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In Heizungsanlagen werden, in der Regel, für jeden Wärmeerzeuger und jeden Wärmeverbraucher eigenständige Pumpen und Mischer/Ventile verbaut. Bei einer gängigen Heizanlagenversion (Bild 2) mit zwei Wärmeerzeugern (z.B. Brennwertkessel und Solar), einem Wärmespeicher und drei Wärmeverbrauchern (Heizkörper (HK)-Heizkreise A10, Fußboden (FB)-Heizkreise A11 und einem Warmwasserwärmetauscher A4)
werden sechs Pumpen und drei Mischer/Ventile verbaut.
Wenn die Aufgabe dazukommt die verschiedenen Energieströme (Wärmemengenzähler) der Wärmeerzeuger und -verbraucher zu messen wird die Komplexität/Aufwand noch deutlich erhöht (im obigen Beispiel um vier zusätzliche Volumenstromsensoren).
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein System aufzuzeigen, mit dem die Komplexität, durch die gemeinsame Nutzung der Heizkreispumpe, 4-Wege Mischer und Volumenstromsensor, extrem reduziert ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Heizsystem entsprechend den Patentansprüchen ausgebildet.
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Die zentrale Idee der Erfindung ist, das Energieträgermedium Wasser seriell durch sämtliche Wärmeerzeuger, -speicher und -verbraucher mit nur einer Pumpe A15 anzutreiben und sämtliche Volumenströme beeinflusst ein einziger 4-Wege Mischer A14. Je nach Erfordernis mischt er entweder FB-Heizkreise oder HK-Heizkreise oder die Wärmespeicherladung Oben-Mitte-Unten. Für die Warmwassererzeugung WW ist noch ein Umschaltventil WW A7 erforderlich.
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Das Konzept nur eine Heizkreispumpe (statt mehrere) zu Verwenden wird auch in
- 1. DE 10 2008 000 392 A1 (Anlage zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wärmeenergie zwischen wärmetechnischen Betriebsmitteln mit abgestuften Temperaturniveaus in einem Gebäude und Verfahren zur Steuerung einer solchen Anlage)
- 2. DE 197 31 343 A1 (Brauchwasserspeicheranlage)
- 3. DE 29 01 820 A1 (Regelverfahren und -vorrichtung für ein mit Wärmeenergie belieferndes Heiznetz)
beschrieben.
Allerdings wird in 1. mit etlichen Mischern und Ventilen gearbeitet, um die Verteilung der Wärmeenergie steuern zu können (im Gegensatz diese Erfindung mit nur einem 4-Wege Mischer A14).
In 2. wird gar nur eine einzige Funktion der Ladung des Warmwasserspeichers beschrieben. Hier gibt es keinerlei Verteilfunktionen auf Heizkreise.
In 3. werden zwei Wärmeerzeuger mit zwei Mischern variabel auf einen Heizkreis aufgeteilt. Das heißt, die beiden Mischer haben nur eine einzige Funktion, im Gegensatz zu dieser Erfindung, wo nur ein 4-Wege Mischer A14 die verschiedensten Funktionen (Tabelle 2) ermöglicht.
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Die Idee ist, dass in einem seriellen Kreislauf sich die Temperaturen der Sensoren immer nacheinander verändern!
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Die sich daraus ergebenden Vorteile sind (Vergleich Bild 1 mit Bild 2):
- - Reduzierte Material- und Montagekosten. Statt 6 Pumpen nur noch zwei Pumpen.
- - Erhöhte Zuverlässigkeit durch weniger Pumpen und Verbindungen.
- - Schnellere Inbetriebnahme und geringere Kosten.
- - Geringerer Platzbedarf.
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(Patentanspruch 1)
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Dadurch, dass nur eine einzige Pumpe A15 im Heizkreis verwendet wird, ist es möglich auch mit nur einem einzigen Volumenstromsensor S15 sämtliche bewegten Wassermengen zu messen. Nur in den zwei Heizkreisen muss man etwas Rechenaufwand betreiben, um die Aufteilung des Volumenstroms bestimmen zu können. Damit löst die Erfindung das Problem der Messung sämtlicher Volumenströme auf sehr elegante Weise: Es müssen nur noch drei Differenztemperaturen gemessen werden. Der Rest ist einfache Mathematik.
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Die sich daraus ergebenden Vorteile sind (Vergleich Bild 1 mit Bild 2):
- - Reduzierte Material- und Montagekosten. Statt fünf Volumenstromsensoren wird nur noch Einer benötigt.
- - Erhöhte Zuverlässigkeit durch weniger Messteile und Verbindungen.
- - Geringerer Platzbedarf.
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(Patentanspruch 2)
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Bei der Montage des Mischermotors auf den 4-Wege Mischer A14 gibt es, in der Regel, acht Möglichkeiten. Die korrekte Einbauposition ist recht schwierig und Zeitaufwendig zu bestimmen. In der Praxis ergeben sich häufig Fehler die teilweise sogar erstmals unerkannt bleiben. Auch bei einer kurzfristigen Demontage kann bei der folgenden Montage wieder ein Fehler auftreten. Bei dem erfindungsgemäßen „Integralem Heizsystem“ kann der Monteur den Mischermotor in beliebiger Position einbauen. Die Regelung erkennt selbständig die Stellung des Kükens des 4-Wege Mischers A14 und kalibriert sich entsprechend.
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Die sich daraus ergebenden Vorteile sind:
- - Reduzierte Montage- und Inbetriebnahmekosten.
- - Erhöhte Zuverlässigkeit.
- - Schnellere Montage und Inbetriebnahme.
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(Patentanspruch 3)
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Bei den 15 Temperatursensoren sind zwangsläufig mehr oder minder große Toleranzen / Messfehler gegeben. In der Praxis werden diese Fehler häufig einfach hingenommen, weil eine Kalibrierung der Sensoren sehr zeitaufwändig ist. Bei dem erfindungsgemäßen „Integralem Heizsystem“ übernimmt die Regelung die Kalibrierung sämtlicher Temperatursensoren. Bei der Inbetriebnahme/Initialisierung gleicht die Regelung selbständig sämtliche Temperatursensoren ab. Zusätzlich wird auch eine nachträgliche Veränderung/Manipulation der Temperatursensoren erkannt und kompensiert.
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Die sich daraus ergebenden Vorteile sind:
- - Reduzierte Inbetriebnahmekosten.
- - Erhöhte Zuverlässigkeit.
- - Sehr hohe Langzeitsicherheit.
- - Sehr hohe Manipulationssicherheit.
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(Patentanspruch 4)
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Bei 15 Temperatursensoren, einem Volumenstromsensor und den diversen Aggregaten sind viele Fehlermöglichkeiten gegeben. Bei dem erfindungsgemäßen „Integralem Heizsystem“ kann die Regelung selbständig sämtliche Sensoren und Aggregate auf korrekte Funktion überwachen. Bei den Temperatursensoren gibt es regelmäßig diverse Paarungen, die Identische Werte anzeigen müssten. Deshalb sind fehlerhafte Temperatursensoren sehr leicht zu detektieren. Fehlerhaft Aggregate erkennt die Regelung an falschen Energieströmen. Eine Fehlfunktion des Volumenstromsensors S15 erkennt man aus der entsprechenden Temperaturänderung im Wärmespeicher A1 in Relation zu den akkumulierten entsprechenden Energieströmen.
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Die sich daraus ergebenden Vorteile sind:
- - Perfekte Selbstkontrolle des Systems.
- - Keine regelmäßige externe Neueichung notwendig.
- - Fehler werden sofort erkannt (nicht eventuell erst nach Jahren).
- - Sehr hohe Manipulationssicherheit.
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(Patentanspruch 5)
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Bei dem erfindungsgemäßen „Integralem Heizsystem“ kann die Regelung, da bei allen Wärmeerzeugern, -speicher und -verbrauchern die Volumenströme und die Differenztemperaturen bekannt sind, sämtliche Energieströme berechnen und dem Hydraulikschema zuordnen.
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Die sich daraus ergebenden Vorteile sind:
- - Perfekte Kontrolle des Systems.
- - Kein regelmäßige Nacheichung notwendig (für die WMZ sind nur die Differenztemperaturen notwendig; eine Drift der Absolutwerte wäre irrelevant).
- - Kosten können direkt zugeordnet werden.
- - Verbesserungspotentiale werden transparent.
- - Fehler werden sofort erkannt (nicht eventuell erst nach Jahren).
- - Sehr hohe Manipulationssicherheit.
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(Patentanspruch 6)
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Nachdem eine Heizung in Betrieb genommen wurde, wird sie oft vergessen und erst wenn ein gravierender Fehler vorliegt wieder überprüft. Viele Fehler treten aber nicht plötzlich auf, sondern sind schleichende Prozesse bis zum gravierenden Ausfall. Diese „schleichenden Prozesse“ gründen in der Regel auf Materialermüdung und/oder Verschmutzung. Das bedeutet, dass sich entweder Volumenströme und/oder Energieströme verändern. Bei dem erfindungsgemäßen „Integralem Heizsystem“ berechnet die Regelung ja sämtliche Energieströme inkl. Wärmeverluste und kann deshalb auch jegliche Veränderungen, egal wie träge, erkennen. Sobald diese Änderungen kritische Werte erreichen (z.B. die veränderte Korrelation von erzeugter zu verbrauchter Wärmemenge) schlägt die Regelung Alarm.
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Die sich daraus ergebenden Vorteile sind:
- - Sehr hohe Langzeitzuverlässigkeit.
- - Sehr hohe Kostensicherheit.
- - Schnellere Fehlersuche.
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(Patentanspruch 7)
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Die technische Realisierung Patentanspruch 1:
- Um das Gesamtsystem verstehen zu können, muss man sich zuerst die besondere Funktionsweise des 4-Wege Mischers A14 klar machen. Dieser ist ein handelsüblicher bivalenter 4-Wege Mischer A14 (z.B. Fa. ESBE mit Typ: VRB141). Der Mischermotor ist modifiziert: Der übliche Drehwinkel von 90° ist auf 360° erweitert!
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Beim 4-Wege Mischer A14 wird in der Hydraulik (Bild 1) der Anschluss „A“ nur als Eingang verwendet. Der Anschluss „C“ wird immer als Ausgang verwendet.
Die Anschlüsse „B“ und „D“ sind wahlweise Eingänge oder Ausgänge; d.h. je nach Betriebsart/Funktion wird die Flussrichtung umgekehrt!
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Die Tabelle 1 zeigt die Funktion/Flussrichtung durch den 4-Wege Mischer
A14 (Bild
1) bei einem gegebenen Drehwinkel des Kükens:
| Küken Drehwinkel | Flussrichtung | Funktion | Anschluss A | Anschluss B | Anschluss C | Anschluss D |
| 0° | A→C | FB-Heizkr. ungemischt | Eingang | - | Ausgang | - |
| 22,5° | A→B+C | Nicht sinnvoll | | | | |
| 45° | A→B | Wärmespeicher→WW | Eingang | Ausgang | - | - |
| 67,5° | | Nicht sinnvoll | | | | |
| 90° | - | FB-Heizkreis gesperrt | - | - | - | - |
| 112,5° | | Nicht sinnvoll | | | | |
| 135° | B→C | FB-Heizkreis gemischt u. HK-Heizkreis ungemischt | - | Eingang | Ausgang | - |
| 157,5° | A+B→C | Eingang 50% | Eingang 50% | Gemischt A+B | - |
| 180° | A→C | Eingang | - | Ausgang | - |
| 202,5° | A+D→C | Eingang 50% | - | Gemischt A+D | Eingang 50% |
| 225° | D→C | - | - | Ausgang | Eingang |
| 247,5° | | Nicht sinnvoll | | | | |
| 270° | - | FB-Heizkreis gesperrt | | - | | - |
| 292,5° | A→D | HK-Heizkreis mischen | Eingang 50% | - | - | Ausgang 50% |
| 315° | A→D | Wärmespeicherladung | Eingang | - | - | Ausgang |
| 337,5° | A→C+D | Nicht sinnvoll | | | | |
| 360° | A→C | FB-Heizkr. ungemischt | Eingang | - | Ausgang | - |
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Die Tabelle 2 zeigt die energetisch wirksamen Durchströmungen (Bild
1) an:
| Flussrichtung über | Funktion | 4-Wege Mischer A14 | Überströmventil fix A8 | Durchströmung Wärmespeicher A1 |
| HK-Heizkreis A10 | heizen aus Wärmespeicher A1 | - | geschaltet | F→E |
| HK-Heizkreis A10 | heizen direkt | A→D | - | - |
| HK-Heizkreis A10 | heizen aus Wärmespeicher A1 | A→B | - | G→E |
| FB-Heizkreis A11 | heizen variabel | ABD→C | geschaltet | F→EG |
| Wärmetauscher WW A4 | Warmwasser aus Wärmespeicher A1 | - | geschaltet | F→E |
| Wärmetauscher WW A4 | Warmwasser aus Wärmespeicher A1 | A→B | - | G→E |
| Überströmventil einstellbar A9 | Wärmespeicher A1 Ladung | - | geschaltet | F→G |
| Überströmventil einstellbar A9 | Wärmespeicher A1 Ladung | A→D | - | E→G |
| Wärmespeicher A1 | Wärmeentnahme Wärmespeicher A1 | - | geschaltet | F→E |
| Wärmespeicher A1 | Wärmespeicher A1 Ladung | - | geschaltet | F→G |
| Wärmespeicher A1 | Wärmespeicher A1 Ladung | A→B | - | E→G |
| Wärmespeicher A1 | Wärme entnahme Wärmespeicher A1 | A→D | - | G→E |
| Pumpe A15 | Summenvolumenstrom | ? | ? | ? |
Die Pumpe
A15 treibt das Heizungswasser zum 4-Wege Mischer
A14. Je nachdem bei welchem Drehwinkel das Küken des 4-Wege Mischers
A14 steht, fließt das Wasser entweder direkt über das Überströmventil fix A8 (Drehwinkel 90° ≙ Wärmespeicherladung Mitte) in den Wärmespeicher A1 oder über den Mischereingang „A“ zum Mischerausgang „B“
(Drehwinkel 45° ≙ Wärmespeicherladung Unten oder direkter Kreislauf) oder „C“
(Drehwinkel 180° ≙ ungemischt in FB-Heizkreis) oder „D“ (Drehwinkel 315° ≙ Wärmespeicherladung Oben). Der Drehwinkel 180° ist eigentlich nur ein seltener Sonderfall, wenn zufällig die Temperatur des Temperatursensors S6 der Solltemperatur des FB-Heizkreises entspricht. Normalerweise wird beim Betrieb des FB-Heizkreises
A11 die VL-Temperatur S11 über den 4-Wege Mischer
A14 eingestellt: Drehwinkel 135 - 180° wird Kaltwasser über den Weg „G“ u. Eingang „B“ zugemischt; Drehwinkel 180 - 225° wird Heißwasser über den Weg „E“ u. Eingang „D“ zugemischt. D.h. ein Teil des Volumenstroms fließt von der Pumpe
A15 direkt in den FB-Heizkreis
A11 und ein zweiter Teil über den Umweg Überströmventil fix A8 und Wärmespeicher A1. Jedes Mal entsteht im Wärmespeicher A1 ein Überdruck. Entweder fließt das Wasser dann über einen Wärmeverbraucher (A4 oder A10 oder A11) oder wenn diese alle geschlossen sind über das einstellbare Überströmventil A9 wieder ab. Der weitere Weg ist wieder seriell über das Umschaltventil WW A7, Volumenstromsensor S15, Brennwertkessel A5 und Solarwärmetauscher A3 zurück zur Pumpe
A15. Damit ist der Kreislauf geschlossen.
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Die neusten Aggregate (Pumpen, Ventile und Mischer) sind heutzutage mit PWM Eingängen ausgestattet. Diese sind mit Optokopplern von den Leistungskreisen getrennt. Manchmal sind noch Potentialfreie Anschlüsse zum Ansteuern mit Relais verbaut (speziell Heizkessel). Die modernen Temperatursensoren sind heutzutage in der Regel Platin-Widerstände (im Heizungsbau üblich PT1000).
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Die Regelung hat nun die Aufgabe sämtliche Aggregate und Sensoren zu erkennen und dann dem Hydraulikschema korrekt zuzuordnen. Dies wird so erreicht:
- 1. Alle Universal Anschlüsse der Regelung werden auf Widerstandsmessung geschaltet. Wird ein Wert zwischen 100 und 1000 Ohm gemessen ist in der Regel ein Relais angeschlossen. Ein Messwert zwischen 1000 und 1500 Ohm deutet auf einen PT-1000 Sensor. Ein Wert über 1500 Ohm weist auf einen PWM Eingang hin.
- 2. Dann wird auf alle PWM Anschlüsse nacheinander ein kurzes Signal gegeben. Bei irgendeinem läuft die Pumpe A15 los und erzeugt einen Volumenstrom der von irgendeinem anderen Anschluss als Impulsfolge angezeigt wird. Damit sind die Pumpe A15 und der Volumenstromsensor S15 gefunden.
- 3. Jetzt wird die Pumpe A15 dauerhaft angesteuert und der Volumenstrom überwacht. Dann werden wieder die übrigen PWM Anschlüsse nacheinander angesteuert. Bei einem Anschluss wird der Volumenstrom sehr schnell deutlich verändert. Dieser Anschluss ist A7 (Umschaltventil WW). Bei einem anderen Anschluss sind die Volumenstromänderungen sehr viel langsamer. Dieser Anschluss ist der 4-Wege Mischer A14. Eventuell muss diese Suchfunktion auf die gefundenen Relais ausgeweitet werden, weil das Umschaltventil WW A7 eventuell statt über ein PWM Signal über ein Relais angesteuert wird.
- 4. Jetzt suchen wir die Solarpumpe A16: Irgendein Temperatursensor hat eine deutlich abweichende Temperatur von den übrigen 14 Temperatursensoren. Dieser ist wahrscheinlich der Kollektorsensor S2. Jetzt werden nacheinander die restlichen PWM Anschlüsse angesteuert. Sobald die Solarpumpe A16 angesteuert wird ergibt sich am Kollektorsensor S2 eine schnelle Temperaturänderung und am Temperatursensor S16 eine verzögerte Temperaturänderung. Damit sind die Temperatursensoren S2 und S16 sowie die Solarpumpe A16 gefunden.
- 5. Der Brennwertkessel A5 wird in der Regel über einen potentialfreien Kontakt (Relais) angefordert. Dieser ist das übriggebliebene gefundene Relais. Wenn der Brennwertkessel A5 aktiviert wird steigt nach einer Weile (ca. 2-5 Minuten) die Temperatur von einem Sensor an. Das ist dann der Temperatursensor S4. Der 4-Wege Mischer A14 wird auf die Position 315° (A→D) gefahren. Sobald die Pumpe A15 und das Umschaltventil WW A7 aktiviert wird, kommt die Wärme nacheinander bei den Temperatursensoren S8, S6, S5 und S10 an. Jetzt wird das Umschaltventil WW A7 wieder abgeschaltet und die Pumpe A15 auf einen geringen Förderdruck (unterhalb der Auslöseschwelle des einstellbaren Überströmventils A9) eingestellt. Der Volumenstrom fließt nun über die Heizkörperheizkreise A10. Jetzt erwärmen sich die Temperatursensoren S9 und dann S12. Dann wird der Förderdruck der Pumpe A15 hochgefahren. Jetzt wird in den Wärmespeicher A1 Wärme geladen. Die Temperatursensoren S1, S3, S14, S12 und S10 erwärmen sich nacheinander. Der 4-Wege Mischer A14 wird nun auf die Position 180° (A→C) gefahren. Jetzt erwärmt sich der Temperatursensor Vorlauf FB-Heizkreis S11 und nach einiger Zeit der Temperatursensor Rücklauf FB-Heizkreis S13. Über den 4-Wege Mischer kann jetzt die VL-Temperatur S11 eingestellt werden. Der letzte Temperatursensor ist S7. Sämtliche Temperatursensoren sind gefunden, kalibriert und zugeordnet. Die Idee ist, dass in einem seriellen Kreislauf sich die Temperaturen der Sensoren immer nacheinander verändern!
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Die technische Realisierung Patentanspruch 2:
- In diesem geschlossenen Heizkreislauf wird nun der Volumenstromsensor S15 aktiviert. Der Summenvolumenstrom der Wärmeerzeuger ist damit bekannt (geht grundsätzlich über die Pumpe A15).
- Die Aufteilung dieses Volumenstroms auf die Wärmeverbraucher A10 und A11 (Bild 3) erfolgt rechnerisch:
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Beispiel 1: FB-Heizkreis A11 geöffnet; HK-Heizkreis A10 geschlossen; kein WW
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Der Drehwinkel des Kükens (vom 4-Wege Mischer A14) ist im Bereich von 135° - 225°. Die Temperatursensoren S12 und S14 zeigen identische Messwerte => kein Volumenstrom über HK-Heizkreis A10.
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Beispiel 2: FB-Heizkreis A11 geschlossen; HK-Heizkreis A10 geöffnet; kein WW
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Der Drehwinkel des Kükens vom 4-Wege Mischer A14 ist im Bereich von 270° - 315°.
Die Temperatursensoren S9 und S12 zeigen identische Messwerte => kein Volumenstrom über FB-Heizkreis A11.
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Beispiel 3: FB-Heizkreis A11 geöffnet; HK-Heizkreis A10 geöffnet; kein WW
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Der Drehwinkel des Kükens vom 4-Wege Mischer A14 ist im Bereich von 135° - 225°.
Die Temperatursensoren S9, S12 und S14 zeigen unterschiedliche Messwerte => Volumenstrom über HK-Heizkreis A10 und FB-Heizkreis A11. Die gemischte Temperatur von S12 ist immer zwischen den beiden Temperaturen S9 und S14.
Beispiel: S9 = 40°C; S14 = 25°C und S12 = 30°C => S9 - S12 = 10K und S12 - S14 = 5K ⇒ 2/3 des Volumenstroms geht über den FB-Heizkreis A11; 1/3 des Volumenstroms geht über den HK-Heizkreis A10.
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Beispiel 4: FB-Heizkreis A11 geschlossen; HK-Heizkreis A10 geschlossen; kein WW
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Das einstellbare Überströmventil A9 macht auf und es erfolgt nur eine Wärmespeicherladung A1 aus dem Brennwertkessel A5 und/oder Solarkreis A2/3 u. Solarpumpe A16.
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Beispiel 5: Warmwasserbedarf
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Umschaltventil WW A7 ist geschaltet; damit sind die anderen Heizkreise blockiert. Der gesamte Volumenstrom fließt durch den Wärmetauscher WW A4.
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Die Regelung ordnet die gemessenen und errechneten Volumenströme kumulativ allen Wärmeerzeugern, -speicher und -verbrauchern in getrennten Registern zu:
- Auch alle Differenztemperaturen des Gesamtsystems sind bekannt. Die Regelung braucht jetzt nur noch die Wärmemengen (Differenztemperatur (Sensor 1 zu 2) x Volumenstrom) zu berechnen und speichern.
- Die Regelung kann sogar bei allen Wärmeverbrauchern den jeweiligen Anteil der Kessel- oder Solarenergie zuordnen (auch bei aus dem Wärmespeicher A1 zwischengespeicherter Energie, da die Energiezusammensetzung im Wärmespeicher A1 bekannt ist).
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Die technische Realisierung Patentanspruch 3:
- Die Aufgabe ist die Kükenstellung des 4-Wege Mischers A14 zu ermitteln: Die Pumpe A15 und das Umschaltventil WW A7 werden dauerhaft angesteuert. Damit sind erstmals die Heizkreise gesperrt. Der Volumenstrom (dauerhaft überwacht) fließt über den Wärmetauscher WW A4 (Warmwasser). Dann wird der 4-Wege Mischer A14 über eine ganze 360° Drehung angesteuert. Bei zwei Winkelstellungen (A→B und A→D) die um 90° versetzt sind ist der Volumenstrom höher als bei allen anderen Drehwinkelstellungen. Hier muss die Pumpe A15 nicht den Druckverlust des Überströmventils fix A8 überwinden. Damit ist die Kükenstellung des 4-Wege Mischers A14 gefunden und die Regelung kalibriert sich darauf. (Es sind noch weitere Suchstrategien möglich)
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Die technische Realisierung Patentanspruch 4:
- Als nächstes werden alle Temperatursensoren kalibriert: Pumpe A15 wird angesteuert. Bei der Erstinbetriebnahme ist die Anlage mit kaltem (ca. 10°C) Wasser befüllt worden. Wenn die Pumpe A15 das Wasser in der Anlage zirkulieren lässt sind nach einer gewissen Zeit alle Temperatursensoren auf der identischen Temperatur. Für die Wärmemengenzählung ist es nicht entscheidend ob der Absolutwert völlig korrekt ist; wesentlich wichtiger sind die Differenztemperaturen. Deshalb werden jetzt alle (bis auf S2 und S16) Temperatursensoren auf den gleichen Mittelwert kalibriert. Wenn die Solarpumpe A16 aktiviert ist kann auch der Temperatursensor S16 abgeglichen werden.
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Die technische Realisierung Patentanspruch 5:
- Fehlerhafte Temperatursensoren sind sehr leicht zu detektieren:
- 1. Kurzschlüsse oder Unterbrechungen fallen sofort auf.
- 2. Plötzliche Messwertsprünge dürfen auch nicht auftreten.
- 3. Langsame Messwertänderungen dürfen nur im Kontext zu Volumenströmen auftreten. (Sehr langsame Messwertänderungen dürfen im Rahmen von Wärmeverlusten sein)
- 4. In den verschiedenen Betriebsmodi sind immer diverse Paarungen, die identische Messwerte aufweisen müssen.
- 5. Bestimmte Temperatursensoren sind, in den verschiedenen Betriebsmodi, immer kühler oder wärmer als vorhergehende oder folgende Temperatursensoren.
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Fehlerhafte Aggregate erkennt die Regelung an falschen Energieströmen, d.h. die Volumenströme haben falsche Werte oder nehmen falsche Wege.
Beispiel: Das einstellbare Überströmventil A9 ist verdreckt und schaltet nicht vollständig ab. Über die Volumenstromzähler S15 erkennt die Regelung einen ständigen Volumenstrom über das einstellbare Überströmventil A9 der nicht den gültigen Betriebsmodi entspricht.
Eine Fehlfunktion des Volumenstromsensors S15 erkennt die Regelung
- - am Ausbleiben von Volumenstromimpulsen trotz Temperaturänderungen bestimmter Sensoren
- - an Temperaturänderungen im Wärmespeicher A1 die nicht zu den akkumulierten entsprechenden Energieströmen passen.
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Die technische Realisierung Patentanspruch 6:
- Sämtliche Volumenströme und Differenztemperaturen des Gesamtsystems sind bekannt. Die Regelung braucht nur noch die Wärmemengen zu berechnen und speichern. Messfehler und Messdrift sind minimal weil sich das System kalibriert hat und sich ständig selbst überwacht.
Die Regelung kann sogar bei allen Wärmeverbrauchern den jeweiligen Anteil der Kessel- oder Solarenergie zuordnen (auch bei aus dem Wärmespeicher A1 zwischengespeicherter Energie, da die Energiezusammensetzung im Wärmespeicher A1 bekannt ist).
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Die Tabelle 3 zeigt die 22 berechneten Wärmemengenzähler:
| Wärmemengenzähler | Funktion | Sensor 1 | Sensor 2 |
| Brennwertkessel A5 | Summe Therm. Verbrennungsenergie | S10 | S8 |
| Solaranlage A2/3 | Summe erzeugter Solarenergie | S8 | S6 |
| Brennwertkessel A5 + Solaranlage A2 | Summe erzeugter Energie | S10 | S6 |
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| Summen A4 + A10 + A11 | Summe genutzter Energie | berechnet | berechnet |
| Solare Su. A4 + A10 + A11 | Summe genutzter Solarenergie | berechnet | berechnet |
| Brennwertkessel A5 Summe A4 + A10 + A11 | Summe genutzter Kesselenergie | berechnet | berechnet |
| Summe Direkt | Summe direkt genutzter Energie | berechnet | berechnet |
| Summe Wärmespeicher A1 | Summe vom Wärmespeicher genutzter Energie | berechnet | berechnet |
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| Summe Wärmeverluste | Differenz von erzeugter u. genutzter Energie | berechnet | berechnet |
| Summe solare Wärmeverluste | Differenz von Solar erzeugter u. genutzter Energie | berechnet | berechnet |
| Summe Brennwertkessel A5 Wärmeverluste | Differenz vom Brennwertkessel A5 erzeugter u. genutzter Energie | berechnet | berechnet |
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| Wärmetauscher WW A4 | genutzte Energie für Warmwasser | S5 | S10 |
| Wärmetauscher WW A4 aus Solar | genutzte Solarenergie für Warmwasser | berechnet | berechnet |
| Wärmetauscher WW A4 aus Brennwertkessel A5 | genutzte Brennwertkesselenergie für Warmwasser | berechnet | berechnet |
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| HK-Heizkreis A10 Summe | Summe genutzte Energie im HK -Heizkreis | S5 | S9 |
| HK-Heizkreis A10 aus Solar | Direkt genutzte Energie im HK-Heizkreis | berechnet | berechnet |
| HK-Heizkreis A10 aus Brennwertkessel A5 | Direkt genutzte Energie im HK-Heizkreis | berechnet | berechnet |
| HK-Heizkreis A10 aus Wärmespeicher A1 | genutzte Wärmespeicherenergie im HK-Heizkreis | berechnet | berechnet |
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| FB-Heizkreis A11 Summe | Summe genutzte Energie im FB-Heizkreis | S11 | S13 |
| FB-Heizkreis A11 aus Solar | Direkt genutzte Energie im FB-Heizkreis | berechnet | berechnet |
| FB-Heizkreis A11 aus Brennwertkessel A5 | Direkt genutzte Energie im FB-Heizkreis | berechnet | berechnet |
| FB-Heizkreis A10 aus Wärmespeicher A1 | genutzte Wärmespeicherenergie im FB-Heizkreis. | berechnet | berechnet |
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- Die technische Realisierung Patentanspruch 7:
- Jede Komponente in dem Heizungssystem wird dauerhaft überwacht und sobald Änderungen kritische Werte erreichen schlägt die Regelung Alarm:
- - Brennwertkessel A5: wenn die Abgastemperaturen von Sensor S4 im Mittel dauerhaft angestiegen sind und/oder der Wärmeeintrag in der Spitze und im Mittel absinkt.
- - Solaranlage A2: wenn der Solarertrag in der Spitze und im Mittel absinkt.
- - Solarwärmetauscher A3: wenn die Temperaturspreizung S16 - S8 im Mittel ansteigt.
- - Solarpumpe A16: wenn die Laufzeit bis die Wärme vom Kollektor S2 am Solarwärmetauscher A3 ankommt tendenziell sich verlängert.
- - Pumpe A15: wenn sich der Volumenstrom des Volumenstromsensors S15 in den verschiedenen Betriebsmodi tendenziell reduziert.
- - 4-Wege Mischer A14: wenn sich die Laufzeiten zum Erreichen entsprechender Drehwinkel erhöhen.
- - Überströmventil fix A8: wenn (Drehwinkel des Kükens vom 4-Wege Mischer A14 bei 90° oder 270°) der notwendige Förderdruck von der Pumpe A15 tendenziell sich verändert hat.
- - Einstellbares Überströmventil A9: wenn (Drehwinkel des Kükens vom 4-Wege Mischer A14 bei 45° oder 315°) der notwendige Förderdruck von der Pumpe A15 tendenziell sich verändert hat.
- - Wärmespeicher A1: wenn tendenziell die Wärmeverluste ansteigen.
- - Wärmetauscher WW A4: wenn die Rücklauftemperatur von S10 im WW-Betrieb tendenziell ansteigt und/oder die Temperaturspreizung S5 - S7 im Mittel ansteigt.
- - Umschaltventil WW A7: wenn sich die Umschaltlaufzeiten erhöhen und/oder Fehlvolumenströme einstellen.
- - WMZ Volumenstromsensor S15: wenn einzelne Impulse/Impulsfolgen ausfallen.
- - HK-Heizkreise A10: wenn der notwendige Förderdruck von der Pumpe A15 sich (im HK-Heizmodus) tendenziell erhöht hat.
- - FB-Heizkreise A11: wenn (Drehwinkel des Kükens vom 4-Wege Mischer A14 bei 135° - 225°) der notwendige Förderdruck von der Pumpe A15 sich tendenziell erhöht hat.
- Bild 1: Version Brennwertkessel
- Bild 2: Version Stand der Technik (konventionelles) Heizsystem Brennwertkessel
- Bild 3: Version Brennwertkessel mit Sensoren
- Bild 4: alternative Version mit Holzkessel
- Bild 5: alternative Version für Nah- oder Fernwärmenetze
- Tabelle 1: Funktion/Flussrichtung durch den 4-Wege Mischer bei einem gegebenen Drehwinkel des Kükens
- Tabelle 2: Die energetisch wirksamen Durchströmungen
- Tabelle 3: Die 22 berechneten Wärmemengenzähler
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Bezugszeichenliste
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- Aggregate:
- A 1
- Wärmespeicher
- A 2
- Solarkollektor
- A 3
- Solarwärmetauscher
- A 4
- Warmwasser (WW) Wärmetauscher
- A 5
- Brennwertkessel (Öl oder Gas)
- A 6
- Holzkessel
- A 7
- Umschaltventil Warmwasser WW
- A 8
- Überströmventil fix
- A 9
- Überströmventil einstellbar
- A10
- Heizköper (HK)-Heizkreis (Hochtemperatur ca. 50-90°C)
- A11
- Fußboden (FB)-Heizkreis (Niedertemperatur ca. 30-40°C)
- A12
- Nah- oder Fernwärmenetz
- A13
- Wärmetauscher Nah- oder Fernwärmenetz
- A14
- 4-Wege Mischer mit 360° Stellmotor
- A15
- Pumpe
- A16
- Solarpumpe
- A17
- Stellventil Nah- oder Fernwärmenetz
- Sensoren:
- S 1
- Temperatursensor Wärmespeicher Oben
- S 2
- Temperatursensor Solarkollektor
- S 3
- Temperatursensor Wärmespeicher Mitte
- S 4
- Temperatursensor Abgase Kessel
- S 5
- Temperatursensor Vorlauf HK-Heizkreis
- S 6
- Temperatursensor Vorlauf Solarwärmetauscher
- S 7
- Temperatursensor Warmwasser
- S 8
- Temperatursensor Vorlauf Brennwertkessel
- S 9
- Temperatursensor Rücklauf HK-Heizkreis
- S 10
- Temperatursensor Rücklauf Brennwertkessel
- S 11
- Temperatursensor Vorlauf FB-Heizkreis
- S 12
- Temperatursensor gemischte Rücklauftemperatur HK + FB + einstellbares Überströmventil
- S 13
- Temperatursensor Rücklauf FB-Heizkreis
- S 14
- Temperatursensor gemischte Rücklauftemperatur FB + einstellbares Überströmventil
- S 15
- Volumenstromsensor (Impulsgeber / Wärmemengenzähler)
- S 16
- Temperatursensor Rücklauf Solarwärmetauscher
- VL
- Vorlauf
- RL
- Rücklauf
- WMZ
- Wärmemengenzähler
- PWM
- Pulsweitenmodulation
