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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Optimierung einer Aufheizphase eines Heizsystems sowie ein derartiges Heizsystem.
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Bei bekannten Heizsystemen werden üblicherweise Regelvorrichtungen verwendet, um die abgegebene Heizleistung eines Heizsystems mit einem Wärmeerzeuger zu regeln. Dabei ist es üblicherweise erwünscht, dass in einem zu beheizenden Raum über den Verlauf der Zeit unterschiedliche Raumsolltemperaturen vorgegeben werden. Um die unterschiedlichen Raumsolltemperaturen zu erreichen, wird mittels der Regelvorrichtung die erzeugte Heizleistung des Wärmeerzeugers derart geregelt, dass die gewünschte Raumsolltemperatur erreicht wird. Dabei wird insbesondere die Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers erhöht oder erniedrigt, in Abhängigkeit der Relation zwischen Raumsolltemperatur und Raumisttemperatur.
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Aus einem aufgeheizten Zustand eines Raumes, also einem Zustand, in welchem die Raumisttemperatur nahezu der vorgegebenen Raumsolltemperatur entspricht, wird für den Sprung, also den Wechsel der vorgegebenen Raumsolltemperatur auf eine höhere Raumsolltemperatur, demnach ein Nachheizen mit Hilfe des Heizsystems notwendig. Zum Zeitpunkt des Sprungs ändert sich durch die neue Vorgabe die Raumsolltemperatur, sodass dadurch ausgelöst die Regelvorrichtung die Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers nachregelt, diese insbesondere erhöht, um ein notwendiges Aufheizen des Raumes auf die neu vorgegebene Raumsolltemperatur zu ermöglichen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass zu dem Zeitpunkt, zu welchem die neue höhere Raumsolltemperatur vorgegeben wird, diese noch nicht erreicht wird, sondern vielmehr erst das Aufheizen auf die neue Raumsolltemperatur beginnt.
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Die Dauer dieses Aufheizvorgangs hängt von einer Vielzahl von Parametern ab. Dabei sind zum Beispiel die Verluste im zu beheizenden Raum, die Höhe der Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers, sowie die aktuelle Raumisttemperatur zu nennen. Insgesamt also die Trägheit des gesamten Heizsystems und eines Gebäudes, welche insbesondere bei Flächenheizungen am größten ist. In Abhängigkeit dieser Vielzahl an Parametern dauert es also eine gewisse Zeitspanne, bis die gewünschte Raumsolltemperatur nach dem eingestellten Sprung auf die höhere Raumsolltemperatur erreicht wird. Dies ist insbesondere nachteilig, da es keiner exakten Regelung der Raumisttemperatur entspricht, sondern vielmehr die Raumisttemperatur sich der neuen Raumsolltemperatur in Abhängigkeit dieser Variablen mit unterschiedlicher, nicht regelbarer Geschwindigkeit anpassen wird. Der sogenannte Komfortbereich in der Nähe der Raumsolltemperatur wird also zu einem nicht näher bestimmten Zeitpunkt erreicht, insbesondere zu einem Zeitpunkt, der zeitlich nach dem Vorgeben der neuen Raumsolltemperatur liegt, erreicht.
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Ein weiterer Nachteil bekannter Heizsysteme ist es, dass die Regelvorrichtung aufgrund des Sprungs auf einen höheren Wert der Raumsolltemperatur die entsprechend hohe Differenz zwischen der neuen Raumsolltemperatur und der Raumisttemperatur in seiner Regelung dadurch berücksichtigt, dass die Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers auf einen hohen, insbesondere auf einen maximalen Wert gesetzt wird, um die gewünschte und vorgegebene neue Raumsolltemperatur durch vorgezogene Aufheizung möglichst schnell zu erreichen. Dies hat den Nachteil, dass erhöhte Vorlauftemperaturen bei einer Vielzahl von Heizsystemen und Wärmeerzeugern, wie zum Beispiel Brennwert-Heizgeräte und Wärmepumpen, außerhalb von deren Effizienzbereich liegt. Beispielsweise können Fußbodenheizungen kurzzeitig an die Grenzen der Auslegungstemperaturen gelangen oder es gibt Behaglichkeitsnachteile durch ein abweichendes Verhalten der Heizkreise in Einzelräumen bei erhöhten Vorlauftemperaturen. Mit anderen Worten wird in einem ineffizienten Betriebsbereich aufgeheizt, sodass ein unnötig hoher Energieverbrauch während dieser Aufheizphase stattfindet. Das Potenzial, tiefe bzw. angepasste Temperaturen während einer Aufheizphase zu fahren, wird bisher nicht genutzt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bekannter Verfahren und Heizsysteme zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur automatischen Optimierung einer Aufheizphase eines Heizsystems vorzugeben, bei welcher die Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers auf ein Minimum reduziert werden kann und gleichzeitig möglichst zeitnah zu einem Sprung in der Raumsolltemperatur die Raumisttemperatur die vorgegebene Raumsolltemperatur erreicht.
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Gelöst wird die voranstehende Aufgabe mit Hilfe eines Verfahrens mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie mit einem Heizsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur automatischen Optimierung einer Aufheizphase eines Heizsystems mit wenigstens einem Wärmeerzeuger zur Beheizung von mindestens einem Raum weist die folgenden Schritte auf:
- – Vorgeben einer aktuellen und einer nächsten Raumsolltemperatur und eines zeitlichen Abstandes bis zu einer nächsten Raumsolltemperatur für einen zu beheizenden Raum,
- – Auswerten und Lernen der relativen Aufheizdauer für den zu beheizenden Raum,
- – Bestimmen der Raumisttemperatur des zu beheizenden Raumes,
- – Berechnen eines vorgezogenen Aufheizzeitpunktes für den zu beheizenden Raum der vor dem für die Raumsolltemperatur vorgegebenen Zeitpunkt liegt, unter Berücksichtigung der relativen Aufheizdauer und der Raumisttemperatur des zu beheizenden Raums,
- – Übermitteln der nächsten Raumsolltemperatur zu einem vorgezogenen Zeitpunkt an den Wärmeerzeuger zur vorgezogenen Erhöhung der Vorlauftemperatur.
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Mit anderen Worten findet bei einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Überwachung der Raumisttemperatur mit Bezug auf den in der Zukunft liegenden Sprung der Raumsolltemperatur statt. Diese Raumisttemperatur wird in Bezug auf die aktuelle Raumsolltemperatur, aber auch auf die nachfolgende Raumsolltemperatur, also auf einen noch in der Zukunft liegenden Sprung der Raumsolltemperatur, überwacht. Diese Überwachung enthält insbesondere einen Vergleich der aktuellen Raumisttemperatur mit der in der Zukunft gewünschten höheren Raumsolltemperatur.
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Die Berechnung eines vorgezogenen Aufheizzeitpunkts ermöglicht es also, dass das Aufheizen des zu beheizenden Raumes auf die neue Raumsolltemperatur bereits zu einem Zeitpunkt geschieht, zu welchem die neue Raumsolltemperatur noch nicht vorgegeben ist. Vielmehr kann auf diese Weise der Gradient des Aufheizens und damit auch die Erhöhung der Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers während der Aufheizphase explizit vorgegeben werden, da der Aufheizzeitpunkt und damit auch die Aufheizdauer im Wesentlichen frei gewählt werden kann. Damit ist es möglich, dass die Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers reduziert wird und insbesondere in einem Bereich platziert wird, welcher einen besonders effizienten Betriebsbereich für den Wärmeerzeuger darstellt.
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Zum Zeitpunkt, zu welchem die neue Raumsolltemperatur vorgegeben wird, befindet sich die Raumisttemperatur also bereits nahe bei oder auf der neu vorgegebenen Raumsolltemperatur. Dementsprechend wird die Regelung hinsichtlich der tatsächlichen Raumisttemperatur durch ein erfindungsgemäßes Verfahren exakter durchgeführt und gleichzeitig eine unnötige Energieverschwendung durch eine zu hohe Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers vermieden.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn für die Regelung der Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers ein PI-Regler oder eine Heizkurve zum Einsatz kommt. Dementsprechend erhält die Heizkurve oder der PI-Regler zu einem vorgezogenen Aufheizzeitpunkt die nächste Raumsolltemperatur bereits zum vorgezogenen Aufheizzeitpunkt übermittelt.
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Weiter kann es von Vorteil sein, wenn bei der wiederholten Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Charakteristik des Aufheizvorgangs überwacht und damit das gesamte Verfahren iterativ weiter optimiert wird. Dies kann dadurch geschehen, dass während der Aufheizphase die Raumisttemperatur des zu beheizenden Raumes überwacht wird und anschließend aus dem zeitlichen Verlauf der Raumisttemperatur während der Aufheizphase eine neue relative Aufheizdauer zur Vorgabe für den folgenden Verfahrensdurchlauf ermittelt wird. Auf diese Weise lässt sich eine Korrelation zwischen der durch eine Regelvorrichtung eingestellten Vorlauftemperatur für den Wärmeerzeuger einerseits und der nachfolgenden Raumisttemperatur, also der Trägheit des zu beheizenden Raumes, ermitteln. Durch einen solchen Vorgang kann iterativ über eine Mehrzahl von Durchführungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens das Vorgeben der relativen Aufheizdauer hinsichtlich des exakten Parameterwerts optimiert werden. Auch bei Veränderungen in dem Raum, beispielsweise durch neue Möbelstücke oder Wärme emittierende Geräte, eine Veränderung der Isolierung oder dem Einbringen anderer Wärmekapazitäten, wie beispielsweise neuer Böden, erfolgt demnach eine automatische Anpassung über die Iteration eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein aktiver Eingriff in die Regelung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ist also nicht notwendig.
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Die Bestimmung der Raumisttemperatur erfolgt dabei vorteilhafterweise entweder in vorgegebenen Intervallen oder kontinuierlich hinsichtlich der Berechnung des vorgezogenen Aufheizzeitpunkts. Eine kontinuierliche Berechnung hat den Vorteil, dass auch kontinuierlich der vorgezogene Aufheizzeitpunkt angepasst wird, also kontinuierlich der optimale vorgezogene Aufheizzeitpunkt berechnet wird. In der Realität kann es jedoch vorteilhaft sein, um Rechenleistung der Optimierung zu sparen, bzw. um einfachere Komponenten in der Regelvorrichtung verwenden zu können, dass diese Überwachung der Raumisttemperatur und die nachfolgende Berechnung in Intervallen erfolgt. Vorteilhafterweise sind die Intervalle jedoch deutlich kürzer, als die Dauer des Vorziehens des vorgezogenen Aufheizzeitpunkts.
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Insbesondere erfolgt die Übermittlung des vorgezogenen Aufheizzeitpunkts an den Wärmeerzeuger erst, wenn ein zeitlicher Mindestabstand zu diesem vorgezogenen Aufheizzeitpunkt unterschritten wird. Mit anderen Worten erhält die Regelvorrichtung eines Wärmeerzeugers keinerlei neue Information über einen vorgezogenen Aufheizzeitpunkt, bevor dieser nicht fast erreicht ist.
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Es kann von Vorteil sein, wenn die Übermittlung des vorgezogenen Aufheizzeitpunkts an den Wärmeerzeuger exakt zu dem vorgezogenen Aufheizzeitpunkt erfolgt. Darüber hinaus kann die Übermittlung noch einfacher erfolgen, indem die neue Raumsolltemperatur an den Wärmeerzeuger zum Zeitpunkt des vorgezogenen Aufheizzeitpunkts übermittelt wird. Auf diese Weise ist kein zusätzliches Signal notwendig, sondern vielmehr reicht die grundsätzlich notwendige Vorgabe der neuen Raumsolltemperatur aus, um den Wärmeerzeuger in den gewünschten Aufheizmodus zu versetzen.
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Es kann weiter vorteilhaft sein, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine maximale Zeitdauer für die Differenz zwischen dem vorgezogenen Aufheizzeitpunkt und dem vorgegebenen Zeitpunkt für die Raumsolltemperatur in dem zu beheizenden Raum vorgegeben ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass bei großen Sprüngen zwischen einer aktuellen Raumisttemperatur und einer in der Zukunft liegenden höheren Raumsolltemperatur eine zu lange Heizphase berechnet wird. Insbesondere bei Häusern, welche über Nacht relativ stark auskühlen, kann auf diese Weise verhindert werden, dass der Gradient der Aufheizung während der Aufheizphase zu gering ist. Damit werden zu lange Aufheizzeiten verhindert, beispielsweise auch wenn die Regelung ungünstig eingestellt wurde und ein Nutzer dann empfindet, dass ein Raum oder das Gebäude nicht warm wird.
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Insbesondere für den Fall, wenn die Differenz zwischen dem berechneten Aufheizzeitpunkt und dem vorgegebenen Zeitpunkt für die Raumsolltemperatur in dem zu beheizenden Raum größer als die maximale Zeitdauer für diese Differenz ist, wird eine neue aktuelle Raumsolltemperatur an den Wärmeerzeuger übermittelt, welche der aktuellen Raumisttemperatur entspricht. Dadurch wird erreicht, dass die aktuelle Raumtemperatur bis zum frühestmöglichen Aufheizzeitpunkt gehalten wird. Durch die verringerte Abkühlung des Raumes wird sichergestellt, dass trotz eingeschränkter Aufheizzeit die nächste Raumsolltemperatur rechtzeitig erreicht wird. Mit anderen Worten bedeutet dies eine Anhebung der aktuellen Raumsolltemperatur. Also beispielsweise im Absenkbetrieb eines Heizsystems eine Anhebung der Absenktemperatur. Sozusagen wird auf diese Weise ein zu starkes Auskühlen des zu beheizenden Raumes verhindert, welches sonst zu einem zu langen Aufheizen während der Aufheizphase führen würde. Ein erfindungsgemäßes Verfahren geht somit mit Vorrang zur tatsächlichen Vorgabe der Absenktemperatur im Regler in Fällen ein, in denen die Dauer des Aufheizvorganges zu lange sein würde.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Heizsystem für die Beheizung von zumindest einem Raum, aufweisend zumindest einen Wärmeerzeuger, einen Temperatursensor für die Bestimmung der Raumisttemperatur im zu beheizenden Raum und eine Regelvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Durch ein erfindungsgemäßes Heizsystem werden die gleichen Vorteile erzielt, wie dies zu dem voranstehend erläuterten Verfahren beschrieben worden ist.
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Ein erfindungsgemäßes Heizsystem kann dahingehend weitergebildet sein, dass die Regelvorrichtung zumindest zwei Regeleinheiten aufweist, wobei eine der Regeleinheiten für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und eine weitere Regeleinheit für die Regelung der Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers eingerichtet ist. Es ist also möglich, dass die Regelung des Raumes durch Vorgabe der Vorlaufsolltemperatur und/oder der Leistung des mindestens einen Wärmeerzeugers funktional oder aber auch strukturell von der Regelung eines erfindungsgemäßen Verfahrens getrennt ist. Dies hat den großen Vorteil, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren keinerlei Eingriff in ein bestehendes Regelsystem eines Wärmeerzeugers benötigt. So können bestehende Regelvorrichtungen für Wärmeerzeuger verwendet werden, um mit einem erfindungsgemäßen Verfahren optimiert zu werden, ohne dass Änderungen an den bestehenden Regelvorrichtungen notwendig sind. Generell ist anzumerken, dass für das Anwenden und Umsetzen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Warmwasser-Zentralheizung keine Bedingung ist. Die Erfindung ist auch auf autark in einem zugeordneten Raum zu betreibende Heizgeräte übertragbar. Dazu gehört beispielsweise auch ein Ofen in einem Raum mit einer Regeleinrichtung.
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Die Erfindung wird näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren. Die dabei verwendeten Begrifflichkeiten „links”, „rechts”, „oben” und „unten” beziehen sich auf eine Ausrichtung der Zeichnungsfiguren mit normal lesbaren Bezugszeichen. Es zeigen:
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1 Eine schematische Übersicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizsystems
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2 Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizsystems
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Wie 1 zu entnehmen ist, ist bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizsystems 10 ein Wärmeerzeuger 20 für die Beheizung eines zu beheizenden Raumes 100 vorgesehen. Die Beheizung erfolgt mittels einer Verbindung zwischen dem Wärmeerzeuger 20 und einer Heizung 22, also einer Wärme abgebenden Heizvorrichtung oder Heizfläche. Der Wärmeerzeuger 20 stellt erhitztes Heizfluid zur Verfügung, welches er auf eine Vorlauftemperatur aufheizt. Das Heizfluid, welches auf die Vorlauftemperatur aufgeheizt ist, strömt durch die Heizung 22 und gibt dort einen Teil seiner Wärme an den zu beheizenden Raum 100 ab. Das auf diese Weise abgekühlte Heizfluid strömt in den Rücklauf des Wärmeerzeugers 20 mit einer Rücklauftemperatur die dementsprechend geringer ist als die Vorlauftemperatur.
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Eine Regelvorrichtung 40 ist vorgesehen, die über eine angedeutete Strichpunktlinie die Regelung des Wärmeerzeugers übernimmt. Diese Regelung über die Regelvorrichtung 40 beinhaltet insbesondere die Vorgabe einer Vorlauftemperatur für den Wärmeerzeuger 20. Je höher die Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers 20 durch die Regelvorrichtung 40 vorgegeben wird, desto höher ist auch der Wärmeeintrag in den zu beheizenden Raum 100 durch die Heizung 22. Zusätzlich ist die Regelvorrichtung 40 mit einem Temperatursensor 30 regelungstechnisch verbunden, welcher ausgebildet ist, um die Raumisttemperatur des zu beheizenden Raumes zu bestimmen. Auf diese Weise ist die Regelvorrichtung über die Regelverbindung mit dem Temperatursensor 30 über den aktuellen Status der Raumisttemperatur im zu beheizenden Raum 100 informiert und kann mit Hilfe dieser Information ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführen.
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Die Regelvorrichtung ist weiter mit einem Speicher versehen, in welchem eine Raumsolltemperatur, bzw. eine Vielzahl von Raumsolltemperaturen, für unterschiedliche Zeitpunkte vorgegeben sind. Darüber hinaus ist eine relative Aufheizdauer für den zu beheizenden Raum in der Regelvorrichtung 40 gespeichert, die bei der Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung des vorgezogenen Aufheizzeitpunktes verwendet wird. Die einzige variable Größe bei der Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Heizsystem 10 der Ausführungsform der 1 ist die durch die den Temperatursensor 30 ermittelte Raumisttemperatur. Das System zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist entsprechend einfach, wobei grundsätzlich bereits bestehende Heizsysteme 10 ohne weiteres nachgerüstet werden können.
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2 zeigt eine Variation der Ausführungsform der 1. Bei dieser Variation weist die Regelvorrichtung 40 zwei Regeleinheiten 42 auf, die strukturell oder funktional voneinander getrennt sind. Die linke der beiden Regeleinheiten 42 übernimmt dabei die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, für welche sie die Information über die Raumisttemperatur vom Temperatursensor 30 erhält. Die linke Regeleinheit 42 steht in Regelverbindung mit der rechten Regeleinheit 42, welche die bekannten Regelverfahren für den Wärmeerzeuger 20 durchführt. Die Regeleinheit 42 auf der linken Seite ist also für die Ausführung des erfinderischen Verfahrens zuständig und übermittelt die Raumsolltemperatur als Ergebnis des vorgezogenen Aufheizzeitpunkts innerhalb der Regelvorrichtung an die rechte Regeleinheit 42. Durch diese strukturelle Trennung wird ersichtlich, dass auch bereits bestehende Heizsysteme 10 ohne großen Aufwand mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen nachgerüstet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Heizsystem
- 20
- Wärmeerzeuger
- 22
- Heizung'
- 30
- Temperatursensor
- 40
- Regelvorrichtung
- 42
- Regeleinheit
- 100
- zu beheizender Raum
