DE102012002941A1

DE102012002941A1 - Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage

Info

Publication number: DE102012002941A1
Application number: DE201210002941
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: LE, HUU-THOI, PROF. DR.-ING., DE
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-02-17
Also published as: DE102012002941B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage, wobei statt konventioneller Thermostatköpfe Heizkörper-Antriebe (2) eingesetzt sind, wobei eine Zentrale Regeleinheit (ZRE), Heizkörper-Antriebe, zentraler Wärmeerzeuger (WE) und zentrale Pumpe kabelgebunden oder kabellos miteinander kommunizieren, und wobei die Rohrnetzstruktur der Heizungsanlage sowie die dazugehörigen hydraulischen Widerstände bekannt sind. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass der hydraulische Abgleich und die Pumpenleistung sowie die Regelung der Vorlauftemperatur vom Kessel fortlaufend in Abhängigkeit von den jeweiligen gegebenen Randbedingungen (aktueller Wärmebedarf) automatisch angepasst werden. Die Erfindung ermöglicht außerdem die Adaption der Soll-Volumenströme für einzelne Heizkörper. Somit werden ein optimaler Abgleich aller möglichen hydraulischen Verhältnisse, ein hoher Nutzerkomfort, eine bedarfsgerechte Pumpensteuerung und ein energieeffizienter Kesselbetrieb immer gewährleistet. Weiterhin lassen sich durch diese Erfindung akustische Geräusche an den Thermostatventilen sowie Verstopfungsgefahr von Thermostatventilen vermeiden.

Description

Ein weit verbreitetes Heizungssystem, das sogenannte zentrale Zweirohrheizungssystem, besteht aus einem zentralen Wärmeerzeuger, einer zentralen Pumpe, Rohrleitungen und verschiedenen Wärmeverbrauchern. Die Verbraucher sind entweder Heizkörper oder Rohrschlangen bei der Flächenheizung. Im Wärmeerzeuger wird durch die Verbrennung von Brennstoff (Gas/Öl) Wärme freigesetzt, die zur Erwärmung des Heizungswassers dient. Das erwärmte Wasser strömt in den Vorlaufleitungen zu den einzelnen Verbrauchern. In den Verbrauchern gibt das Wasser seine Wärme und kühlt sich dabei ab. Das abgekühlte Wasser wird in den Rücklaufleitungen gesammelt und zu dem Wärmeerzeuger zurückgeführt.
Der Wärmeerzeuger, in aller Regel ein Kessel, regelt in Abhängigkeit der Außentemperatur das Heizungswasser auf ein bestimmtes Temperaturniveau, die sogenannte Vorlauftemperatur. Die zentrale Pumpe fördert das Heizungswasser zu den Verbrauchern. An den Verbrauchern sind Ventile, bei Heizkörpern in aller Regel Thermostatventile, eingebaut, um den Durchfluss (Volumenstrom) lokal zu regeln.
Die Komponenten des oben genannten Heizungssystems (Kessel, Pumpe, Thermostatventile) arbeiten weitgehend unabhängig voneinander. Falls einzelne Komponenten optimal funktionieren, bedeutet das lange nicht, dass das Heizungssystem energetisch optimal ist. Ein System funktioniert nur optimal, wenn alle Komponenten innerhalb des Systems miteinander abgestimmt bzw. die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten berücksichtigt sind.
Fallen im Raum Wärmegewinne (Sonnenstrahlung, Beleuchtung, Wärmeabgaben von elektronischen Geräten, Menschen etc.) ein, steigt die Raumtemperatur an. Demzufolge drosselt das Thermostatventil und der Volumenstrom durch den Heizkörper verringert sich. Das bedeutet, dass zur Beheizung des Raumes weniger Wärme benötigt wird. Dem zentralen Kessel und der Pumpe sind die lokalen Informationen (Wärmegewinne, Raumtemperatur etc.) nicht verfügbar. Deshalb arbeiten der Kessel und die Pumpe weiter so, als ob keine Wärmegewinne vorhanden wären. Es ergibt sich somit eine höhere Vorlauftemperatur und einen höheren Drucksprung als erforderlich. Eine Höhere Vorlauftemperatur verursacht größere Wärmeverluste des Kessels, der Rohrleitungen und verringert den Nutzungsgrad des Heizungssystems. Ein höherer Drucksprung ist zum einen Verschwendung des elektrischen Energieverbrauches für den Pumpenbetrieb und zum anderen erzeugt er unangenehme Geräusche an Thermostatventilen, also Komforteinbußen für den Nutzer.
Es ist bekannt, dass aus der Heizlast des Raumes sowie der dazugehörigen installierten Heizkörperleistung (Heizkörpergröße) der erforderliche Soll-Volumenstrom und die erforderliche Kessel-Solltemperatur bei der Auslegung (Heizkurve) bestimmt werden. Unter der Heizkurve versteht sich die notwendige Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der Außentemperatur, um unterschiedliche Räume des Gebäudes ohne äußere Wärmegewinne wie Solarstrahlung und ohne innere Wärmegewinne (Wärmeabgabe von Beleuchtung, elektrische Equipments, Personen etc.) ausreichend zu versorgen. In der Praxis wird die Heizkurve vorsichtshalber hoch (weit höher als notwendig) eingestellt, weil zum einen man auf der sicheren Seite sein will und zum anderen die relevanten erforderlichen Daten (exakte Heizlastberechnung, korrekte Pumpeneinstellung etc.) fehlen. In der Tat kommen innere und äußere Wärmegewinne vor, so dass die verfügbare Vorlauftemperatur immer höher als erforderlich ist, welche eine Reduzierung des Nutzungsgrads (Erhöhung der Verluste von Kessel, Rohrleitungen, Verringerung der Brennwertnutzung bei Brennwertkesseln) Verursacht.
Da die hydraulischen Verhältnisse für einzelne Heizkörper unterschiedlich sind, muss ein sogenannter hydraulischer Abgleich durchgeführt werden, um alle Räume mit Wärme ausreichend und ausgewogen zu versorgen. Das bedeutet eine Beseitigung des Problems mit Über- und Unterversorgung (ein Raum in der Nähe zur Pumpe ist zu warm, ein anderer entfernter Raum bleibt kalt).
Der hydraulische Abgleich nach den bekannten Regeln der Technik, nachfolgend als statischer hydraulischer Abgleich genannt, ist ein Abgleich der unterschiedlichen hydraulischen Verhältnisse für jeden Heizkörper bei den Auslegungsbedingungen bzw. Nennbetrieb. Beim statischen hydraulischen Abgleich werden Voreinstellungen (zusätzliche hydraulische Widerstände) an den günstigeren Thermostatventilen angebracht, damit durch den Heizkörper in der Nähe zur Pumpe weniger Volumenstrom strömt.
Die Auslegungsbedingung ist z. B. für Heizkörper-Zweirohrheizung mit der Vorlauf-,/Rücklauftemperatur von 70/50°C bei dem Standort Berlin eine Außentemperatur von –14°C. Diese Auslegungsbedingung tritt selten im Laufe des Jahres auf. Bei den von der Auslegung abweichenden Bedingungen (z. B. Außentemperatur 5°C) arbeitet der Kessel im Teillastbetrieb. Der statische hydraulische Abgleich ist optimal für den Nennbetrieb, aber nicht für die anderen Betriebszustände im Teillastbetrieb.
Sind Änderungen am Gebäude und/oder an der Heizungsanlagen vorgenommen (Einbau zusätzlicher Heizkörper, Dachfenster; nachträgliche Wärmedämmung an Fassade; Sollwertänderungen durch den Nutzer etc.), muss theoretisch der statische hydraulische Abgleich erneut durchgeführt werden.
Ein weiterer Nachteil von dem Verfahren des statischen hydraulischen Abgleichs besteht vor allem darin, dass durch die Voreinstellungen die Strömungsquerschnitte der Thermostatventile verkleinert werden. Somit entsteht die Gefahr der Verstopfung an den Thermostatventilen, falls sich Späne von Rohrleitungen, Armaturen, Heizkörpern, Kessel etc. auslösen bzw. von Reparaturarbeiten an der Heizungsanlage entstehen und diese Späne sammeln sich an den reduzierten Strömungsquerschnitten des Thermostatventils. Daraus folgt keine Strömung durch den Heizkörper mit verstopftem Thermostatventil. Der Nutzerkomfort wird somit nicht mehr gewährleistet.
Ein Thermostatventil besteht aus dem Ventilunterteil und dem Thermostatkopf. Für den Durchfluss durch den Heizkörper sind sowohl der Ventilquerschnitt als auch der Ventilhub verantwortlich. Die Voreinstellung nach dem statischen hydraulischen Abgleich bedeutet eine Justierung des Ventilquerschnittes. Der Thermostatkopf bestimmt in Abhängigkeit der Raumtemperatur den Ventilhub.
Nach dem Stand der Technik ist bekannt, dass statt des Thermostatkopfes ein gesteuerter Motorantrieb zum Einsatz kommt. In dem Antrieb sind ein Temperatursensor zur Erfassung der Raumtemperatur, die Möglichkeit für die Eingabe der gewünschten Raumtemperatur (Sollwert) und ein PI Regler integriert. Der Temperatursensor erfasst die Raumtemperatur und stellt diese zur Verfügung. Der PI Regler berechnet anhand der Abweichung zwischen dem Sollwert und der tatsächlichen Raumtemperatur den aktuellen Ventilhub, mit dem der Motor die Spindel in die entsprechende Position versetzt.
Es gehört auch zum Stand der Technik, dass die Antriebe und eine Zentralen Regeleinheit (ZRE) kabelgebunden oder kabellos miteinander kommunizieren. Damit besteht die Möglichkeit, die Eingabe der Sollwerte sowohl an den Antrieben als auch an der Zentralen Einheit vorzunehmen.
Bei dem Verfahren nach der DE 10 2009 004 319 A1 werden die Merkmale des dynamischen und statischen hydraulischen Abgleichs dargestellt. Der dynamische hydraulische Abgleich ermöglicht eine kontinuierliche Anpassung der wechselnden hydraulischen Bedingungen im Heizsystem basierend auf der Wassertemperatur beim Austritt aus dem Heizkörper, die sogenannte Rücklauftemperatur. Dafür sind Sensoren zur Erfassung der Raumtemperatur und der Rücklauftemperatur erforderlich. Voraussetzung für eine erfolgreiche Durchführung des dynamischen hydraulischen Abgleichs ist, dass die gewünschte Rücklauftemperatur bekannt sein muss. Die gewünschte Rücklauftemperatur ergibt sich aus dem Verhältnis von der tatsächlichen Heizlast des Raumes zur installierten Heizkörperleistung bzw. zur Heizkörpergröße. Demzufolge ist die gewünschte Rücklauftemperatur für jeden einzelnen Heizkörper zu ermitteln. Weiterhin lässt sich für Bestandgebäude die Heizlast schwierig exakt berechnen, da die technischen Unterlagen z. B. verwendete Baustoffe, Schichtdicken und/oder der Wandaufbau etc. fehlen. Es gibt kein Informationsaustausch, also keine Abstimmung zwischen dem Kessel, der Pumpe und den Thermostatventilen. Das Verfahren setzt voraus, dass zum einen die zentrale Pumpe immer den erforderlichen Drucksprung zur Verfügung steht und zum anderen der Kessel die richtige Vorlauftemperatur regelt.
Das Verfahren nach der DE 10 2010 056 373 A1 ermöglicht einen intergierten dynamischen Thermisch-Hydraulischen Abgleich. Dafür sind eine Dezentrale Regeleinheit, Zentrale Regeleinheit und Erfassung der umfangreichen Parameter (zentrale Parameter: Auslegungstemperatur, Heizkurve, Mindestmassestrom, Heizkurveneinstellung, Pumpeneinstellung; dezentrale Parameter: Innentemperatur-Soll, Normleistung, Exponent des Heizkreises, Mindestspreizung, Innentemperatur-Mindestabstand, Ventileinstellung) sowie zahlreiche Messwerte (zentral: Außentemperatur, Vorlauf- und Rücklauftemperatur am Wärmeerzeuger; dezentral: Innentemperatur, Rücklauf- und optional Vorlauftemperatur am Heizkreis) erforderlich. Die meisten genannten Parameter sind insbesondere bei Altbauten i. d. R. nicht bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für einen Anlagenbetrieb zu ermöglichen, in dem der hydraulische Abgleich und die Pumpenleistung sowie die Regelung der Vorlauftemperatur vom Kessel fortlaufend in Abhängigkeit von den jeweiligen gegebenen Randbedingungen automatisch angepasst werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage, wobei die Heizungsanlage ein zentrales Zweirohrheizsystem ist, wobei statt konventioneller Thermostatköpfe Motorantriebe eingesetzt sind, wobei eine Zentrale Regeleinheit, Motorantriebe, Kessel und Pumpe kabelgebunden oder kabellos miteinander kommunizieren, und wobei die Rohrnetzstruktur der Heizungsanlage sowie die dazugehörige hydraulische Widerstände bekannt sind, dadurch gelöst, dass anhand des aktuellen Wärmebedarfes zum einen die Ventilhübe begrenzt (dynamischer hydraulischer Abgleich) und zum anderen der zentrale Kessel und die zentrale Pumpe entsprechend angepasst werden.
Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die bekannte Rohrnetzstruktur und die dazugehörigen hydraulischen Widerstände sowie die Soll-Volumenströme für einzelne Heizkörper als eine Matrix in einer Zentralen Regeleinheit abgelegt werden. Der Motorantrieb sendet den aktuellen Ventilhub und den Temperatursollwert sowie die gemessene Raumtemperatur an die Zentrale Regeleinheit. Ein Algorithmus, der ebenfalls in der Zentralen Regeleinheit abgelegt ist, lassen sich anhand der Daten aus der Matrix sowie aus den Informationen, die von Motorantrieben zur Verfügung gestellt wurden, die oberen Grenzwerte der Ventilhübe, sogenannte Hubbegrenzung, berechnen. Die Zentrale Regeleinheit stellt die oberen Grenzwerte an den Motorantrieben zur Verfügung. Der im Motorantrieb integrierte PI Regler ermittelt aus der Regelabweichung den aktuellen Ventilhub, der von dem oberen Grenzwert begrenzt wird. Das bedeutet eine Begrenzung der K_V-Werte im Sinne des hydraulischen Abgleichs.
Da die Ventilhübe von allen Heizkörpern in der Heizungsanlage auf die oberen Grenzwerte gleichzeitig begrenzt sind, werden alle Heizkörper bedarfsgerecht versorgt. Der ungünstigste Raum wird somit nicht mehr wie beim statischen hydraulischen Abgleich bevorzugt behandelt. Es besteht außerdem keine Verengung des Ventilquerschnittes durch Voreinstellungen und somit auch keine Verstopfungsgefahr in den Thermostatventilen.
Sobald sich ein oder mehrere Ventilhübe aufgrund der Wärmegewinne bzw. des Nutzereingriffes in geschlossener oder in nahezu geschlossener Stellung befinden, können sie so betrachtet werden, als ob die Heizkörper mit geschlossenen Ventilen nicht zum Rohrnetz der Heizungsanlage gehörten. Es entsteht somit eine neue Rohrnetzstruktur. Daraus lassen sich anhand der abgelegten Matrix bei geänderten Bedingungen die neuen Grenzen der Ventilhübe berechnen, sogenannter dynamischer hydraulischer Abgleich. Gleichzeitig kann die Pumpenleistung entsprechend reduziert werden, da aktuell weniger Heizkörper versorgt werden sollen als im Auslegungszustand.
Mit anderen Worten ist ein Ventilhub größer als der obere Grenzwert nicht erlaubt, wobei der obere Grenzwert dynamisch in Abhängigkeit von gegebenen Randbedingungen ermittelt wird.
Die oberen Grenzwerte der Ventilhübe werden aus den erforderlichen Soll-Volumenströmen bestimmt, welche sich wiederum von den Vorgaben wie Heizlast, installierte Heizkörperleistung berechnen lassen. Eine exakte Heizlastberechnung bei den Bestandgebäuden ist schwierig, da die Baukonstruktion der Wände, Fenster (Substanzen, Schichtdicken, stoffspezifischen Eigenschaften etc.) unbekannt sind. Weiterhin ergibt sich eine neue Heizlast bei Änderung des Raumtemperatur-Sollwertes, nachträglicher Wärmedämmung der Außenwand, Einbau eines neuen Dachfensters, Neuerung der Fenster, etc. Daraus folgt, dass die Soll-Volumenströme nicht korrekt sind.
Diese Erfindung ermöglicht die Korrekturen der Soll-Volumenströme und somit auch der dazugehörigen oberen Grenzwerte. Stehen z. B. beim Betriebswechsel von dem abgesenkten Betrieb in der Nacht zum Normalbetrieb in den frühen Morgenstunden, wo alle Räume relativ kalt sind, sämtliche Ventilhübe an den oberen Grenzwerten. Wären die ermittelten Soll-Volumenströme exakt, werden alle Räumen gleichzeitig warm. Demzufolge nähern sich die Raumtemperaturen an den Sollwerten und alle Ventilhübe befinden sich an den oberen Grenzwerten.
Ist der aktuelle Ventilhub viel kleiner als sein oberer Grenzwert bei Einhaltung des Sollwertes, während alle andere Ventilhübe an den oberen Grenzwerten bleiben (das Phänomen wiederholt sich bzw. besteht über einen längeren Zeitraum), bedeutet dass der Soll-Volumenstrom für den Heizkörper mit dem kleineren Ventilhub größer als nötig berechnet wurde. Daraufhin lässt sich der Soll-Volumenstrom für den betrachteten Heizkörper nach unten korrigieren, z. B. Verringerung um 5%.
Bleibt ein Ventilhub an dem oberen Grenzwert und der Sollwert wird nicht eingehalten, während die Raumtemperaturen in übrigen anderen Räumen die Sollwerte erreichen, bedeutet, dass der Soll-Volumenstrom für den Heizkörper kleiner als erforderlich berechnet wurde. Demzufolge wird der Soll-Volumenstrom für den betreffenden Heizkörper nach oben z. B. um 5% erhöht.
Mit den neuen Soll-Volumenströmen lassen sich die oberen Grenzwerte für alle Ventile sowie die Pumpenförderhöhe anhand der vorhandenen Rohrnetzstruktur erneut berechnen, da jede Korrektur eines Soll-Volumenstromes die Änderung des hydraulischen Verhaltens im gesamten System verursacht. Auf diese Weise werden anhand des thermischen Verhaltens von einzelnen Räumen die Soll-Volumenströme adaptiert, so dass am Ende in allen Räumen ein gleicher thermischer Komfort verfügbar ist.
Die momentanen Ventilhübe (aktuelle Ventilstellungen) stellen den aktuellen Bedarf bzw. Anforderung von einzelnen Räumen dar, da die Ventilhübe die Resultate von der Regelabweichung zwischen Ist- und Solltemperatur repräsentieren. Überschreitet die Raumtemperatur den eingestellten Sollwert aufgrund der inneren Wärmegewinne, verringert sich der Ventilhub.
Stehen alle Ventilhübe bei Positionen viel kleiner als die dazugehörigen oberen Grenzwerte und die Sollwerte sind eingehalten, liegt eine ausreichende Versorgung für das gesamte Gebäude vor. Tritt dieser Fall auf, kann die Vorlauftemperatur von der aktuellen Heizkurve um z. B. 3 K für einen Zeitraum von z. B. 30 Minuten abgesenkt werden. Nach dem Ablauf dieses Zeitraumes wird eine neue Entscheidung getroffen, ob die Vorlauftemperatur von der Heizkurve weiter reduziert wird oder wieder erhöht werden soll.
Liegen im Gegenteil alle Ventilhübe annähernd an den oberen Grenzwerten und unterschreiten die Raumtemperaturen gleichzeitig die Sollwerte, kann die Vorlauftemperatur angehoben werden. Damit erreichen die Raumtemperaturen schneller die Sollwerte. Das erhöht demzufolge den Nutzerkomfort.
Die Heizkurve dient als Richtwert für die Adaption der Vorlauftemperatur. Die tatsächliche Vorlauftemperatur lässt sich in Abhängigkeit von den jeweiligen gegebenen Randbedingungen anpassen.
Diese Erfindung ermöglicht eine Absenkung der Vorlauftemperatur solange bis die Ventilhübe annähernd die oberen Grenzwerte annehmen. Dabei müssen die Temperatur-Sollwerte eingehalten werden. Die Reduzierung der Vorlauftemperatur bedeutet eine Erhöhung der Brennwertnutzung und gleichzeitig Verringerung der Wärmeverluste durch Strahlung, Konvektion etc., also Steigerung des Nutzungsgrads (effizienter Kesselbetrieb).
Als weiterer Vorteil dieser Erfindung lässt sich die Aufheizzeit von jeden einzelnen Räumen ermitteln. Z. B. die Temperaturen aller Räume sollen ab 7:00 Uhr 20°C erreichen. Da jeder Raum unterschiedliche Aufheizzeit aufgrund der Raumgröße und der Raumgegebenheiten hat, soll die Aufheizzeit für jeden Raum bestimmt werden, in dem der Temperaturanstieg in der Vergangenheit herangezogen wird. Somit sind die Zeitkonstante und die Aufheizzeit für den betrachteten Raum berechenbar.
Das vorzeitige Aufhören der Heizung kann aufgrund der bekannten Zeitkonstante des Raumes auch realisiert werden. Z. B. ein Raum soll bis 18:00 Uhr auf den konstanten Sollwert von 20°C geheizt werden, danach in abgesenktem Betrieb mit dem Sollwert von 17°C wechseln. Anhand der bekannten Raumzeitkonstante kann die Sollwert-Änderung schon um z. B. 19:45 Uhr vorgenommen werden.
Das Verfahren wurde beispielshaft anhand einer Heizungsanlage mit eingesetzten Thermostatventilen, Motorantrieben erläutert und wird aber nicht auf diese Anlage beschränkt. Das Funktionsprinzip gilt selbstverständlich auch bei Heizungsanlagen mit Fußbodenheizung, Flächenheizung, Flächenkühlung sowie bei den Kälte-, Kühl- und Lüftungsanlagen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines vereinfachten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt
1 eine vereinfachte Darstellung einer konventionellen Zweirohrheizung mit 3 Heizkörpern
2 Darstellung des vereinfachten Beispiels in 1 aus strömungstechnischer Sicht
3 K_V-Wert als Funktion des Ventilhubes
4 Kennlinie für die Voreinstellungsstufe 2,5 und der Arbeitspunkt für HK3
5 Arbeitspunkte AP1, AP2 und AP3 nach dem statischen hydraulischen Abgleich
6 Ausführungsbeispiel für den effizienten Betrieb einer Heizungsanlage
7 Arbeitspunkte AP1', AP2 und AP3' nach dem dynamischen hydraulischen Abgleich
8 Arbeitspunkt AP1'' und AP3'' nach dem dynamischen hydraulischen Abgleich bei geschlossenem Ventil des Heizkörpers HK2
1 zeigt ein vereinfachtes Beispiel für eine konventionelle zentrale Zweirohrheizung mit einem Wärmeerzeuger WE, einer Vorlaufleitung VL, einer Rücklaufleitung RL, einer zentralen Pumpe 3, drei Heizkörpern HK1, HK2 und HK3 und Thermostatventilunterteil 1 sowie Thermostatkopf 2.
Das Beispiel in 1 kann nun aus strömungstechnischer Sicht in 2 dargestellt werden. Dabei besteht der hydraulische Widerstand b_a aus den hydraulischen Teilwiderständen aller möglichen Rohrleitungen, Bögen, sowie des Wärmeerzeugers von dem Punkt D bis A in 1. Da das Rohrnetz symmetrisch ist, können die hydraulischen Teilwiderstände von den Strecken A → B und C → D (siehe 1) zu einem hydraulischen Widerstand b_b zusammengefasst werden. Der hydraulische Widerstand b₁ stellt sämtliche Widerstände von dem Punkt B entlang des Heizkörpers HK1 bis zu dem Punkt C in 1 dar. Analog sind b₂ der hydraulische Widerstand von B zu C über dem Heizkörper HK2 und b₃ der hydraulische Widerstand von A zu D über dem Heizkörper HK3.
Voraussetzung für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Netztopologie und die dazugehörigen hydraulischen Widerstände b_a, b_b, b₁, b₂, b₃ bekannt sind. Es ergeben sich insgesamt 3 Maschen. Die erste Masche M1 besteht aus den Teilstrecken mit den Widerständen b_a, b_b und b₁; die zweite Masche M2 aus b_a, b_b und b₂; und die letzte Masche M3 aus b_a und b₃. Durch die Teilstrecke mit b_a fließt der Volumenstrom V ._a = V .₁ + V .₂ + V .₃ und es entsteht ein Druckverlust von Δp_a = b_a·V ._a ².
Die Abhängigkeit der Dichte des Mediums in Heizungsanlagen (meistens Wasser) von der Temperatur wird hier aufgrund der Vereinfachung nicht betrachtet. Schließlich lässt sich der gesamte Druckverlust von jeder Masche bestimmen, in dem die Druckverluste von den einzelnen Teilstrecken aufsummiert werden. ΣΔp_M1 = Δp_a + ΔP_b + ΔP₁ Δp_M2 = ΔP_a + Δp_b + Δp₂ ΣΔp_M3 = Δp_a + Δp₃
Die Daten für einzelne Strecken sowie Maschen werden in der Matrix M abgelegt.
Im Zahlenbeispiel haben b_a und b_b den gleichen hydraulischen Widerstand von 0,2 Pa/(l/h)² sowie b₁, b₂ und b₃ den gleichen Wert von 0,6 Pa/(l/h)². Durch die Heizkörper HK1, HK2 und HK3 sollen folgende Soll-Volumenströme V .₁ = 50 1 / h ; V .₂ =100 1 / h und V .₃ = 30 1 / h fließen.
Daraus lässt sich der Druckverlust von jeder einzelnen Teilstrecke bestimmen, wobei V ._a = V .₁ + V .₂ + V .₃ und V ._b = V .₁ + V .₂ gelten. Es entsteht somit die Matrix M₀:
Die Masche M1 hat den gesamten Druckabfall von 12480 Pa; die Masche M2 mit 16980 Pa und die Masche M3 mit 7020 Pa. Das bedeutet, dass die Masche M2 den größten Druckabfall hat.
Im Folgenden werden anhand des o. g. Beispiels in 1 und 2 drei unterschiedliche Fälle (Ohne Ausführung des statischen hydraulischen Abgleichs; Ausführung des statischen hydraulischen Abgleichs; Ausführung des dynamischen hydraulischen Abgleichs) zur Verdeutlichung des vorteilhaften erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
Ohne Ausführung des statischen hydraulischen Abgleichs
Wie oben erwähnt hat die Masche 2 den größten Druckabfall von 16980 Pa. Würde die Pumpe so eingestellt werden, dass sich ein Drucksprung (Förderhöhe) von 16980 Pa ergibt, dann verhält sich auf Grund des hydraulisch nicht abgeglichenen Systems die Hydraulik nach der Matrix M₁:
Durch den Heizkörper HK1 und HK2 fließt jeweils ein Volumenstrom von 66 l/h und durch den Heizkörper HK3 von 101 l/h. Der Soll-Volumenstrom vom Heizkörper HK1 beträgt 50 l/h und wird in diesem Fall überversorgt. Durch den Heizkörper HK2 fließt ein Volumenstrom von etwas mehr als die Hälfte (66 l/h) des Soll-Volumenstroms von 100 l/h, wodurch eine Unterversorgung und somit Kamforteinbußen resultieren. Der gewünschte Volumenstrom vom Heizkörper HK3 ist nur 30 l/h; tatsächlich aber 101 l/h, mehr als das Dreifache; eindeutige Überversorgung.
Da der statische hydraulische Abgleich insbesondere bei Bestandgebäuden schwierig ist, wird in der Praxis das Problem mit Unterversorgung durch die Einstellung höherer Pumpenleistung „gelöst”. Für den Beispielsfall musste die Pumpe eine Förderhöhe von 39000 Pa (ca. 3,9 mWS) bringen, um den Durchfluss für den Heizkörper HK2 von 100 l/h zu gewährleisten.
Aus der Matrix M₂ ist deutlich zu entnehmen, dass der tatsächliche Durchfluss durch den Heizkörper HK1 doppelt so viel wie erforderlich ist. Außerdem fließt ein 5-facher Volumenstrom 153 l/h (im Vergleich zum Sollwert 30 l/h) durch den Heizkörper HK3. Eine überwältigende Überversorgung im Raum mit dem Heizkörper HK3 führt dazu, dass das Thermostatventil schnell gedrosselt wird. Das bedeutet, dass über dieses Thermostatventil ein enormer Druck abgebaut wird. Dies verursacht unangenehme akustische Geräusche.
Ohne Ausführung eines statischen hydraulischen Abgleichs und gleichzeitiger Erhöhung der Pumpenleistung resultieren zum einen eine unnötige Verschwendung des Energieverbrauches für den Pumpenbetrieb und zum anderen Geräuschentstehung an den Thermostatventilen.
Ausführung des statischen hydraulischen Abgleichs
Die Differenz aus dem größten Druckabfall (in diesem Fall die Masche M2) zu dem Druckabfall der jeweilig betrachteten Masche entspricht dem Druckverlust, der durch die Voreinstellung des Thermostatventils eingebracht werden soll. Damit hat jede Masche den gleichen Druckverlust von 16980 Pa. Mit anderen Worten erzeugt die Voreinstellung des Thermostatventils einen zusätzlichen Druckverlust von 4500 Pa (= 16980 – 12480) für die Masche M1 und 9960 Pa (= 16980 – 7020) für die Masche M3. Für die Masche M2 ist keine Voreinstellung erforderlich.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Druckverluste von den 3 Maschen M1, M2 und M3 immer gleich sind (siehe Matrizen M₁ und M₂). Die Abweichungen zwischen den Ist-Volumenströmen zu den Sollwerten sind recht unterschiedlich.

Die Aufgabe besteht nun darin, die Voreinstellung zu bestimmen, durch die ein Druckabfall entsteht, der dem o. g. erforderlichen zusätzlichen Druckverlust über dem Thermostatventil entspricht. Dazu sind die technischen Spezifikationen zu dem verwendeten Thermostatventil sowie Thermostatkopf notwendig. Für die nachfolgende Ausführung werden das Danfoss Ventil RA-N 10 und der Thermostatkopf (Fühler) RA 2000 mit den in Tabelle unten enthaltenen technischen Daten genommen.

Danfoss Ventilgehause Typ RA-N 10 mit Fühler RA 2000
Voreinstellung	X_p [K]	K_V [m³/h]	K_vS [m³/h]
N N 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1	2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1	0.56 0.34 0.42 0.28 0.38 0.27 0.32 0.23 0.25 0.21 0.16 0.14 0.09 0.09 0.04 0.04	0.65 0.65 0.5 0.5 0.41 0.41 0.34 0.34 0.25 0.25 0.16 0.16 0.09 0.03 0.04 0.04

Für den Auslegungsfall wird der Proportionalbereich (P-Band) von 2 K, also X_p = 2 K gewählt. Damit beträgt der K_V-Wert des Ventils für den Heizkörper HK2 ohne Voreinstellung 560 l/h (0,56 m³/h). Der Zusammenhang zwischen dem Druckabfall über das Ventil Δp [Pa], dem Soll-Volumenstrom [l/h] und dem K_V-Wert des Ventils [l/h] lautet:
bzw.
Daraus folgt der Druckabfall über das Thermostatventil vom Heizkörper HK2 von 3189 Pa beim Auslegungsfall mit K_V = 560 l/h und V . = 100 l/h.
Der ausgewählte Arbeitspunkt (K_V = 560 l/h, X_p = 2 K und Voreinstellungsstufe N) für das Ventil am Heizkörper HK2 beim Auslegungsfall entspricht einem Ventilhub von 50% (siehe 3).
Das bedeutet, dass beim Auftreten der Auslegungsbedingungen der stationäre Arbeitspunkt einem Hub von 50% entspricht. Der Ventilhub bewegt sich selbstverständlich frei und ergibt sich aus der Abweichung von der tatsächlichen Raumtemperatur zu dem Sollwert. Größere Ventilhübe kommen häufig beim Wechsel vom abgesenkten zum normalen Heizbetrieb in den frühen Morgenstunden vor. Zu diesem Zeitpunkt betragen z. B. die Raumtemperatur 16°C und die Solltemperatur 20°C. Es ergibt sich somit eine Regelabweichung von 4 K und ein Hub von nahezu 100% (siehe 3).
In 3 entspricht ein P-Band X_p = 4 K einem Ventilhub von ca. 100%. Das liegt daran, dass der verwendete Fühler (Thermostatkopf) RA 2000 einen gesamten Arbeitsbereich von 4 K hat. Das bedeutet, dass bei einer Änderung der Regelabweichung von 0 bis 4 K der Fühler RA 2000 den gesamten verfügbaren Hubbereich 0 bis 100% annimmt. Mit anderen Worten hat jeder Fühler einen eigenen Arbeitsbereich (herstellerabhängig) und das soll bei der Auswahl berücksichtigt werden.
Aus der Beziehung
lässt sich der hydraulische Widerstand des Ventils ohne Voreinstellung bestimmen:
Für die Masche M1 soll ein zusätzlicher Druckabfall von 4500 Pa über das Ventil aufgebracht werden. Der Soll-Volumenstrom durch den Heizkörper HK1 beträgt 50 l/h. Somit ergibt sich der zusätzlich eingebaute hydraulische Widerstand
Die hydraulischen Widerstände b_Ventil und b_zus,1 sind in Reihe geschaltet und es gilt: b_Ventil,1 = b_Ventil + b_zus,1 = 2,119 Pa/(l/h)²
Da die Ventiltypen in allen drei Heizkörpern HK1, HK2 und HK3 identisch sind, ist deshalb der hydraulische Widerstand des Ventils ohne Voreinstellung (b_Ventil) für alle drei Heizkörper gleich.
Der K_V-Wert für das Ventil am Heizkörper HK1 bestimmt sich zu:

Mit K_V-Wert von 0,217 m³/h ergibt sich die Voreinstellungsstufe 4. Aus der linearen Interpolation der Stützpunkte von der Voreinstellungsstufe 4 ergibt sich X_p = 1,18 K, welches einem Ventilhub von 29,5% entspricht.
Analog gilt für die Masche M3:
und b_Ventil,3 = b_Ventil + b_zus,3 = 11,389 Pa/(l/h)². Daraus folgt
Der K_V-Wert von 0,094 m³/h liegt knapp über dem Endwert der Voreinstellungsstufe 2 (0,09 m³/h. Es besteht für das Ventil Danfoss RA-N 10 physikalisch die Möglichkeit, die Stufe 2,5 (zwischen 2 und 3) zu wählen. Daher wird eine Kennlinie für die Stufe 2,5 näherungsweise als arithmetischer Mittelwert aus den Stufen 2 und 3 erstellt (siehe 4).
Mit dem K_V-Wert von 94 l/h ergibt sich ein X_p,3 von 0,81 K sowie einen Ventilhub von 20,4% (siehe 4).
Die Ergebnisse des statischen hydraulischen Abgleichs sind dargestellt in folgender Tabelle:

Heizkörper K_V-Wert Voreinstellung Xp [K] Hub [%]

1 217 4 1,18 29,5

2 560 N 2,0 50

3 94 2,5 0,81 20,4
Die in 5 dargestellten Arbeitspunkte entsprechend den Betriebspunkten beim Eintreten der Auslegungsbedingungen. Wie oben bereits erwähnt, gibt es bei den herkömmlichen Thermostatköpfen (Fühlern) keine Möglichkeit zur Begrenzung der Ventilhübe. Physikalisch bewegen sich die Ventilhübe in Abhängigkeit von dem Raumtemperatur-Istwert zum Sollwert von 0 bis 100%. Beim Wechsel vom abgesenkten zum normalen Heizbetrieb in den frühen Morgenstunden, wobei die Raumtemperatur von z. B. 16°C und die Solltemperatur 20°C betragen, ergibt sich eine Regelabweichung von 4 K. Zu diesem Zeitpunkt sind alle Ventile offen bzw. 100% geöffnet. Das heißt, die K_V- und K_vS-Werte (Endpunkte von den charakteristischen Kurven der einzelnen Voreinstellungsstufen siehe 5) zusammenfallen. Da das Verhältnis vom K_vS-Wert zum K_V-Wert für das Ventil am Heizkörper HK2 am größten ist, bedeutet, dass der Raum mit dem Heizkörper HK2 schneller warm wird als die anderen Räume mit HK1 und HK3. Somit wird der Arbeitspunkt AP2 (5) schneller erreicht. Mit anderen Worten lässt sich der ungünstigste Raum (im Beispiel der Heizkörper HK2) nach dem statischen hydraulischen Abgleich bevorzugt behandeln.
Teillastverhalten nach dem statischen hydraulischen Abgleich
Die Heizungsanlagen werden für den Auslegungspunkt bei einer Außentemperatur je nach Gebiet in Deutschland von –10°C (bis –16°C) und ohne Sonnenstrahlung, ohne innere Wärmegewinne im Raum sowie ohne Wärmeabgaben von Beleuchtung, Maschinen, Personen (worst case) dimensioniert. Die Betriebsstunden der Heizungsanlagen sind je nach Gebäudetyp und Gebiet schätzungsweise zwischen 3000 und 6000 Stunden im Jahr. Über 95% der Betriebsstunden sind Teillastbetrieb, von dem Auslegungspunkt verschieden. Das bedeutet, dass die Methode des statischen hydraulischen Abgleichs optimal für den Auslegungspunkt ist, aber nicht für alle anderen Betriebspunkte im Teillastbetrieb. Die Voreinstellungen nach dem statischen hydraulischen Abgleich bedeuten das Anbringen der zusätzlichen Widerstände in einzelnen Thermostatventilen, die für die ganze Betriebsdauer in der Heizungsanlage bleiben und auch nicht für alle Betriebspunkte immer erforderlich und sinnvoll sind. Änderung der Randbedingungen verursacht ein unterschiedliches hydraulisches Verhalten im gesamten Rohrnetz von Heizungsanlagen.
Liegen z. B. hohe Solarstrahlung und innere Wärmegewinne oder ein Nutzereingriff vor, dass das Ventil am Heizkörper HK2 geschlossen wird. Daraus entsteht die neue Rohrnetzstruktur nur noch aus 2 Heizkörpern HK1 und HK3.
Da durch den Heizkörper HK2 kein Volumenstrom mehr fließt, reduziert sich der Druckverlust im gesamten Rohrnetz. Falls die Förderhöhe für diesen Fall weiterhin mit dem Wert von 16980 Pa festgehalten wird, ergibt sich ein Volumenstrom von 75 l/h (1,5 fache) für den Heizkörper HK1 und 35 l/h für den Heizkörper HK3 (siehe Matrix M₄).
Die Voreinstellungen der Ventile für den Heizkörper HK1 und HK3 sind geblieben, die für diese neue Situation eindeutig nicht mehr optimal sind. Für das Ventil am Heizkörper HK1 wäre die Voreinstellung nicht mehr erforderlich. Würde der statische hydraulische Abgleich für das Rohrnetz aus 2 Heizkörpern HK1 und HK3 erneut durchgeführt, ergäben sich die Ergebnisse in Matrix M₅ und Tabelle unten. Dabei bräuchte die Pumpe statt einem Drucksprung von 16980 Pa nur noch 3280 Pa zu fördern, um eine ausreichende Versorgung zu gewährleisten (siehe Matrix M₅).

Heizkörper K_V-Wert [l/h] Voreinstellung Xp [K] Hub [%]

1 560 N 2,0 50

2 - - 0 0

3 227 4 1,42 35,6
Falls die Ventile an den Heizkörpern HK1 und HK2 zugeschlossen sind und von dem Heizkörper HK3 eine Wärmeanforderung besteht, dann betrage die notwendige Förderhöhe nur noch 720 Pa. In diesem Fall wäre keine Voreinstellung für das Ventil am Heizkörper HK3 notwendig.

Heizkörper K_V-Wert [l/h] Voreinstellung Xp [K] Hub [%]

1 - - 0 0

2 - - 0 0

3 560 N 2,0 50
Zusammenfassend sind zusätzlich eingebaute Widerstände nach dem Verfahren des statischen hydraulischen Abgleichs optimal für den Auslegungszustand, aber nicht für die anderen Betriebszustände im Teillastbetrieb. Die zusätzlich eingebauten Widerstände verursachen unnötige Druckverluste im Teillastbetrieb und somit mehr elektrischen Energieverbrauch für den Pumpenbetrieb.
Bei den Arbeitspunkten AP1, AP2 und AP3 in 5 handelt es sich um die stationären Betriebspunkte beim Eintreten der Auslegungsbedingungen. Beim statischen hydraulischen Abgleich werden durch die manuellen Voreinstellungen die Durchflusswerte (K_V-Werte) von einzelnen Ventilen begrenzt. Die tatsächlichen Arbeitspunkte von jedem einzelnen Ventil bewegen sich auf der charakteristischen Kennlinie der entsprechenden Voreinstellungsstufe.
Ausführung des dynamischen hydraulischen Abgleichs
Statt der herkömmlichen Thermostatköpfe (Fühler) kommen nun die elektrischen Heizkörper-Motorantriebe (2) zum Einsatz (siehe 6). Der Motorantrieb ermöglicht, den Ventilhub physikalisch genau anzusteuern bzw. zu begrenzen. Um z. B. den Durchfluss K_V-Wert von dem Thermostatventil am Heizkörper HK1 (7) auf 217 l/h zu begrenzen, wird statt der manuellen Voreinstellungsstufe 4 der Ventilhub mit der charakteristischen Kurve der Voreinstellungsstufe N (ohne Voreinstellung) auf den oberen Grenzwert von 16% gesetzt. Der Arbeitspunkt AP1 auf der Voreinstellungsstufe 4 mit einem Ventilhub von 29,5% wandelt sich zu AP1' auf der Voreinstellungsstufe N (7). Der im Heizkörper-Antrieb integrierte PI-Regler berechnet anhand der Regelabweichung von dem Raumtemperatur-Istwert und dem -Sollwert den erforderlichen Ventilhub, der von dem oberen Grenzwert begrenzt wird. Das bedeutet, dass sich der tatsächliche Ventilhub innerhalb des Arbeitsbereiches zwischen 0 und dem oberen Grenzwert bewegt. Das o. g. Beispiel des Betriebswechsels von der abgesenkten zur normalen Heizung soll den Sachverhalt verdeutlichen. In den frühen Morgenstunden betragen die Raumtemperatur 16°C und die Solltemperatur 20°C. Der PI-Regler berechnet aus der vorliegenden Regelabweichung den erforderlichen Ventilhub von 100%. Da der berechnete Ventilhub größer als der obere Grenzwert von 16% ist, wird der Ventilhub den Wert 16% annehmen. Mit anderen Worten sind die Ventilhübe größer als der obere Grenzwert nicht erlaubt, wobei der obere Grenzwert dynamisch in Abhängigkeit von gegebenen Randbedingungen ermittelt wird.
Ähnlich wird der Ventilhub für den Heizkörper HK3 auf den oberen Grenzwert von 6,9% gesetzt (7). Daraus ergibt sich der neue Arbeitspunkt AP3' auf der Voreinstellungsstufe N. Da der obere Grenzwert für den Heizkörper HK2 bereits auf der Voreinstellungsstufe N liegt, sind deshalb der Arbeitspunkt AP2' und AP2 identisch.
Nun liegen die Arbeitspunkte auf der Voreinstellungsstufe N. Deshalb sind die manuellen Voreinstellungen nicht mehr erforderlich. Die erforderliche Förderhöhe von 16980 Pa, welche die zentrale Pumpe aufbringen soll, bleibt erhalten.
Tritt die Situation ein, bei dem z. B. das Ventil am Heizkörper HK2 aufgrund der Wärmegewinne bzw. Nutzerangriff geschlossen ist, besteht die Versorgung der Anlage nur für die Heizkörper HK1 und HK3. Anhand der vorhandenen Netzstruktur (2) mit den bekannten hydraulischen Widerständen (b_a, b_b, b₁, b₂, b₃) und den erforderlichen Soll-Volumenströmen V .₁ = 50 1 / h und V .₃ = 30 1 / h können mit Hilfe des in der Zentralen Regeleinheit (ZRE) abgelegten Algorithmus die Durchflusswerte K_V-Werte (K_V,1 = 560 l/h; K_V,3 = 227 l/h) sowie die erforderliche Förderhöhe von 3280 Pa berechnet werden. Aus den neuen K_V-Werten lassen sich die entsprechenden oberen Grenzwerte (8) erneut bestimmen. Der neue obere Grenzwert des Ventilhubs für den Heizkörper HK1 beträgt nun 50%; der für den Heizkörper HK3 liegt bei 16,7%. Die Arbeitspunkte AP1' und AP3' verändern sich von der Voreinstellungsstufe N zu AP1'' und AP3'' (siehe 8).
Sind die Ventile am Heizkörper HK1 und HK2 geschlossen, kann es so betrachtet werden, als ob die Heizungsanlage nur aus einem einzigen Heizkörper HK3 bestehe. Die für diesen Fall berechnete Pumpenförderhöhe beträgt nur noch 720 Pa.
Das o. g. Beispiel zeigt, dass es bei beliebigen Randbedingungen immer ein hydraulisch ungünstigstes Ventil im gesamten System gibt, das einen festdefinierten maximalen Wert (im Beispiel 50%) als oberen Grenzwert einnimmt. Die übrigen oberen Grenzwerte sind somit kleiner als der festdefinierte maximale Wert. Der maximale Wert kann zwischen Null und 100% festgelegt werden.
Da die Ventilhübe von allen Heizkörpern in der Heizungsanlage auf den oberen Grenzwerten gleichzeitig begrenzt sind (AP1', AP2' und AP3' in 7), werden alle Heizkörper bedarfsgerecht versorgt. Der ungünstigste Raum wird somit nicht mehr wie beim statischen hydraulischen Abgleich bevorzugt behandelt. Es besteht außerdem keine Verengung des Ventil-Querschnittes durch manuelle Voreinstellungen und somit auch keine Verstopfungsgefahr in den Thermostatventilen.
Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die Motorantriebe und die Zentrale Regeleinheit sowie der Wärmeerzeuger kabelgebunden oder kabellos miteinander kommunizieren. Die Rohrnetzstruktur, die hydraulischen Widerstände und die Soll-Volumenströme werden als Matrix in der Zentralen Regeleinheit abgelegt. Der Motorantrieb stellt die erfasste Raumtemperatur, die Solltemperatur und den aktuellen Ventilhub (Rauminformation) der Zentralen Regeleinheit zur Verfügung. Das erfindungsgemäße Verfahren, das ebenfalls in der Zentralen Regeleinheit abgelegt ist, berechnet anhand der Rauminformationen und der abgelegten Matrix die oberen Grenzwerte für Ventilhübe, die Vorlauftemperatur sowie den erforderlichen Drucksprung. Die Zentrale Regeleinheit stellt die berechneten Daten an den entsprechenden Geräten (Antriebe, Kessel, Pumpe) Zur Verfügung. Falls der Wärmeerzeuger die Ansteuerung der Pumpe übernimmt, entfällt eine direkte Kommunikation zwischen der Zentralen Regeleinheit und der Pumpe. Besteht die Möglichkeit, die Matrix sowie das erfindungsgemäße Verfahren in das Regelungsgerät des Wärmeerzeugers zu integrieren, entfällt die Zentrale Regeleinheit. In diesem Fall kommuniziert der Wärmeerzeuger direkt mit den Heizkörper-Antrieben.
Die Förderhöhe bzw. die Pumpenleistung wird in Abhängigkeit der Anzahl der versorgten Heizkörper und der Matrixdaten ermittelt, während die Vorlauftemperatur solange angepasst wird, bis die Ventilhübe an den ermittelten oberen Grenzwerten unter Einhaltung der Sollwerte positioniert sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009004319 A1 [0014]
DE 102010056373 A1 [0015]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage, wobei statt konventioneller Thermostatköpfe Heizkörper-Motorantriebe (2) eingesetzt sind, wobei eine Zentrale Regeleinheit (ZRE), Motorantriebe, zentraler Wärmeerzeuger (WE) und zentrale Pumpe kabelgebunden oder kabellos miteinander kommunizieren, und wobei die Rohrnetzstruktur der Heizungsanlage sowie die dazugehörigen hydraulischen Widerstände bekannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Abgleich und die Pumpenleistung sowie Regelung der Vorlauftemperatur vom Wärmeerzeuger fortlaufend in Abhängigkeit von den jeweiligen gegebenen Randbedingungen (aktueller Wärmebedarf) automatisch angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrnetzstruktur und die dazugehörigen hydraulischen Widerstände sowie die Soll-Volumenströme für einzelne Heizkörper als eine Matrix in einer Zentralen Regeleinheit abgelegt werden, wobei die Soll-Volumenströme am Anfang abgeschätzt und im Laufe des Betriebes adaptiert werden, dass der Motorantrieb der Zentralen Regeleinheit die lokalen Informationen (aktueller Ventilhub, die gemessene Raumtemperatur und die Solltemperatur) zur Verfügung stellt, dass anhand der lokalen Informationen im Zusammenhang mit den Matrixdaten in der Zentralen Regeleinheit die oberen Grenzwerte der Ventilhübe und der erforderliche Drucksprung sowie die passende zentrale Vorlauftemperatur berechnet werden, dass die berechneten Daten (obere Grenzwerte, Drucksprung, Vorlauftemperatur) den entsprechenden Geräten (Motorantriebe, Wärmeerzeuger, Pumpe) zur Verfügung gestellt werden, dass der im Motorantrieb integrierte PI Regler aus der Abweichung zwischen der tatsächlichen Raumtemperatur und dem Sollwert den aktuellen Ventilhub berechnet, der von dem oberen Grenzwert begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkörper mit geschlossenen Ventilen von der gesamten Rohrnetzstruktur getrennt werden, sodass eine neue aktuelle Rohrnetzstruktur entsteht, dass der erforderliche Drucksprung in Abhängigkeit der aktuellen Rohrnetzstruktur im Zusammenhang mit den in der Matrix enthaltenen Daten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlauftemperatur solange reduziert wird, bis die Ventilhübe an den ermittelten oberen Grenzwerten positioniert sind, wenn alle Ventilhübe der versorgten Heizkörper kleiner als dazugehörige obere Grenzwerte bei Einhaltung der Sollwerte sind, dass die Vorlauftemperatur solange erhöht wird, bis die Sollwerte erreicht werden, wenn alle Ventilhübe der versorgten Heizkörper an den oberen Grenzwerten positioniert sind und gleichzeitig die Raumtemperaturen die dazugehörigen Sollwerte nicht erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Volumenstrom eines Heizkörpers mit dem Ventil, dessen Ventilhub kleiner als sein oberer Grenzwert ist, solange reduziert wird, bis der Ventilhub an seinem oberen Grenzwert positioniert ist, wenn alle übrigen Ventilhübe an den oberen Grenzwerten stehen, wobei alle Sollwerte der Raumtemperaturen eingehalten sind, dass der Soll-Volumenstrom eines Heizkörpers mit dem Ventil, dessen Ventilhub an seinen oberen Grenzwert bleibt, solange erhöht wird, wenn die dazugehörige Raumtemperatur den Sollwert nicht erreicht, wobei in übrigen Räumen die Sollwerte eingehalten sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass es bei beliebigen Randbedingungen immer ein hydraulisch ungünstigstes Ventil im gesamten System gibt, das einen festdefinierten maximalen Wert als oberen Grenzwert einnimmt, wobei die oberen Grenzwerte der übrigen Ventile kleiner als der festdefinierte maximale Wert sind und wobei der festdefinierte maximale Wert zwischen Null und 100% festgelegt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine direkte Kommunikation zwischen der Zentralen Regeleinheit und der Pumpe entfällt, wenn der Wärmeerzeuger die Information der Zentralen Regeleinheit empfängt und weiter an die Pumpe übergibt, dass die Zentrale Regeleinheit entfällt, wenn die Matrix sowie das erfindungsgemäße Verfahren in das Regelungsgerät des Wärmeerzeugers integriert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens für Fußbodenheizung, Flächenheizung, Flächenkühlung, Kälte- und Lüftungsanlagen anwendbar ist.