb des eingestellten Sollwerts T_SOLL sind zwei weitere horizontale Linien dargestellt, die die Tote Zone bzw. den definierten Temperaturbereich um den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL definieren und die ersten und zweiten Temperaturbereichswerte T₁ und T₂ darstellen. Zusätzlich stellt eine weitere horizontale Linie die eingestellte maximale Regelabweichung ΔT_MAX dar.
Zu einem Zeitpunkt t₀ wird der Brenner 10 zugeschaltet, dargestellt durch den Anstieg der Brennerleistung zum Zeitpunkt t₀ (S405). Die Kesseltemperatur steigt aufgrund des Zuschaltens des Brenners 10 und erreicht bzw. überschreitet den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL und kurz daraufhin zu einem Zeitpunkt τ_AB den ersten Temperaturbereichswert T₁. Zu diesen Zeitpunkt τ_AB beginnt das Bestimmen des Abschaltintegrals I_AB(t) im Schritt S409. Zu einem Zeitpunkt t₁ erreicht der bestimmte Wert des Abschaltintegrals I_AB(t) den eingestellten ersten Schwellwert SW₁, so dass der Brenner zu diesem Zeitpunkt t₁ abgeschaltet wird, dargestellt durch den Abfall der Brennerleistung P_Br zum Zeitpunkt t₁ (S410).
Das Abschaltintegral I_AB(t) wird nun im Schritt S411 weiter bestimmt, bis der Kesseltemperatur-Istwert T_IST zu einem Zeitpunkt t₃ den ersten Temperaturbereichswert T₁ erreicht und unterschreitet. Die schraffierte Fläche unterhalb des Verlaufs der Kesseltemperatur als Funktion der Zeit t zwischen den Zeitpunkten τ_AB und t₃ entspricht dem Wert des Abschaltintegrals I_AB(t₃) zum Zeitpunkt t₃. Dieser Wert wird als neuer zweiter Schwellwert SW₂ für das nächste zu bestimmende Zuschaltintegral I_ZU(t) festgelegt.
Nach dem Zeitpunkt t₃ fällt die Kesseltemperatur bei abgeschaltetem Brenner 10 weiter, bis sie kurz darauf unter die definierte Tote Zone, also unter den ersten Temperaturbereichswert T₂ fällt. Zu diesem Zeitpunkt τ_ZU beginnt das Bestimmen des Zuschaltintegrals I_ZU(t) im Schritt S412.
Zu einem Zeitpunkt t₂ erreicht der Wert des Zuschaltintegrals I_ZU(t₂) den zweiten Schwellwert SW₂ = I_AB(t₃), so dass der Brenner 10 zum Zeitpunkt t₂ im Schritt S405 erneut zugeschaltet wird. Ab- und Zuschaltintegralwerte, die bisher bestimmt wurden, und/oder der zweite Schwellwert SW₂ werden zurückgesetzt, so dass ein weiterer Brennerzyklus anhand der Regelungsmethode nach der vorliegenden Erfindung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel erneut erfolgen kann.
6 illustriert die Wirkungsweise des eingestellten Regelabweichungsmaximalwerts ΔT_MAX. Die Kesseltemperatur steigt nach Zuschalten des Brenners 10 zu einem Zeitpunkt t₀. An einem Zeitpunkt t₂ übersteigt die Kesseltemperatur den ersten Temperaturbereichswert T₁ und das Bestimmen des Abschaltintegrals I_AB(t) beginnt. Die Regelabweichung steigt nach Zuschalten des Brenners 10 so schnell, dass die Kesseltemperatur T_IST zu einem Zeitpunkt t₄ einen Wert erreicht, bei dem der Absolutbetrag der ermittelten momentanen Regelabweichung ΔT(t₄) den eingestellten Regelabweichungsmaximalwert ΔT_MAX erreicht.
Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Regeln eines Brenners nach der vorliegenden Erfindung wird der Brenner zu diesem Zeitpunkt t₄ abgeschaltet, obwohl der Wert des Abschaltintegrals I_AB(t₄) zu diesem Zeitpunkt t₄ noch nicht den ersten Schwellwert SW₁ erreicht oder überschritten hat.
Somit können auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem das Ein- und Ausschalten des Brenners anhand der Bestimmung von Ab- und Zuschaltintegralen bestimmt wird, zu hohe Temperaturamplituden bei schnellem Anstieg oder Fall der Kesseltemperatur vermieden werden, indem die Regelabweichung zusätzlich zu den bestimmten Regelabweichungsintegralen begrenzt wird, d. h. bei einer sehr hohen Überschreitung des Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL wird der Brenner ebenfalls abgeschaltet, gegebenenfalls unabhängig von dem bestimmten Abschaltintegral.
Weiterhin wird in dem Regelungsverfahren eines Brenners nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Temperaturbereich, bzw. eine Tote Zone (z. B. 1 K) definiert, wobei innerhalb der Toten Zone weder Zu- noch Abschaltintegrale gebildet werden. Innerhalb dieser Toten Zone wird die Integration also angehalten.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Regeln eines Brenners nach der vorliegenden Erfindung wird der Wert des Abschaltintegrals I_AB(t) zusätzlich auch zurückgesetzt, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL bei in Betrieb befindlichem Brenner unterschreitet. In diesem Falle wird das Abschaltintegral auf den Wert Null zurückgesetzt, bzw. der Zeitpunkt, zu dem der Kesseltemperatur-Istwert T_IST den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL erneut überschreitet als neuer Startzeitpunkt für die Bestimmung des Abschaltintegrals I_AB(t) verwendet.
Somit kann vermieden werden, dass ein lange laufender Brenner in einem modulierenden Betrieb durch Kumulation kleiner Regelabweichungen abgeschaltet wird. Bei modulierendem Betrieb kann auch eine kleine Schwankung der Kesseltemperatur innerhalb der definierten Toten Zone auftreten, in der nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ebenfalls keine Ab- und Zuschaltintegrale gebildet werden. Somit tritt bei kleinen Regelabweichungen innerhalb der Toten Zone keine Kumulation beim Bestimmen der Ab- oder Zuschaltintegrale auf, so dass kleine Regelabweichungen innerhalb der Toten Zone nicht zu unnötigem oder unerwünschtem Ein- und Ausschalten des Brenners 10 führen können.
7 zeigt eine Vorrichtung zum Regeln eines Brenners nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die dazu geeignet ist, zumindest eines der erfindungsgemäßen Verfahren nach den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auszuführen. Die Vorrichtung 30 zum Regeln eines Brenners 10 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kesseltemperatur-Sollwert-Einstellungsmittel 31, ein Kesseltemperatur-Istwert-Ermittelungsmittel 32, ein Regelabweichungs-Bestimmungsmittel 33, ein Brennersteuerungsmittel 34, ein Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel 35, ein Schwellwert-Einstellungsmittel 36, ein Regelabweichungsgrenzwert-Einstellungsmittel 37 und ein Temperaturbereichs-Definitionsmittel 38.
Das Kesseltemperatur-Sollwert-Einstellungsmittel 31 ist geeignet, einen Sollwert für die Kesseltemperatur, also den oben beschriebenen Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL für die Regelung des Brenners 10, einzustellen.
Das Kesseltemperatur-Istwert-Ermittelungsmittel 32 ist dazu geeignet, den momentanen Wert der Kesseltemperatur, also den Kesseltemperatur-Istwert T_IST in zumindest einem Teil des Kessels zu ermitteln. Das Kesseltemperatur-Istwert-Ermittelungsmittel 32 umfasst hierzu zumindest ein Mittel zum Messen der Kesseltemperatur in einem Bereich des Kessels oder eine Vielzahl von Mitteln zum Ermitteln von Kesseltemperaturen an verschiedenen Stellen des Kessels, wobei das Kesseltemperatur-Istwert-Ermittelungsmittel 32 gegebenenfalls dazu geeignet ist, die von der Vielzahl von Mitteln ermittelten Kesseltemperaturwerte festzustellen und weiterzuverarbeiten, gegebenenfalls durch gewichtete oder ungewichtete Mittelwertbildung, um einen Istwert T_IST zu bestimmen.
Weiterhin ist das Kesseltemperatur-Istwert-Ermittelungsmittel 32 dazu geeignet, den Istwert der Kesseltemperatur kontinuierlich oder wiederholt bzw. periodisch zu ermitteln. Somit kann die Kesseltemperatur T_IST als Funktion der Zeit t ermittelt werden.
Das Regelabweichungs-Bestimmungsmittel 33 ist dazu geeignet, eine Regelabweichung ΔT zwischen dem eingestellten Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL und dem momentan ermittelten Kesseltemperatur-Istwert T_IST zu bestimmen. Hierzu ist das Regelabweichungs-Bestimmungsmittel 33 zumindest geeignet, eine Differenz ΔT = T_SOLL – T_IST zu bestimmen.
Das Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel 35 ist dazu geeignet, die kontinuierlich oder wiederholt von dem Regelabweichungs-Bestimmungsmittel 33 bestimmten Regelabweichungen ΔT(t) über die Zeit t zu integrieren, Integrale in Abhängigkeit der Regelabweichung zu bestimmen und/oder den Absolutwert eines bestimmten Integrals über die Zeit t zu bilden.
Das Brennersteuerungsmittel 34 ist dazu geeignet, den Brenner 10 zu- und abzuschalten anhand der bestimmten Zu- und Abschaltintegrale, die durch das Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel 35 bestimmt werden.
Das Temperaturbereichs-Definitionsmittel 38 ist dazu geeignet, einen Temperaturbereich, bzw. eine Tote Zone, um den eingestellten Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL zu definieren. Das Temperaturbereichs-Definitionsmittel 38 ist dazu geeignet, einen ersten Temperaturbereichswert T₁ größer dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL und einen zweiten Temperaturbereichswert T₂ kleiner dem Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL einzustellen oder einen Temperaturbereich um den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL zu definieren durch Einstellen einer Temperaturbereichshalbbreite, die eine halbe Breite des zu definierenden Temperaturbereichs definiert, wobei der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL im Mittelpunkt des definierten Temperaturbereichs liegt.
Das Schwellwert-Einstellungsmittel 36 ist dazu geeignet, einen ersten Schwellwert SW₁ und/oder zweiten Schwellwert SW₂ als Schwellwerte für die bestimmten Zu- und Abschaltintegrale, die durch das Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel 35 bestimmt werden, einzustellen. Das Brennersteuerungsmittel 34 ist dazu geeignet den Brenner 10 abzuschalten, wenn ein bestimmtes Abschaltintegral I_AB(t) den ersten Schwellwert SW₁ erreicht oder überschreitet, und den Brenner 10 abzuschalten, wenn ein von dem Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel 35 bestimmtes Zuschaltintegral I_ZU(t) den zweiten Schwellwert SW₂ erreicht oder überschreitet.
Das Regelabweichungsgrenzwert-Einstellungsmittel 37 ist dazu geeignet, einen Maximalwert für die Regelabweichung als Regelabweichungsgrenzwert ΔT_MAX einzustellen, so dass große Temperaturamplituden vermieden werden können, indem das Brennersteuerungsmittel 34 den Brenner ab- bzw. zuschaltet, wenn die von dem Regelabweichungs-Bestimmungsmittel 33 bestimmte Regelabweichung ΔT oder der Absolutwert davon den eingestellten Regelabweichungsgrenzwert ΔT_MAX erreicht, bevor ein von dem Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel 35 bestimmtes Zu- oder Abschaltintegral einen festgelegten Schwellwert erreicht oder überschreitet.
Schließlich umfasst die Vorrichtung 30 zum Regeln eines Brenners 10 weiterhin ein Integral-Zurücksetzungsmittel 39, das dazu geeignet ist, ein von dem Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel 35 bestimmtes Integral auf den Wert Null zurückzusetzen, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST in den definierten Temperaturbereich (Tote Zone) eindringt, insbesondere, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST bei eingeschaltetem Brenner zurück in den definierten Temperaturbereich fällt.
Durch die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele des Verfahrens zum Regeln eines Brenners 10 nach der vorliegenden Erfindung und die beschriebene bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Regeln eines Brenners 10 nach der vorliegenden Erfindung wird eine deutliche Optimierung der Regelung eines Brenners ermöglicht, wenn der Brenner unterhalb einer minimal modulierbaren Brennerleistung getaktet wird. Dies ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Brennerlaufzeiten, wodurch dynamische Belastungen durch Temperaturschwankungen des Kessels vermieden werden und eine emissionsärmere Verbrennung im Brenner ermöglicht wird.
Durch das Festlegen des zweiten Schwellwert SW₂ anhand des bestimmten Abschaltintegrals I_AB(t) bis zu einem Zeitpunkt, an dem die Kesseltemperatur bei abgeschaltetem Brenner unter den eingestellten Sollwert T_SOLL fällt, wird ermöglicht, dass der Kessel oder eine an den Kessel angeschlossene Heizanlage für ein Gebäude bei einem Stillstand des Brenners im selben Maße unterversorgt wird, wie im selben Zyklus kurz vor überversorgt wurde. Im zeitlichen Mittel wird somit eine Über- oder Unterversorgung an Wärmeenergie vermieden.
Erfindungsgemäß wird somit eine Regelungsmethode eines Brenners bereitgestellt, bei der weiterhin Komforteinbußen für einen Nutzer vermieden werden. Die nur kurzzeitig innerhalb eines Zyklus auftretende Über- bzw. Unterversorgung kann durch die Trägheit auf der Verbraucherseite ausgeglichen werden.
Weiterhin wird ermöglicht, dass ein gewünschtes Verhalten (lange Laufzeiten oder geringe Temperaturamplituden gewünscht) einfach über einen einzigen Parameter (z. B. der erste Schwellwert SW₁) eingestellt werden kann, wenn der zweite Schwellwert SW₂ für das Zuschaltintegral anhand des zuvor bestimmten Abschaltintegrals bestimmt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist hierbei sowohl für Gas- als auch Ölbrenner geeignet, sowie für weitere Brennerarten, die für Lasten unterhalb einer minimal modulierbaren Brennerleistung getaktet werden. Das Verfahren ist für Heizungsanlagen für alle Gebäudetypen und Auslegungstemperaturen geeignet und bietet eine hohe Robustheit aufgrund des Integralansatzes, nach dem die Ab- und Zuschaltzeitpunkte des Brenners in einem Zyklus nicht anhand starrer Temperaturgrenzen, sondern anhand eines Integrals der Regelabweichung über die Zeit t bestimmt werden.

Claims

Verfahren zum Regeln der Laufzeit eines Brenners (10), der geeignet ist, einem Kessel (20) Wärme zuzuführen, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte umfasst: – Einstellen (S31; S401) eines Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL, der einen Sollwert der Kesseltemperatur angibt, – Zuführen (S33; S406) von Wärme durch den Brenner (10) zu dem Kessel (20), – kontinuierliches oder wiederholtes Ermitteln (S34; S407) eines momentanen Kesseltemperatur-Istwerts T_IST, der von einer momentanen Temperatur in zumindest einem Teil des Kesselvolumens abhängt, zum Bestimmen des Kesseltemperatur-Istwerts T_IST(t) als Funktion der Zeit t, – kontinuierliches oder wiederholtes Bestimmen (S35; S408) einer momentanen Regelabweichungsdifferenz ΔT, die eine Differenz zwischen dem eingestellten Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL und dem bestimmten momentanen Kesseltemperatur-Istwert T_IST angibt, zum Bestimmen der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) als Funktion der Zeit t, – Bestimmen (S36; S409, S411) eines Abschaltintegrals I_AB(t) durch Integralbildung in Abhängigkeit der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) über die Zeit t, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST größer ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, – Abschalten (S37; S410) des Brenners (10) zu einem ersten Zeitpunkt t₁, an dem der Wert I_AB(t₁) des Abschaltintegrals I_AB(t) einen ersten Schwellwert SW₁ erreicht, um das Zuführen von Wärme durch den Brenner (10) zu beenden, – Bestimmen (S38; S412) eines Zuschaltintegrals I_ZU(t) durch Integralbildung in Abhängigkeit der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) über die Zeit t, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST kleiner ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, und – Zuschalten (S32; S405) des Brenners (10) zu einem zweiten Zeitpunkt t₂, an dem der Wert I_ZU(t₂) des Zuschaltintegrals I_ZU(t) einen zweiten Schwellwert SW₂ erreicht, um dem Kessel (20) Wärme durch den Brenner (10) zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschaltintegral I_AB(t) bestimmt wird bis zu einem dritten Zeitpunkt t₃, an dem der Kesseltemperatur-Istwert T_IST(t) den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL oder einen vorbestimmten ersten Temperaturbereichswert T₁ nach Abschalten des Brenners (10) erreicht oder unterschreitet, wobei der zweite Schwellwert SW₂ entsprechend dem Wert I_AB(t₃) des Abschaltintegrals I_AB(t) zu dem dritten Zeitpunkt t₃ festgelegt wird, so dass der zweite Zeitpunkt t₂ der Zeitpunkt ist, an dem der Absolutwert |I_ZU(t)| des Zuschaltintegrals I_ZU(t) den Absolutwert |I_AB(t₃)| des Abschaltintegrals I_AB(t) zu dem dritten Zeitpunkt t₃ erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wiederholtes Ausführen der Schritte Zuführen (S33; S406) von Wärme, Bestimmen (S36; S409, S411) des Abschaltintegrals I_AB(t), Abschalten (S37; S410) des Brenners (10), Bestimmen (S38; S412) eines Zuschaltintegrals I_ZU(t) und Zuschalten (S32; S405) des Brenners (10).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt Einstellen (S402) des ersten Schwellwerts SW₁.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Einstellens (S404) eines Regelabweichungsgrenzwerts ΔT_MAX, wobei der Brenner (10) zu dem ersten Zeitpunkt t₁ oder zu einem vierten Zeitpunkt t₄, an dem der Absolutwert |ΔT(t₄)| der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) einen Regelabweichungsgrenzwert ΔT_MAX erreicht oder überschreitet, vor dem ersten Zeitpunkt t₁ abgeschaltet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Definierens (S403) eines Temperaturbereichs um den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL durch Einstellen eines ersten Temperaturbereichswerts T₁, der größer ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, und eines zweiten Temperaturbereichswerts T₂, der kleiner ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, wobei das Abschaltintegral I_AB(t) nur dann bestimmt wird, wenn der bestimmte momentane Kesseltemperatur-Istwert T_IST größer als der erste Temperaturbereichswert T₁ ist, und wobei das Zuschaltintegral I_ZU(t) nur dann bestimmt wird, wenn der bestimmte momentane Kesseltemperatur-Istwert T_IST kleiner als der zweite Temperaturbereichswert T₂ ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt des Zurücksetzens des bestimmten Abschaltintegrals I_AB(t) auf den Wert Null, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL bei zugeschaltetem Brenner (10) unterschreitet.
Vorrichtung zum Regeln der Laufzeit eines Brenners (10), der geeignet ist, einem Kessel (20) Wärme zuzuführen, mit: – einem Kesseltemperatur-Sollwert-Einstellungsmittel (31) zum Einstellen eines Kesseltemperatur-Sollwerts T_SOLL, der einen Sollwert der Kesseltemperatur angibt, – einem Kesseltemperatur-Istwert-Ermittelungsmittel (32) zum kontinuierlichen oder wiederholten Ermitteln eines momentanen Kesseltemperatur-Istwerts T_IST, der eine momentane Temperatur in zumindest einem Teil des Kesselvolumens angibt, zum Bestimmen des Kesseltemperatur-Istwerts T_IST(t) als Funktion der Zeit t, – einem Regelabweichungs-Bestimmungsmittel (33) zum kontinuierlichen oder wiederholten Bestimmen einer momentanen Regelabweichungsdifferenz ΔT, die eine Differenz zwischen dem eingestellten Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL und dem bestimmten momentanen Kesseltemperatur-Istwert T_IST angibt, zum Bestimmen der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) als Funktion der Zeit t, – einem Brennersteuerungsmittel (34) zum Zu- und Abschalten des Brenners (10), – ein Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel (35) zum Bestimmen eines Integrals durch Integralbildung in Abhängigkeit der Regelabweichung ΔT(t) über die Zeit t, wobei das Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel (35) ein Abschaltintegral I_AB(t) bestimmt, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST größer ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, das Brennersteuerungsmittel (34) den Brenner (10) zu einem ersten Zeitpunkt t₁ abschaltet, an dem der Wert I_AB(t₁) des Abschaltintegrals I_AB(t) einen ersten Schwellwert SW₁ erreicht, um das Zuführen von Wärme durch den Brenner (10) zu beenden, das Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel (35) ein Zuschaltintegral I_ZU(t) bestimmt, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST kleiner ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, und das Brennersteuerungsmittel (34) den Brenner (10) zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ zuschaltet, an dem der Wert I_ZU(t₂) des Zuschaltintegrals I_ZU(t) einen zweiten Schwellwert SW₂ erreicht, um dem Kessel (20) Wärme durch den Brenner (10) zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel (35) das Abschaltintegral I_AB(t) durch Integration bis zu einem dritten Zeitpunkt t₃ bestimmt, an dem der Kesseltemperatur-Istwert T_IST den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL oder einen ersten Temperaturbereichswert T₁ nach Abschalten des Brenners (10) erreicht oder unterschreitet, und das Brennersteuerungsmittel (34) den zweiten Schwellwert SW₂ entsprechend dem Wert I_AB(t₃) des Abschaltintegrals I_AB(t) zu dem dritten Zeitpunkt t₃ festgelegt, so dass der zweite Zeitpunkt t₂ der Zeitpunkt ist, an dem der Absolutwert |I_ZU(t)| des Zuschaltintegrals I_ZU(t) den Absolutwert |I_AB(t₃)| des Abschaltintegrals I_AB(t) zu dem dritten Zeitpunkt t₃ erreicht oder überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Schwellwert-Einstellungsmittel (36) zum Einstellen des ersten Schwellwerts SW₁.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ein Regelabweichungsgrenzwert-Einstellungsmittel (37) zum Einstellen eines Regelabweichungsgrenzwerts ΔT_MAX, wobei der Brenner (10) zu dem ersten Zeitpunkt t₁ oder zu einem vierten Zeitpunkt t₄, an dem der Absolutwert |ΔT(t₄)| der Regelabweichungsdifferenz ΔT(t) einen Regelabweichungsgrenzwert ΔT_MAX erreicht oder überschreitet, vor dem ersten Zeitpunkt t₁ durch das Brennersteuerungsmittel (34) abgeschaltet wird.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch ein Temperaturbereich-Definitionsmittel (38) zum Definieren eines Temperaturbereichs um den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL durch Einstellen eines ersten Temperaturbereichswerts T₁, der größer ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, und eines zweiten Temperaturbereichswerts T₂, der kleiner ist als der Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL, wobei das Abschaltintegral I_AB(t) nur dann von dem Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel (35) bestimmt wird, wenn der bestimmte momentane Kesseltemperatur-Istwert T_IST größer als der erste Temperaturbereichswert T₁ ist, und das Zuschaltintegral I_ZU(t) nur dann von dem Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel (35) bestimmt wird, wenn der bestimmte momentane Kesseltemperatur-Istwert T_IST kleiner als der zweite Temperaturbereichswert T₂ ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch ein Integral-Zurücksetzungsmittel (39) zum Zurücksetzen eines von dem Regelabweichungsintegral-Bestimmungsmittel (35) bestimmten Integrals auf den Wert Null, wobei das Integral-Zurücksetzungsmittel (39) das bestimmte Abschaltintegral I_AB(t) auf den Wert Null zurücksetzt, wenn der Kesseltemperatur-Istwert T_IST den Kesseltemperatur-Sollwert T_SOLL bei zugeschaltetem Brenner (10) unterschreitet.