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Die Erfindung betrifft ein Strahlungsheizsystem für ein Gebäude mit wenigstens einem Raum, der durch eine innere Hüllfläche begrenzt ist.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Strahlungsheizsystems für ein Gebäude, insbesondere des erfindungsgemäßen Strahlungsheizsystems.
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Heizungsanlagen zur Wärmeerzeugung und Wärmespeicherung wie Gas- oder Ölboiler, Pelletöfen, Wärmepumpen usw., die die erzeugte Wärme mittels Wasser an die Wärmeabgabesysteme (üblicherweise Heizkörper) übertragen, werden zur Gebäudeheizung verwendet. Die so beheizten Gebäude sind Ein- oder Mehrfamilienhäuser, Industrie- und Gewerbebauten sowie Kirchen. Herkömmliche Einzelheizungen wie Kachelöfen, elektrische Direktheizungen wie Elektrospeicher-Heizungen spielen dabei eine eher untergeordnete Rolle. Alle diese Heizsysteme erwärmen die Räume überwiegend konvektiv.
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Ein zu beheizender Raum wird durch eine innere Hüllfläche begrenzt, welche durch den Boden, Wände und die Decke definiert ist.
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Darüber hinaus gibt es Zusatz-Strahlungsheizgeräte, die insbesondere über einzelnen, besonders warm zu haltenden, kleinen Raumabschnitten aufgehängt sind, beispielsweise über Wickeltischen oder Arbeitsplätzen in kalten Umgebungen (Hallen, Kellern).
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Die
DE 197 26 034 A1 offenbart eine Anordnung und ein Verfahren zur Erzielung einer einstellbaren Behaglichkeitstemperatur (Empfindungs-Solltemperatur) in der Umgebung einer in einem Raum mit abgesenkter Temperatur (Empfindungs-Isttemperatur) befindlichen Person mittels eines Heizstrahlers, wobei dieser Heizstrahler auf die Person ausrichtbar ist. Ferner ist ein transportabler, im Strahlungsfeld des Heizstrahlers nahe der bestrahlten Person angeordneter Komfortsensor zur Erfassung der Empfindungs-Isttemperatur vorgesehen. Die Differenz zwischen der gemessenen Empfindungs-Isttemperatur und der eingestellten Empfindungs-Solltemperatur wird anschließend durch die Leistung des Heizstrahlers zu Null geregelt. Die damit verbundene Bestrahlung der Person ist hierbei vergleichbar mit der in der freien Natur auftretenden, wohltuenden Sonnenstrahlung bei kalten Witterungsbedingungen. Zur Abbildung des thermischen Komforts, d. h. der empfundenen Behaglichkeit, wird auf das Rechenmodell nach ISO 7730 verwiesen, bei welchem der Grad des Komforts durch den sogenannten PMV-Wert (Predicted Mean Vote) angezeigt wird.
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Dieses Modell zur Abbildung der Behaglichkeit nach ISO 7730 bildet auch die Grundlage für den Betrieb einer Luftheizung gemäß der
US 5,285,959 A . Die
EP 0 476 692 A2 bezieht sich ebenfalls auf die ISO 7730 und schlägt eine vereinfachte Bestimmung des PMV-Werts vor, um den Aufwand zur Bestimmung des thermischen Komforts zu reduzieren.
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In der
DE 33 00 389 A1 ist ein Gerät zum Messen der Klimawerte, insbesondere in Wohn-, Schlaf- und Arbeitsräumen beschrieben, welches die Bewohner vor Gesundheits- und Bauschäden bewahren soll. Aus Lufttemperatur und relativer Feuchte werden sogenannte Behaglichkeitskoordinaten bestimmt. Erreichen diese Koordinaten den Grenzbereich eines vorgegebenen Behaglichkeitsfeldes, wird dies z. B. durch Aktivierung einer oder mehrerer Warnleuchten angezeigt.
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Auch in der
DE 10 2006 032 858 B4 werden Temperatur- und Feuchtemessungen durchgeführt, welche als Grundlage für ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontrollierten Lüften eines Raums dienen, um die Gefahr von Feuchtigkeitsschäden zu verringern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Heizsystem für ein Gebäude sowie ein Steuerungsverfahren für ein neues Heizsystem bereitzustellen, die sehr energieeffizient sind und vor allem ein angenehmes Raumklima schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Strahlungsheizsystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 18 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Strahlungsheizsystem wird über mehrere Strahlungsheizgeräte die innere Raum-Hüllfläche mittels Wärmestrahlung erwärmt und nicht primär nur die Raumluft über Konvektion. Temperatursensoren bestimmen die Oberflächentemperatur der inneren Raum-Hüllfläche, zumindest Abschnitte hiervon, um auf Basis dieser Daten sowie auf Basis der Lufttemperatur und, vorzugsweise zusätzlich, der relativen Luftfeuchtigkeit im Raum die Raum-Hüllfläche gezielt über Wärmestrahlung aufzuheizen. Eine Steuereinheit verarbeitet die vorgenannten Daten und sorgt für die Betätigung (direkte oder indirekte Betätigung) eines oder mehrerer Strahlungsheizgeräte.
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Die Strahlungsheizgeräte sind nicht etwa selbst in der Raum-Hüllfläche, die sie erwärmen sollen, angeordnet, vielmehr liegen sie vorzugsweise zum Raum frei und strahlen durch den Raum auf zumindest Abschnitte der zu erwärmenden Raum-Hüllfläche.
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Als Strahlungsheizgerät werden bevorzugt ausschließlich Infrarot-Strahlungsheizgeräte, welche elektrisch betrieben werden, eingesetzt, wobei hier besonders IR-C-Strahlung erzeugt wird. Dadurch, dass in die Steuerung nicht nur die Lufttemperatur, sondern auch die Oberflächentemperatur sowie in der optimierten Ausführungsform auch die Luftfeuchtigkeit im Raum eingehen, ist es möglich, gezielt die gefühlte Wärme für die Person zu beeinflussen, die unter anderem auch von der Luftfeuchtigkeit abhängig ist. Oberflächentemperaturen der inneren Raum-Hüllfläche beeinflussen das Wärmeempfinden von Personen sehr stark. Voraussetzung für ein angenehmes Raumklima ist nämlich vor allem ein Ausgleich des Temperaturniveaus der inneren Raumoberflächen (Boden, Wände, Decke) und damit der abgestrahlten Wärme innerhalb des Raumes über die Raum-Hüllfläche. Im normalen konvektiven Heizbetrieb ist ein solcher Ausgleich nicht möglich, da durch die Konvektion eine hohe Luftverwirbelung eintritt und bestimmte Abschnitte der Raum-Hüllfläche besonders aufgeheizt werden, wogegen andere kühl bleiben. Durch die in den Raum abstrahlenden Strahlungsheizgeräte wird bei der vorliegenden Erfindung darüber hinaus nicht nur die Raum-Hüllfläche, sondern auch Gegenstände im Raum erwärmt, die die Energie absorbieren, reflektieren und zum Teil transmittieren. Die Luft im Raum wird durch den Kontakt mit den Oberflächen, die sich erwärmt haben, erwärmt. Die Hüllfläche selbst wird trocken gehalten (kein Schimmelbefall). Die Luftbewegungen werden durch das erfindungsgemäße Strahlungsheizsystem ebenfalls gering gehalten. Trockene Heizungsluft stellt sich nicht ein.
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Vorzugsweise arbeitet das erfindungsgemäße Strahlungsheizsystem derart, dass Abschnitte der inneren Hüllfläche differenziert erwärmt werden, damit sie untereinander keine Temperaturunterschiede bzw. nur geringe Temperaturunterschiede aufweisen.
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Durch das erfindungsgemäße Strahlungsheizsystem lässt sich die Lufttemperatur um 2 bis 3°C niedriger einstellen als bei bisherigen Heizsystemen, ohne dass die Wohnbehaglichkeit darunter leidet. Durch die niedrigere Lufttemperatur wird Energie eingespart, insbesondere muss auch bei einem Luftwechsel die frische Raumluft nicht so stark erwärmt werden. Die Infrarot-Strahlungswärme erwärmt im Übrigen nicht nur die innere Raum-Hüllfläche, sie trocknet auch das Mauerwerk. Dadurch verschiebt sich der Taupunkt um bis zu einem Drittel der Wandstärke nach außen, wodurch der Wärmedämmeffekt entsprechend steigt.
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Die Steuereinheit ist so programmiert, dass die Lufttemperatur im Gebäude bei aktiviertem Strahlungsheizgerät und nichtaktiviertem Klimatisierungs- oder Lüftungssystem (falls vorhanden) unterhalb der Oberflächentemperatur der im Strahlungsbereich des Strahlungsheizgeräts befindlichen Raum-Hüllfläche liegt. Das Strahlungsheizsystem heizt sozusagen die Hüllfläche gezielt auf, um hier möglichst geringe Temperaturunterschiede zu haben, sodass die Hüllfläche als Wärme abstrahlende Fläche wirkt. Bezüglich der Oberflächentemperatur der Raum-Hüllfläche ist zu betonen, dass die Oberflächentemperatur nahe von Zusatzenergiequellen (Licht, Öfen) oder Kältequellen (z. B. Lüftungsauslässen) unberücksichtigt bleibt.
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Das erfindungsgemäße Strahlungsheizsystem ist steuerungsmäßig in verschiedene Abschnitte unterteilt. Dies erfolgt deshalb, weil die Gegebenheiten in einem Gebäude unterschiedlich sind, ebenso wie die Gegebenheiten innerhalb eines Raumes. Das Gebäude oder der Raum wird in hierarchische oder nutzungsspezifische Ebenen oder Abschnitte gegliedert.
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Ein Gebäude kann beispielsweise in verschiedene Sektionen unterteilt werden, das sind logische oder funktionale Teile innerhalb des Gebäudes, zum Beispiel Gebäudeteile, Stockwerke usw., die unterschiedlich beheizt werden.
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Natürlich muss nicht jedes Gebäude in Sektionen unterteilt sein, ein normales Einfamilienhaus muss nicht unbedingt unterschiedlich stark beheizte Stockwerke haben.
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Jeder zu beheizende Raum hat wenigstens eine Bedarfszone und jede Bedarfszone wenigstens einen Heizbereich. Im einfachsten Fall ist der ganze Raum eine Bedarfszone mit einem Heizbereich. Das heißt, der gesamte Raum muss gleichmäßig beheizt werden. Größere Räume haben möglicherweise unterschiedliche Bedarfszonen, was zum Beispiel durch große Glasflächen bedingt ist (das heißt durch andere Parameter seitens der Hüllfläche) oder aufgrund erhöhten Wärmebedarfs (zum Beispiel in einer Arbeits- oder Spielecke). Diese Aufteilung des Gebäudes oder der Wohnung erfolgt in der Steuerung.
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Das Strahlungsheizsystem wird bezüglich der Positionierung der Strahlungsheizgeräte auf den zu beheizenden Raum bzw. seine Bedarfszone oder den Heizbereich hin maßgeschneidert, z. B. hinsichtlich Positionierung im Raum, Heizleistung und Ausrichtung. Die einzelnen Bedarfszonen oder Heizbereiche werden steuerungsmäßig einzeln erfasst. Das bedeutet beispielsweise, dass bei besonders kalten Hüllflächenabschnitten (Außenwände im Norden, Glasflächen) Strahlungsheizgeräte nahe an diesen Abschnitten angeordnet werden, die dann gezielt die Hüllflächentemperatur des für sie zuständigen Abschnitts der Hüllfläche überwachen und dafür sorgen, dass die Hüllfläche auf die Solltemperatur gebracht wird. Weitere Beispiele für Zonen (Bedarfszonen) sind der Wohn- oder der Küchenbereich eines kombinierten Wohn-, Ess- und Küchenraums oder zum Beispiel der Kassen-, der Verkaufs- oder der Kühlthekenabschnitt eines Supermarktes, die unterschiedliche funktionale Abschnitte darstellen.
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Falls, wie bereits gesagt, die Raum-Hüllfläche in der Bedarfszone keine großen Unterschiede aufweist, kann die Bedarfszone auch nur einen Heizbereich aufweisen. Dasselbe gilt, wenn in einer Bedarfszone nur ein Abschnitt der Raum-Hüllfläche gegenüber den übrigen Abschnitten stark zu erwärmen ist, weil beispielsweise eine Wand benachbart zu einem beheizten Nachbarzimmer liegt, sodass dieser Wandabschnitt nicht zu bestrahlen ist.
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Die Heizbereiche, vorzugsweise jeder Heizbereich, haben wenigstens ein Strahlungsheizgerät sowie einen Temperatursensor zum Bestimmen der Oberflächentemperatur der ihr zugeordneten inneren Raum-Hüllfläche. Alternativ oder zusätzlich hat jede Bedarfszone ein Messgerät zur Bestimmung der Lufttemperatur in ihrem Bereich. Zusätzlich kann auch noch ein Messgerät zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit in jeder Bedarfszone vorhanden sein. Natürlich kann in Kellerräumen, in denen die gleichmäßige Abstrahlung der Hüllfläche untergeordnet ist, das System weniger fein abgestimmt arbeiten, indem hier zum Beispiel keine Unterteilung in Bereiche oder Zonen stattfindet oder indem die Bereiche oder Zonen nur über einen gemeinsamen Temperatursensor oder weniger Temperatursensoren erfasst werden.
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Das erfindungsgemäße Strahlungsheizsystem wird dadurch noch verbessert, dass Heizbereiche, vorzugsweise jeder Heizbereich, eine eigene Steuereinheit zur Verarbeitung von Eingabedaten, der ermittelten Oberflächentemperatur, Lufttemperatur und, vorzugsweise zusätzlich auch der Luftfeuchtigkeit sowie zur Betätigung des jeweiligen Strahlungsheizgeräts haben. Unter Betätigung wird in diesem Zusammenhang eine direkte oder indirekte Betätigung verstanden. Indirekte Betätigung heißt, dass die Steuereinheit nicht direkt selbst das Strahlungsheizgerät ansteuert, sondern dass noch ein weiteres Gerät zwischengeschaltet sein kann.
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Die Steuereinheit kann in ein Strahlungsheizgerät des jeweiligen Heizbereichs integriert sein. Sollte in einem Heizbereich erhöhter Bedarf an Energie vorhanden sein, lassen sich auch ein oder mehrere zusätzliche Strahlungsheizgeräte ohne integrierte Steuereinheit an ein mit einer Steuereinheit ausgestattetes Strahlungsheizgerät steuerungsmäßig ankoppeln, um Kosten zu sparen. Es ist in diesem Zusammenhang also möglich, pro Heizbereich ein Strahlungsheizgerät mit integrierter Steuerung anzuordnen.
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Das Gebäude kann eine zentrale Bedieneinheit aufweisen, und/oder einzelnen oder jedem Raum oder einzelnen oder jeder Bedarfszone können eigene, lokale Bedieneinheiten zugeordnet sein. In einem Wohnhaus ist üblicherweise jedem Raum eine eigene, lokale Bedieneinheit innerhalb des Raumes zugeordnet, bei Supermärkten oder größeren Gebäuden ist vorzugsweise jeder Bedarfszone eine eigene, lokale Bedieneinheit zugeordnet.
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Es können auch mehrere Steuereinheiten zur Verarbeitung von Eingabedaten und der ermittelten Oberflächentemperatur, Lufttemperatur und, vorzugsweise auch, der Luftfeuchtigkeit sowie zur Aktivierung der Strahlungsheizgeräte (direkt oder indirekt) der Heizbereiche einer Bedarfszone vorgesehen und einer gemeinsamen lokalen Bedieneinheit zugeordnet sein. Dies ist beispielsweise bei größeren Räumen, bei denen mehrere Steuereinheiten aufgrund unterschiedlicher Heizbereiche notwendig sind, der Fall.
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Alternativ kann natürlich auch die Steuereinheit in eine Bedieneinheit integriert sein.
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Vorzugsweise ist der Temperatursensor zum Bestimmen der Oberflächentemperatur der inneren Raum-Hüllfläche und/oder der Temperatursensor zum Bestimmen der Lufttemperatur in das wenigstens eine Strahlungsheizgerät integriert. Dies ist jedoch kein Muss. Einzelne Sensoren oder alle Sensoren können auch separat vom Strahlungsheizgerät angeordnet sein.
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Bei mehreren Strahlungsheizgeräten im Heizbereich kann auch nur ein Strahlungsheizgerät mit allen oder einzelnen Temperatursensoren ausgestattet sein.
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Da die Luftfeuchtigkeit üblicherweise innerhalb des Raumes nicht extrem abweicht, wäre es auch vorteilhaft, ein zentrales Messgerät für die Luftfeuchtigkeitmessung in einer Bedarfszone oder in einem Raum anzuordnen.
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Zuvor wurde bereits erwähnt, dass die Steuereinheiten auch indirekt das Strahlungsheizgerät aktivieren. In diesem Fall ist insbesondere ein eigener Arbeitsregler zwischengeschaltet, der vorzugsweise in das Strahlungsheizgerät integriert ist. Ein solcher Arbeitsregler sorgt sozusagen dafür, dass der Raum oder der Heizbereich mit einem möglichst hohen Anteil an Wärmestrahlung aufgeheizt wird. Der Arbeitsregler taktet die zu verrichtende Arbeit vorzugsweise unter Ausnutzung der maximal verfügbaren Oberflächentemperatur. Der Arbeitsregler sorgt für unterschiedliche abgegebene Energiemengen, indem er pulsweitenmoduliert arbeitet. Er kann mit einem elektrischen Halbleiterrelais versehen sein oder es ansteuern, um die elektrische Stromversorgung zur Heizschicht freizugeben oder zu unterbrechen (Taktung). Über die Pulsweitenmodulation wird die Netzspannung ausgeglichen.
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Der Arbeitsregler kann eventuell selbst einen Teil der Steuerungsarbeit übernehmen, indem er auch die Berechnung der notwendigen Energieabgabe und die dafür notwendige Modulation bestimmt. Darüber hinaus kann er eventuell die aktuelle elektrisch geleistete Arbeit bestimmen sowie eventuell ein Messgerät für die aktuell abgegebene elektrische Leistung beinhalten. Die Berechnung der zu leistenden Arbeit der einzelnen Strahlungsheizgeräte kann aber natürlich auch über die Steuereinheit erfolgen.
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Einzelnen, vorzugsweise einem einzigen Strahlungsheizgerät pro Heizbereich ist eine eigene Steuereinheit zur Verarbeitung von Eingabedaten, der ermittelten Oberflächentemperatur, Lufttemperatur und, vorzugsweise zusätzlich, der Luftfeuchtigkeit sowie zur Betätigung des jeweiligen Strahlungsheizgeräts zugeordnet.
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Alternativ kann natürlich dem Gebäude eine zentrale Steuereinheit zur Verarbeitung von Eingabedaten und Messwerten sowie zur Betätigung aller Strahlungsheizgeräte zugeordnet sein.
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Darüber hinaus können die Steuereinheiten zur Verarbeitung von Eingabedaten und der ermittelten Oberflächentemperatur, Lufttemperatur und, vorzugsweise zusätzlich, der Luftfeuchtigkeit sowie zur Betätigung der Strahlungsheizgeräte oder zur Betätigung der Arbeitsregler einer zentralen Bedieneinheit zugeordnet sein. Über diese zentrale Bedieneinheit lassen sich dann beispielsweise einzelne Bedarfszonen aus der Ferne steuern. Gegebenenfalls lässt sich das Heizsystem auch über Telefon und Mobiltelefon steuern. Ferner können Telefon oder Mobiltelefon oder WLAN-fähige oder Bluetooth-fähige mobile Geräte als Anzeigegeräte für Daten fungieren.
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Wie bereits erläutert, kann die Bedieneinheit fernsteuerbar sein und insbesondere kabellos mit wenigstens einer der Steuereinheiten kommunizieren, wobei hier auch ein W-LAN-fähiges Gerät ausgeführt sein kann.
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Insbesondere ist mit jeder Bedieneinheit auch eine Anzeigeeinrichtung unmittelbar verbunden, die über ein Display aktuelle Daten oder eingegebene Daten anzeigt.
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Die Infrarot-Strahlungsheizgeräte sind vorzugsweise decken- und/oder wandintegriert, bevorzugt an der Decken- und/oder Wand montiert, wobei hier auch vor allem abgehängte Systeme vorteilhaft sind, damit die Entfernung zwischen dem Strahlungsheizgerät und der aufzuheizenden Hüllfläche nicht zu groß wird.
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Das erfindungsgemäße Strahlungsheizsystem arbeitet im Gegensatz zu bisherigen Systemen auf anderen Grundlagen, die miteinander auch kombinierbar sind, um eine noch optimalere Raumheizung zu erzielen. Eine Berechnungs- und Steuerungsgrundlage ist das sogenannte Raumklima. Das Raumklima wird bestimmt durch die operative Raumtemperatur (Mittelwert aus Lufttemperatur und Oberflächentemperatur) sowie die relative Luftfeuchtigkeit und die Luftbewegung. Das Raumklima wird auch in der DIN EN ISO 7730 definiert. Eine noch weiter verfeinerte Grundlage ist die thermische Behaglichkeit, die ebenfalls in der DIN EN ISO 7730 definiert ist. Die thermische Behaglichkeit soll die gefühlte Temperatur für den Bewohner wiedergeben.
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Mit dem erfindungsgemäßen Heizsystem reicht schon eine Lufttemperatur von 16(15)°C bei einer Wandtemperatur von 20(21)°C aus, um einen Wohnraum mit einer operativen Raumtemperatur von 18°C behaglich zu temperieren.
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Selbst wenn mittels einer Luftheizung durch Heizkörper ect. eine Lufttemperatur von 21°C bei einer Wandtemperatur von 16°C erreicht wird, bedeutet dieser Zustand zwar einen höheren Energieaufwand, jedoch keinen Zugewinn an Behaglichkeit.
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In die Bestimmung der thermischen Behaglichkeit fließen die körperliche Aktivität und die Kleidung (zusammenfassbar unter dem Begriff „Raumnutzung”) neben dem Raumklima ein. Die körperliche Aktivität und die Kleidung können aber bei normalen Räumen fest vorgegebene Parameter sein, sodass nur noch das Raumklima als zu messende Daten anzugeben sind und in die Bestimmung der Behaglichkeit als Variable eingehen.
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Die Steuereinheit arbeitet insbesondere über die Bestimmung des sogenannten PMV-Index. Dieser Index ist das vorausgesagte mittlere Votum, das heißt die Klimabeurteilung/Behaglichkeitsbeurteilung durch eine große Personengruppe anhand einer 7-stufigen Klima-/Behaglichkeitsbeurteilungsskala. Der PMV-Index beruht auf dem Wärmegleichgewicht des menschlichen Körpers. Das thermische Gleichgewicht ist erreicht, wenn die im Körper erzeugte Wärme gleich der an die Umgebung abgegebenen Wärme ist. In diesem Fall ist der PMV-Index 0 und wird neutral bezeichnet. Der Index kann von neutral abweichen, und zwar über die Stufen +/–0,5, +/–1, +/–2 und +/–3, die unter anderem leicht warm/kühl, warm/kühl bzw. heiß/kalt symbolisieren.
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Die Steuereinheit muss jedoch nicht exakt nach der DIN EN ISO 7730 arbeiten, es reicht eventuell aus, eine vereinfachte andere Grundlage der Wärmeberechnung und Steuerung zugrunde zu legen, und zwar auf den Strahlungsabgleich abzustellen. Zu betonen ist, dass dieser Strahlungsabgleich auch zusätzlich zur Klima- oder Behaglichkeitsberechnung nach der DIN EN ISO 7730 herangezogen werden kann. Dieser Strahlungsabgleich, der in der Steuereinheit sozusagen abgelegt ist und durch die Steuereinheit erzielt werden soll, sieht vor, dass die Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Wandoberflächen maximal 5°C, vorzugsweise maximal 3°C beträgt. Dies wird durch die Strahlungsheizgeräte erreicht, die die unterschiedlichen Temperaturniveaus ausgleichen, z. B. die Temperaturen einer Fensterfront verglichen mit einer Innenwand.
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Darüber hinaus kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass das Strahlungsheizsystem die Hüllflächen so aufheizt, dass die Differenz zwischen der Oberfläche der Hüllfläche und der Raumluft kleiner gleich 4°C beträgt und/oder der Temperaturunterschied zwischen Fuß- und Kopfhöhe (ca. bei 1,75 m) kleiner gleich 3°C.
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Die Verarbeitungsvorgaben der Steuereinheit sind veränderbar, um von einem Neutralbereich des Klimas oder der Behaglichkeit, wie es zuvor definiert wurde, abweichende Wunschklima- oder Wunschbehaglichkeitsvorgaben als Sollwerte abspeichern zu können. Hier kann der Bewohner individuelle Vorgaben machen, indem er beispielsweise von seinem persönlichen Temperaturempfinden ausgehend von neutral auf leicht warm oder warm stellt.
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Die Strahlungsheizgeräte sind vorzugsweise plattenförmige, elektrische Infrarotheizelemente, die die elektrische Energie in Infrarotstrahlung umwandeln. Vorzugsweise werden Geräte eingesetzt, die mindestens 70% der elektrischen Energie in IR-Strahlungsenergie umwandeln.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines Strahlungsheizsystems, insbesondere des zuvor erwähnten erfindungsgemäßen Strahlungsheizsystems, sieht folgende Schritte vor:
- a) Eingabe von Daten mittels einer Bedieneinheit;
- b) Bestimmung von Lufttemperatur und relativer Leuchtfeuchte mittels eines Messgeräts;
- c) Messung der Oberflächentemperatur von Hüllflächenabschnitten einer inneren Raum-Hüllfläche mittels mehrerer Temperatursensoren;
- d) Verarbeitung der Eingabedaten, der ermittelten Oberflächentemperatur, Lufttemperatur und, vorzugsweise zusätzlich, der Luftfeuchte; und
- e) Betätigung wenigstens eines von mehreren elektrischen Strahlungsheizgeräten, insbesondere eines Infrarot-Strahlungsheizgeräts, mittels der Steuereinheit zum Erstellen und Halten eines Wärmestrahlungsabgleichs der Hüllflächenabschnitte in vorgegebenen Bereichen unter Berücksichtigung der Eingabedaten sowie der bestimmten Messwerte mittels einer Steuereinheit.
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Die eingegebenen Daten sind insbesondere die Daten wie persönliches Wärmeempfinden, das heißt Einstellung auf neutral, warm, kalt etc. Die Lufttemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit werden insbesondere jeweils in einer Bedarfszone bestimmt, und zwar vorteilhafterweise in jeder Bedarfszone. Die gemessene Ist- und die Soll-Oberflächentemperatur der Hüllfläche sollte immer auf den jeweiligen Heizbereich bezogen werden. Auch nur dessen Oberflächentemperatur sollte gemessen oder, allgemeiner, ermittelt werden. Hier kann natürlich auch eine Temperaturbestimmung einer Teilfläche der Hüllfläche ausreichend sein. Die Eingabedaten sowie die ermittelten Werte werden insbesondere mittels einer Steuereinheit oder mehreren Steuereinheiten, die für den Heizbereich einer Bedarfszone zuständig sind, verarbeitet. „Wärmestrahlungsabgleich” bedeutet, dass die Temperaturdifferenz der zugeordneten Hüllflächen maximal 5°C, vorzugsweise maximal 3°C betragen sollte. Die variablen Daten (Temperaturen und Luftfeuchte) werden permanent oder in festgelegten Zeitabständen überwacht, sodass das System bei Abweichungen schnell nachsteuert.
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Zusätzlich zum Wärmestrahlungsabgleich kann das Verfahren auch noch vorsehen, dass die Differenz zwischen der Oberfläche der inneren Hüllfläche und der Raumluft maximal 3°C beträgt.
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Darüber hinaus kann das Verfahren so ausgeführt sein, dass sich die Temperatur im zugehörigen Heizbereich zwischen Fuß- und Kopfhöhe sich um weniger als 3°C unterscheidet.
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Die Eingabe der Daten im Schritt a) kann ferngesteuert erfolgen.
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Im Schritt e) sollte die Steuereinheit einen Arbeitsregler, der zuvor bereits definiert wurde, ansteuern, welcher wiederum das zugeordnete Strahlungsheizgerät betätigt.
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Um Datenübertragungskabel zu vermeiden oder zu reduzieren, kann die Datenübertragung zwischen wenigstens zwei der folgenden Bauelemente drahtlos erfolgen: Bedieneinheit, Steuereinheit, Messgerät, Temperatursensor und Arbeitsregler.
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Wie bereits erläutert, kann die Steuerung auf Basis der des Raumklimas oder der thermischen Behaglichkeit gemäß DIN EN ISO 7730 das Soll- und Ist-Klima bzw. die Soll- und Ist-Behaglichkeitswerte ermitteln und davon abhängig das Strahlungsheizgerät aktivieren.
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Natürlich muss die Hüllfläche nicht auf ihrer gesamten Fläche thermisch überwacht werden. Es reicht aus, relevante Hüllflächenabschnitte zu messen. Diese sind baulich oder nutzungsbedingt vorgegebene Abschnitte, in denen unterschiedliche Wärmeverluste oder Wärmegewinne auftreten. Beispielsweise lässt sich eine Hüllfläche, die durch eine Außenwand gebildet ist, als ein Hüllflächenabschnitt definieren, ebenso ein Fenster.
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Wenigstens einer der nachfolgenden Parameter geht gemäß der bevorzugten Ausführungsform als zu berücksichtigender Wert bei der Soll- und Ist-Wertbestimmung in die Steuereinheit ein:
- – Abstand zwischen Strahlungsheizgerät und Hüllfläche;
- – Hüllflächengeometrie und/oder Gegenstände im zu beheizenden Raum;
- – Absorptionskoeffizient der Hüllfläche;
- – Emissionskoeffizient der Hüllfläche;
- – Spezifische Wärmekapazität der Hüllflächenbaustoffe;
- – spezifische Dichte der Hüllflächenbaustoffe;
- – spezifische Wärmeleitfähigkeit der Hüllflächenbaustoffe; und
- – Raumnutzung (Luftbewegung, körperliche Aktivität und Bekleidung).
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass alternativ oder zusätzlich die Summe aus Oberflächentemperatur der Hüllfläche und der Lufttemperatur bei etwa 36°C +/– 2°C liegt.
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Das erfindungsgemäße System sieht darüber hinaus auch eine Beheizung einer Halle vor, und zwar mittels mehrerer Strahlungsheizgeräte. Diese sind über Kopf montiert, das heißt an der Hallendecke befestigt oder abgehängt. Die Strahlungsheizgeräte erwärmen den Hallenboden zwischen 1 und 2,5°C über der eingestellten, gewünschten Hallentemperatur im Personenbereich (bezogen auf den Kopfbereich).
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Bei einer Beheizung von Hallen und großen Räumen werden sehr große Volumina aufgeheizt, darüber hinaus können erhebliche Zugwirkungen entstehen. Die vorzugsweise wärmeisolierten Hallenböden werden erfindungsgemäß 1,5°C über der gewünschten Raumtemperatur gehalten. Während der Sommermonate erwärmt sich die Bodenplatte und speichert die Wärme für eine bestimmte Dauer. Bei rechtzeitiger Aktivierung des Strahlungsheizsystems wird das Auskühlen der Bodenplatte verhindert. Danach muss nur noch soviel Wärme zugeführt werden, wie der Bodenplatte durch Transmission verloren geht, um das Oberflächentemperaturniveau zu halten.
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Das erfindungsgemäße System wärmt die Bodenplatte und die Wände differenziert so auf, dass sie untereinander keine deutlichen Temperaturunterschiede aufweisen. Damit wird eine Temperaturschichtung über die Hallenhöhe deutlich vermindert und Zugluft verhindert.
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Hallen werden oft mit großen, mehrfach während des Tages zu öffnenden Toren ausgestattet, über die eine erhebliche Kaltluftmenge einströmen kann. Hier kann es sinnvoll sein, die Steuerung des Heizsystems mit Schnelllauftoren oder Luftschleieranlagen zu koppeln, um Energieeinsparungen zu ermöglichen. Aufgrund der Tatsache, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Strahlungsheizsystem die Lufttemperatur reduziert werden kann, ist die zum Aufheizen der einströmenden Kaltluft erforderliche Energiemenge geringer als bei bisherigen Systemen. Darüber hinaus können auch punktuell einzelne Arbeitsplätze oder Arbeitsplatzbereiche beheizt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen Grundriss eines Wohngebäudes, das mit dem erfindungsgemäßen Strahlungsheizsystem ausgestattet ist, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet,
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2 eine Schnittansicht durch eines der Zimmer des Gebäudes in 1,
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3 ein Blockdiagramm, welches die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Strahlungsheizsystems sowie das erfindungsgemäße Verfahren zeigt,
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4 ein Blockdiagramm, welches ein Messgerät, das Teil des erfindungsgemäßen Strahlungsheizsystems ist, funktional wiedergibt,
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5 ein Blockdiagramm, welches ein kombiniertes Bedien- und Anzeigegerät funktional wiedergibt, welches im erfindungsgemäßen Strahlungsheizsystem eingebaut ist,
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6 ein Blockdiagramm eines Strahlungsheizgeräts, welches beim erfindungsgemäßen Strahlungsheizsystem eingesetzt wird, in funktionaler Hinsicht,
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7 ein schematisches Schaltbild eines Strahlungsheizgeräts mit Arbeitsregler, welches beim erfindungsgemäßen Strahlungsheizsystem eingesetzt wird, und
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8 ein Blockdiagramm eines sogenannten Gateways, welches beim erfindungsgemäßen Strahlungsheizsystem eingesetzt werden kann.
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In 1 ist ein Gebäude gezeigt, hier ein Einfamilienhaus, welches mehrere Räume im Erdgeschoss aufweist. Dabei gibt es einen Flur, einen Arbeitsraum, ein Bad sowie einen großen Wohnraum, der drei ineinander übergehende Bereiche aufweist, nämlich Küche, Essbereich sowie Wohnbereich. Jeder Raum ist durch eine sogenannte innere Hüllfläche begrenzt. Diese Hüllfläche umfasst Wände 10, die Innen- oder Außenwände sein können, den Boden 12 sowie die Decke 14 (siehe 2). Zur inneren Hüllfläche gehören auch Türen 16 sowie Fenster 18.
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Das Gebäude wird vorzugsweise ausschließlich durch ein Strahlungsheizsystem beheizt, welches im Folgenden noch näher erläutert wird. Das heißt, es sind keine zusätzlichen Wärmequellen wie eine Erdgas-, eine Öl-, eine Pellet- oder Wärmepumpenheizung vorhanden.
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Das Strahlungsheizsystem arbeitet ausschließlich mit Strahlungsheizgeräten 20, die als Infrarot-Strahlungsheizgeräte ausgeführt sind. Dabei handelt es sich um elektrische Strahlungsheizgeräte, die überwiegend eine sogenannte IR-C-Strahlung abgeben.
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Die Strahlungsheizgeräte sind so konstruiert, dass der Konvektionsanteil gering ist, da die beheizte Fläche im Verhältnis zur Leistung möglichst klein ist und der Luft so wenig „Angriffsfläche” wie möglich zu geben. Die deshalb relativ hohe Arbeitstemperatur, führt zu mehr Strahlungsanteil gegenüber dem der Konvektion.
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Die Strahlungsheizgeräte 20 sind plattenförmige, elektrische Infrarot-Heizelemente, die an der Innenseite der Hüllflächen, genauer gesagt vorzugsweise an der Decke 14 oder auch an den Wänden 10 angebracht sind und zum Wohnraum frei liegen.
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Die Strahlungsheizgeräte 20 können insbesondere auch von der Decke 14 herabhängen und an Drähten aufgehängt sein.
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Eine Ausführungsform der Strahlungsheizgeräte 20 besteht darin, Glasplatten rückseitig mit einem oder mehreren elektrischen Leitern zu versehen, die Strom führen und sich dadurch aufheizen.
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Das Strahlungsheizsystem hat darüber hinaus auch noch mehrere Temperatursensoren zur Bestimmung der Oberflächentemperaturen der inneren Raum-Hüllflächen sowie der Lufttemperatur. Darüber hinaus gibt es vorzugsweise auch noch ein Messgerät zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit in jedem Raum.
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In 1 sind mehrere Strahlungsheizgeräte 20, symbolisiert durch Quadrate, zur Heizung des Gebäudes vorgesehen. In den meisten Räumen sind dabei mehrere Strahlungsheizgeräte 20 vorgesehen.
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Durch einen kleinen Kreis werden die Temperatursensoren 22 symbolisiert, die zur Bestimmung der Oberflächentemperatur der inneren Raum-Hüllfläche vorhanden sind.
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Diese Temperatursensoren 22 können, müssen jedoch nicht an Strahlungsheizgeräten 20 angebracht und in sie integriert sein. Der Vorteil der Anbringung der Temperatursensoren 22 an den Strahlungsheizgeräten 20 besteht darin, dass die Strahlungsheizgeräte 20 üblicherweise deckennah montiert sind und von dort aus verschiedene Abschnitte der Raum-Hüllfläche sehr leicht abgetastet werden können.
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Die Temperatursensoren 22 sind üblicherweise Sensoren, die kontaktlos die Temperatur eines von ihm entfernten Abschnitts der inneren Hüllfläche erfassen können.
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Es können auch mehrere Temperatursensoren 22 an einem Strahlungsheizgerät 20 positioniert werden, um mehrere Teilbereiche von Raum-Hüllflächen abzutasten. Beispielsweise könnte das in 1 gezeigte obere rechte Strahlungsheizgerät 20 im Wohnbereich einen Temperatursensor 22 zum Bestimmen der Temperatur des Fensters 18, einen Temperatursensor 22 zur Bestimmung der Temperatur der rechten Außenwand und einen Temperatursensor 22 zur Bestimmung der Temperatur der Innenwand zum Arbeitszimmer hin aufweisen.
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Darüber hinaus gibt es auch noch Temperatursensoren 24 zur Bestimmung der Raum-Lufttemperatur sowie Messgeräte 26 zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit im Raum. Die Temperatursensoren 24 und die Messgeräte 26 können in einem Messgerät zusammengefasst sein, wie es in 1 symbolisiert ist.
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Zu dem Strahlungsheizsystem gehört auch eine Bedieneinheit 28, die vorzugsweise als kombinierte Bedien- und Steuereinheit ausgeführt ist. Über die Bedieneinheit 28 kann, wie später noch genauer erläutert werden wird, das gewünschte Raumklima oder die thermische Behaglichkeit gewählt werden.
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Das Strahlungsheizsystem umfasst darüber hinaus Steuereinheiten 30, mit kleinen Dreiecken symbolisiert, welche insbesondere an den Strahlungsheizgeräten 20 vorgesehen sind. Die Steuereinheiten 30 können in die Strahlungsheizgeräte 20 integriert oder auf deren Rückseite angebracht sein.
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Alternativ hierzu ist es jedoch aus möglich, eine oder mehrere Steuereinheiten 30 im Raum zu positionieren, beispielsweise an oder in der Bedieneinheit 28.
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Die Steuereinheit 30 verarbeitet einerseits die über die Bedieneinheit 28 eingegebenen Soll-Daten des Benutzers und andererseits Messdaten, nämlich die ermittelte Oberflächentemperatur auf der Raum-Hüllfläche, die Lufttemperatur sowie vorzugsweise zusätzlich die Luftfeuchtigkeit, um Soll- und Ist-Werte zu vergleichen und gegebenenfalls eines oder mehrere Strahlungsheizgeräte 20 zur Strahlung zu aktivieren.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform, die auch die bevorzugte Ausführungsform darstellt, ist in jedes Strahlungsheizgerät 20, welches einen Temperatursensor 24 aufweist, auch eine Steuereinheit 30 integriert.
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Daneben gibt es aber auch Strahlungsheizgeräte 20 ohne Temperatursensor und ohne Steuereinheit. Diese Strahlungsheizgeräte 20 werden von benachbarten Strahlungsheizgeräten mit Steuereinheit angesteuert und dienen dazu, in besonders wärmekritischen Bereichen mehr Strahlungsenergie zur Verfügung zu stellen.
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Eine der Besonderheiten des erfindungsgemäßen Strahlungsheizsystems und des Verfahrens zum Betreiben eines solchen Strahlungsheizsystems besteht darin, dass im Betrieb die Lufttemperatur im Raum bei aktiviertem Strahlungsheizgerät und deaktiviertem Klimatisierungs- oder Lüftungssystem (falls vorhanden) unterhalb der Oberflächentemperatur der im Strahlungsbereich des Strahlungsheizgeräts 20 befindlichen Raum-Hüllfläche liegt. Das bedeutet beispielsweise für das Bad, dass die Wände des Bads durch das Strahlungsheizgerät 20 im Heizbetrieb so aufgeheizt werden, dass die Wandtemperatur (natürlich auf der Innenseite) höher ist als die Lufttemperatur.
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Aus Komfortgründen könnte im Bad auch noch eine Fußbodenheizung vorhanden sein, die jedoch eigentlich durch das erfindungsgemäße Strahlungsheizsystem überflüssig wird, denn das Strahlungsheizgerät 20 heizt auch den Boden durch Infrarotstrahlung auf.
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In 2 ist ein Raum schematisch dargestellt. An der Decke 14 sind zwei Strahlungsheizgeräte 20 montiert, welche Infrarotstrahlung auf den Boden 12 richten. Die Strahlung wird teilweise absorbiert, sodass sich die Oberfläche des Bodens 12 erwärmt und Strahlung teilweise wieder zur Decke oder zu den Wänden reflektiert. Diese reflektierten Strahlen sind mit einer dünneren Linie dargestellt als die ursprünglich von dem Strahlungsheizgerät 20 ausgehenden Strahlen. Auch das Fenster 18 wird durch reflektierte, auftreffende Strahlen erwärmt, ebenso die Decke 14. Die Strahlen wirken hauptsächlich nur an der Oberfläche der inneren Raum-Hüllfläche, die sich oberflächlich erwärmt. Es stellt sich ein behagliches Raumklima ein.
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Über die Temperatursensoren 22, 24 wird ständig ermittelt, auf welchen Temperaturen die innere Raum-Hüllfläche liegt und wie hierzu die Lufttemperatur verläuft, sodass abhängig vom Soll-Ist-Vergleich Strahlungsheizgeräte 20 zugeschaltet oder abgeschaltet werden. Auch die abgegebene Energiemenge kann eingestellt werden, zum Beispiel durch mehr oder weniger Energiezufuhr zu den Strahlungsheizgeräten 20, was später noch genauer erläutert wird.
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Das Strahlungsheizgerät 20 arbeitet nicht wie übliche Heizgeräte, indem einfach die gewünschte Lufttemperatur angefahren wird. Vielmehr gibt es mehrere Möglichkeiten der Steuerung, die einzeln oder vorzugsweise in Kombination angewandt werden.
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Beispielsweise kann die Steuereinheit 30 so arbeiten, dass sie die Temperaturen an den Raum-Hüllflächen, für die sie zuständig ist, so aufheizt, dass die zugeordneten Hüllflächen einen Temperaturunterschied von maximal 5°C, vorzugsweise maximal 3°C, aufweisen. Damit kommt es zu keinen extrem kalten Stellen oder besonders heißen Stellen, ebenso wie zu geringeren Zugerscheinungen. Diese Art der Steuerung basiert auf einem Wärmestrahlungsabgleich zwischen den Hüllflächen der Heizbereiche.
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Eine zweite Steuerungsart besteht darin, durch die Strahlungsheizgeräte 20 die Temperaturdifferenz zwischen der inneren Hüllfläche und der Raumluft weniger als 3°C betragen zu lassen.
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Eine dritte Art der Steuerung sieht vor, sicherzustellen, dass der Temperaturunterschied zwischen Fuß- und Kopfhöhe im Zimmer weniger als 3°C beträgt.
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Eine vierte Steuerungsmethode sieht vor, dass die Summe der mittleren Hüllflächentemperatur und der Lufttemperatur zwischen 34 und 38°C liegt.
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Besonders bevorzugt ist jedoch gemäß einer fünften Steuerungsart vorgesehen, dass das Strahlungsheizsystem auf das Raumklima oder sogar die thermische Behaglichkeit abstellt und entsprechend des gewünschten Raumklimas oder der gewünschten thermischen Behaglichkeit die Hüllflächentemperatur verändert.
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Gemäß 3 wird zur Ermittlung des Raumklimas über den Temperatursensor die Oberflächentemperatur des entsprechenden für den Heizbereich relevanten inneren Raum-Hüllflächenteilbereichs, für die der Temperatursensor zuständig ist, ermittelt. Parallel dazu werden Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit gemessen, die zusammen mit der Oberflächentemperatur als Werte zur Steuereinheit 30 gesandt werden und in das Steuerungsverfahren eingehen. Über diese in die Steuereinheit eingehenden Daten errechnet diese das aktuelle Klima in einem Heizbereich. Hier kann ausnahmsweise auch die voraussichtlich vorhandene Luftbewegung mit eingehen, wenn beispielsweise im Bereich eines Wintergartens Luftbewegungen zu erwarten sind. Die Steuereinheit arbeitet auf Grundlage der DIN EN ISO 7730, um das Klima im Raum, genauer gesagt in den einzelnen Heizbereichen zu bestimmen.
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Die Steuerung wird noch genauer, wenn auch Eingabedaten wie die Raumnutzung als Werte in der Steuereinheit 30 abgelegt und bei der Bestimmung der erforderlichen Heizleistung herangezogen werden, um die sogenannte thermische Behaglichkeit zu bestimmen und diese zur Grundlage der Steuerung zu machen. Hier kann beispielsweise eingehen, ob in dem Raum nur geschlafen wird oder ob zum Beispiel in der Küche oder einem Hobbyraum von einer körperlichen Aktivität auszugehen ist oder sich in einem Arbeitsraum nur am Schreibtisch befindliche Personen aufhalten. Ein weiterer Eingabeparameter im Zusammenhang mit der Raumnutzung ist die voraussichtlich getragene Kleidung. Für das Bad werden hier andere Eingabedaten zu wählen sein als für den Flur oder den Wohnraum.
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Die Angabe des aktuellen Klimas oder der Behaglichkeit wird über den PMV-Index ausgegeben, der vorzugsweise mit einer 7-stufigen Beurteilungsskala als Anzeige arbeitet.
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Die Steuereinheit gibt an die Anzeigeeinheit (üblicherweise die Bedieneinheit 28) ein Signal, über das der Ist-Wert des ermittelten Klimas oder der Behaglichkeit auf Basis des PMV-Index angegeben wird.
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Der von einem Benutzer gewünschte Klimawert oder Behaglichkeitswert, das heißt dessen Vorgabe, wird über die Bedieneinheit 28 ebenfalls zur Steuereinheit weitergeleitet. Die Steuereinheit berechnet über einen Soll-Ist-Vergleich die zu leistende Arbeit pro Zeiteinheit und gibt die entsprechenden Werte an einen sogenannten Arbeitsregler weiter, der teilweise in 7 dargestellt ist. Der Arbeitsregler trägt das Bezugszeichen 32. Er ist der elektrischen Stromversorgung zur Heizschicht des Strahlungsheizgeräts 20 zwischengeschaltet.
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Die gerade erläuterte Steuerung des Heizsystems im PMV-Modus errechnet sozusagen für das Heizsystem den PMV-Ist-Wert anhand der gemessenen und vorgegebenen Parameter (u. U. unter Berücksichtigung der über feste Werte vorgegebenen Luftbewegung, körperlichen Aktivität, Bekleidungsisolation) und vergleicht diesen Ist-Wert mit dem zugeordneten PMV-Soll-Wert. Aus dem Unterschied zwischen Ist- und Soll-Wert wird die zu verrichtende Arbeit berechnet und an den Arbeitsregler 32 des jeweiligen Strahlungsheizgeräts 20 zur Weiterverarbeitung oder zur Ansteuerung weitergeleitet.
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Der Arbeitsregler 32 umfasst ein Gerät 34, welches in die Leitung 36 zwischen der Stromquelle 38 und dem Strahlungsheizgerät 20 zwischengeschaltet ist. Im Arbeitsregler 32 (gegebenenfalls auch in der Steuereinheit 30) wird die aktuelle elektrisch geleistete Arbeit pro Zeitintervall errechnet. Anschließend erfolgt ein Soll-Ist-Wertevergleich zwischen der aktuell elektrisch geleisteten Arbeit pro Zeitintervall und der gewünschten Arbeit, um die gewünschte Wärmestrahlungsmenge zu erhalten. Als Ergebnis passt der Arbeitsregler 32 durch Pulsweitenmodulation den Ist-Wert an den Soll-Wert an. Hierzu kann auch ein elektrisches Halbleiterrelais 40 im Arbeitsregler 21 dienen, welches angesteuert wird und über das die elektrische Stromversorgung zum Strahlungsheizgerät 20 getaktet werden kann.
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Den Soll-Wert für die zu leistende elektrische Arbeit erhält der Arbeitsregler von der Steuereinheit 30.
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Wie bereits zuvor erläutert, können über einen Arbeitsregler 32 auch mehrere Strahlungsheizgeräte 20 angesteuert werden.
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Das Besondere am Strahlungsheizsystem und an seinem Steuerungsverfahren ist vor allem die steuerungsmäßige Unterteilung des Systems und des Gebäudes in zu beheizende Räume, Bedarfszonen innerhalb des jeweiligen Raumes und Heizbereiche innerhalb von Bedarfszonen. Diese Heizbereiche sind steuerungsmäßig die kleinsten erfassbaren Einheiten. Die Bedarfszonen sind auch diejenigen kleinsten Einheiten, die einem oder mehreren Strahlungsheizgeräten 20 zugeordnet sind und die durch diese Strahlungsheizgeräte 20 ihre Energieversorgung erlangen.
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Betrachtet man 1, so ist festzustellen, dass das Bad ein Raum ist mit einer einzigen Bedarfszone, die gleichzeitig auch einen einzigen Heizbereich aufweist. Die Einfachschraffur (siehe in 1 die rechts neben dem Grundriss dargestellte Legende) symbolisiert eine einzelne Bedarfszone, wogegen die Kreuzschraffur einen Heizbereich in der Bedarfszone symbolisiert.
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Der Flur hat einen Raum mit einer Bedarfszone, die jedoch in zwei Heizbereiche aufgeteilt ist. Jedem Heizbereich ist dabei ein eigenes Strahlungsheizgerät 20 mit eigener Steuereinheit 30 und eigenem Temperatursensor 22 zugeordnet. Das Messgerät mit dem Lufttemperatursensor 24 und dem Luftfeuchtesensor 26 ist zentral für den ganzen Flur vorgesehen, vorzugsweise, indem es zwischen den Heizbereichen positioniert ist.
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Die Strahlungsheizgeräte 20 im Flur liegen im dargestellten Beispiel etwa zentral im jeweiligen Heizbereich, wogegen im Bad das Strahlungsheizgerät 20 von der Mitte versetzt nahe des Fensters 18 angeordnet ist, um dessen normalerweise geringe Hüllflächentemperatur (auf der Innenseite des Fensters) anzuheben.
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Das Arbeitszimmer hat insgesamt nur eine Bedarfszone, innerhalb der Bedarfszone aber zwei Heizbereiche. Ein, mit Bezug auf 1, links oben liegender Heizbereich hat ein Strahlungsheizgerät 20 mit Steuereinheit 30 und Temperatursensor 22. Der andere Heizbereich hat ebenfalls nur eine Steuereinheit 30 mit einem Temperatursensor 22, wobei die Steuereinheit 30 aber mit zwei Strahlungsheizgeräten 20 gekoppelt ist, die ohne Steuereinheit ausgebildet sind. Für beide Heizbereiche gibt es einen gemeinsamen Temperatursensor 24 und einen Luftfeuchtesensor 26. Darüber hinaus gibt es für Bad, Flur oder Arbeiten jeweils nur eine Bedieneinheit 28, über die auch mehrere Heizbereiche gesteuert werden können.
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Der große Wohnraum hat zwei Bedarfszonen, nämlich eine Bedarfszone für Küche und Essen und eine für den Wohnabschnitt, der möglicherweise nicht immer benutzt wird. Es soll hier auch möglich sein, Küchen- und Essbereich auf ein anderes thermisches Behaglichkeitsniveau oder Klima zu bringen als den Wohnbereich.
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Wie zu erkennen ist, hat jede der beiden Bedarfszonen mehrere Strahlungsheizgeräte 20 und jeweils eigene Einheiten mit Temperatursensor 24 und Luftfeuchtesensor 26, die jeweils relativ zentral in der jeweiligen Bedarfszone angeordnet sind.
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Die Strahlungsheizgeräte 20 für den Küchen- und Essbereich sind an der Außenwand und nahe an den Fenstern positioniert, da diese Hüllflächenabschnitte besonders kalt sind und erhöhten Bedarf an Strahlungswärme haben.
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Der Wohnbereich ist noch einmal in zwei Heizbereiche untergliedert.
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In den insgesamt drei Heizbereichen im großen Wohn- und Essraum hat jeder Heizbereich nur ein Strahlungsheizgerät 20 mit Steuereinheit 30 und Temperatursensor 24. Natürlich kann auf dem jeweiligen Strahlungsheizgerät 20 mehr als ein Temperatursensor 24 vorhanden sein, um die gesamte oder zumindest relevante Abschnitte der zugeordneten Raum-Hüllfläche thermisch zu überwachen. Auch im großen Wohn- und Esszimmer samt Küche gibt es nur eine lokale Bedieneinheit 28, über die die drei Heizbereiche angesteuert werden können, um Wunschklima- oder Behaglichkeitsvorgaben als Soll-Werte zu den zugeordneten Steuereinheiten 30 zu senden.
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Natürlich lässt sich auch eine eigene, lokale Bedieneinheit für jede Bedarfszone oder für jeden Heizbereich vorsehen.
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Das gesamte Strahlungsheizsystem des Gebäudes wird folgendermaßen ausgelegt. Als Normheizlast eines Raumes wird die Wärmeleistung bezeichnet, die dem Raum unter Norm-Witterungsbedingungen zugeführt werden muss, damit sich die geforderten thermischen Norm-Innenraumbedingungen einstellen (Norm-Innentemperatur, Auslegungs-Innentemperatur). Die Normheizlast wird berechnet nach DIN pr EN 12831 bzw. DIN 4701.
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Die zu installierende Nennleistung der Strahlungsheizgeräte 20 pro Raum entspricht der Normheizlast eines Raumes.
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Die zu installierende Nennleistung wird zunächst auf die jeweilige Zone und die entsprechenden Bereiche unter Berücksichtigung der Wärmeverluste und der Wärmespeicherkapazität der Bauteile verteilt. Somit ist die Lage der einzelnen Heizelemente bestimmt.
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Dabei können folgende zusätzlichen Faktoren berücksichtigt werden, die auch als Parameter der zu berücksichtigenden Werte in die Steuereinheit eingegeben werden können:
- – Abstand zwischen den Strahlungsheizgeräten 20 und der Hüllfläche (Oberflächen im Raum), da die Intensität der Strahlung umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ist.
- – Hüllflächengeometrie und/oder Gegenstände im zu beheizenden Raum. Senkrecht auf eine Oberfläche auftreffende Wärmestrahlung wird von der Oberfläche im maximal möglichen Maß absorbiert, sodass diese Oberflächen oder Gegenstände besonders viel Wärmestrahlung aufnehmen und wieder abgeben können.
- – Absorptionskoeffizient und/oder Emissionskoeffizient der Hüllfläche;
- – spezifische Wärmekapazität der Hüllflächenbaustoffe und/oder spezifische Dichte der Hüllflächenbaustoffe und/oder spezifische Wärmeleitfähigkeit der Hüllflächenbaustoffe; und
- – Raumnutzung (Luftbewegung, körperliche Aktivität und Bekleidung).
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Das Verfahren zur Steuerung eines Strahlungsheizsystems einer Wohnung oder eines Gebäudes sieht folgende Schritte vor:
- a) Eingabe von Daten mittels der Bedieneinheit bzw. Bedieneinheiten 28;
- b) Bestimmung von Lufttemperatur und, vorzugsweise zusätzlich, relativer Leuchtfeuchte mittels des Messgeräts oder einzelner Messgeräte, vorzugsweise in jeder Bedarfszone;
- c) Messung der Oberflächentemperatur der inneren Raum-Hüllfläche oder von Hüllflächenabschnitten mittels eines oder mehrerer Temperatursensoren 22;
- d) Verarbeitung der Eingabedaten, der ermittelten Oberflächentemperatur, Lufttemperatur und, vorzugsweise zusätzlich, der relativen Luftfeuchte in der Steuereinheit oder den Steuereinheiten 30; und
- e) Betätigung wenigstens eines der elektrischen Strahlungsheizgeräte 20 mittels der Steuereinheit 30 bzw. der Steuereinheiten 30 zum Erstellen und Halten eines Wärmestrahlungsabgleichs der Hüllfläche oder der Hüllflächenabschnitte in vorgegebenen Bereichen, hier in den Heizbereichen, unter Berücksichtigung der Eingabedaten sowie der bestimmten Messwerte mittels der oder den Steuereinheiten 30.
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Die Erzielung des Wärmestrahlungsabgleichs der Hüllflächen oder Hüllflächenabschnitte ist so auszuführen, dass die Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Hüllflächenabschnitten eines Heizbereichs maximal 5°C, insbesondere maximal 3°C, betragen soll.
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Das Verfahren berücksichtigt die DIN EN ISO 7730, indem es auf Basis der thermischen Behaglichkeit Soll- und Ist-Behaglichkeitswerte bzw. Klimawerte in den jeweiligen Heizbereichen ermittelt und davon abhängig das oder die dem Heizbereich zugeordneten Strahlungsheizgeräte 20 aktiviert.
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Bezüglich der Abtastung der Hüllflächen reicht es unter Umständen aus, die Temperatur nur punktuell an Hüllflächenabschnitten zu messen, die baulich oder nutzungsbedingt unterschiedlich sind und in denen unterschiedliche Wärmeverluste oder Wärmegewinne auftreten. Beispielsweise ist es im Bad ausreichend, eine der beiden Innenwände an einer oder zwei Stellen abzutasten, um deren Temperatur zu ermitteln, die spezifisch für die innere Raum-Hüllfläche in diesem Abschnitt ist, sowie an einer oder zwei Stellen die Innenseite der Außenwand zu messen sowie am Fenster. Sind die Temperaturunterschiede zu groß, muss ein weiterer Heizbereich gebildet werden, da nur der Mittelwert mehrerer Sensoren innerhalb eines Heizbereiches in die Regelung des Strahlungsheizgerätes einfließt. Die relevanten Hüllflächenabschnitte sind baulich oder nutzungsbedingt vorgegebene Abschnitte, in denen unterschiedliche Wärmeverluste auftreten, zum Beispiel durch unterschiedliche Wärmedurchlasskoeffizienten, Wärmespeicherfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und dergleichen.
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Auch die zuvor erwähnten thermischen Gegebenheiten der Bauteile können bei der Berechnung berücksichtigt werden.
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Das Strahlungsheizsystem kann auch fernüberwacht werden, beispielsweise über ein Mobiltelefon; ebenfalls können die Bedien- und Anzeigeeinheiten durch ein Mobiltelefon oder ein mobiles Internetgerät ersetzt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erstellt und erhält die gewünschte thermische Behaglichkeit raumweise, genauer gesagt heizbereichsweise auf sehr energieeffiziente Art. Der größtmögliche Prozentsatz der Heizleistung wird über Wärmestrahlung abgegeben, damit wird der Konvektionsanteil minimiert. Die jeweilige Raum-Hüllfläche wird sozusagen als Speichermedium für die abzugebende Wärme genutzt. Das Strahlungsheizgerät wird den thermischen Eigenschaften des Gebäudes, der Lage der Räume zu den Himmelsrichtungen, den verwendeten Baumaterialien usw. angepasst. Landesspezifische Gegebenheiten wie die Betriebsspannung und Kommunikationsstandards können sehr leicht umgesetzt werden. Das Strahlungsheizsystem ist baubiologisch einwandfrei, zeichnet sich durch seine einfache und schnelle Handhabung, eine schnelle und einfache Installation sowie die Inbetriebnahme aus. Die Wartung ist extrem gering, die Bedienung sehr einfach. Das System kann fernüberwacht und -bedient werden (wie gesagt über Telefon oder Mobiltelefon). Das System ist kompatibel mit standardisierten Kommunikationssystemen, wie zum Beispiel EIB, IP, Zigbee, usw.
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In 4 ist ein Blockdiagramm des Messgeräts mit dem Lufttemperatursensor 24 und dem Luftfeuchtesensor 26 dargestellt. Das Messgerät hat ein Interface, ein Controller sowie eine Sender/Empfängereinheit, über die die Daten per Kabel oder kabellos (insbesondere über W-LAN) an die Steuereinheit oder die Steuereinheiten 30 weitergegeben werden.
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Das Gerät hat eine eigene Stromversorgung.
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In 5 ist die Bedieneinheit 28, im vorliegenden Beispiel ein kombinierte Bedien- und Anzeigegerät, das zuvor bereits kurz erläutert wurde, funktional skizziert. Der Controller stellt das eigentliche Kernstück des Geräts dar, welches eine Anzeige für die Ist-Klimadaten oder Ist-Behaglichkeitsdaten und für die Soll-Klimadaten oder Soll-Behaglichkeitsdaten aufweist. Die Klima- oder Behaglichkeitswerte, die nach DIN EN ISO 7730 ermittelt werden, werden auf eine Skala von –3 bis +3 wiedergegeben. 0 bezeichnet ein neutrales Klima, –1 ein etwas kühles Klima, –3 ein kühles Klima und +3 ein warmes Klima. Hier kann der Bediener also zwischen –3 und +3 eine Klimavorgabe machen, was auch für die Behaglichkeitsangabe gilt.
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Über einen Sender/Empfänger 42 können die Daten entweder per Kabel oder per Funk (auch W-LAN-Lösungen sind denkbar) zu der oder den Steuereinheiten 30 weitergeleitet werden.
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Das Heizsystem kann wie erwähnt auch im vorgenannten Oberflächen-Modus gesteuert werden. Dabei wird, wie zuvor erwähnt, beispielsweise die Temperaturasymmetrie in der Raum-Hüllfläche ermittelt und gegebenenfalls reduziert. Hierbei kann beispielsweise als Soll-Wert die höchste Oberflächentemperatur in dem entsprechend zu beheizenden Teil des Raumes als Soll-Wert benutzt werden. Aus dem Unterschied zwischen dem Soll-Wert und dem Ist-Wert an kühlen Oberflächen wird die zu verrichtende Arbeit berechnet und dann an den Arbeitsregler 32 weitergeleitet.
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Auch hier ist eine eigene Stromversorgung vorteilhaft.
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Zur besseren Übersichtlichkeit zeigt 6 die sich auf einem Strahlungsheizgerät 20 befindlichen Elemente und einen üblichen Verfahrensablauf. Beispielsweise ist eine Sender/Empfängereinheit vorgesehen, über die die Daten von der Bedieneinheit 28 und dem Lufttemperatursensor 24 sowie dem Luftfeuchtesensor 26 eingehen. Diese Daten, zusammen mit den Daten aus dem Temperatursensor 22 laufen in der Steuereinheit 30 zusammen, die das Raumklima errechnet (siehe „Klimamodell”) und es mit dem Soll-Klima vergleicht, um eine bestimmte Heizleistung zu errechnen (gilt auch für Behaglichkeit). Die entsprechenden Werte werden an den Arbeitsregler 32 weitergeleitet, der die Stromversorgung zum Strahlungsheizgerät 20 steuert oder sogar regelt.
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Zusätzlich kann auch eine Temperaturüberwachung im Strahlungsheizgerät 20 vorhanden sein, die die Temperatur des Strahlungsheizgeräts 20 bestimmt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass das Strahlungsheizgerät 20 eine Maximaltemperatur nicht überschreitet. Es ist sozusagen eine Maximaltemperatur-Überwachung gegeben.
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Optional kann auch ein sogenanntes Gateway vorhanden sein, welches in 8 dargestellt ist. Das Gateway übersetzt die Berichte aus einem Netzwerk- in ein anderes Netzwerkprotokoll, zum Beispiel TCP/IP, EIB/KNX, GSM. Das Gateway empfängt den Status vom jeweiligen Netzgerät oder Sensor, von der Bedien- und Anzeigeeinheit 28 und von den Strahlungsheizgeräten 20 und leitet die Daten an ein sekundäres Netzwerk weiter. Aus dem sekundären Netzwerk verschickt es empfangene Einstellungen an ein Netzgerät, an die Bedien- und Anzeigeeinheit 28 und an die Strahlungsheizgeräte 20.
