DE102015111640A1

DE102015111640A1 - Regelsystem

Info

Publication number: DE102015111640A1
Application number: DE102015111640.5A
Authority: DE
Inventors: Harald Fonfara
Original assignee: Kermi System GmbH
Current assignee: Kermi System GmbH
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2017-01-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem zur Regelung einer von einem Heizkörper abzugebenden Heizleistung, wobei zwei seriell miteinander gekoppelte Stellglieder gemeinsam auf den Stößel eines Heizkörperventils einwirken und eine den Hub des Ventils auswertende Steuereinheit diejenige Kombination aus optimalem Öffnungshub und neu einzustellender Vorlauftemperatur ermittelt, welche der Heizleistung entspricht, die mit der vorherigen Vorlauftemperatur bei gegenüber dem optimalen Öffnungshub verändertem Öffnungshub angefordert wurde.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelsystem für Raumheizflächen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Regelung von Heizkörpern sind Heizkörperthermostate bekannt, die ein gewünschtes Temperaturniveau genau oder innerhalb gewisser Grenzen einstellen. So können Thermostatköpfe ein Dehnstoffelement enthalten, welches die stetige Regelung der Raumtemperatur vornimmt. Dies geschieht, indem das Dehnstoffelement sich in Abhängigkeit seiner Umgebungstemperatur ausdehnt oder kontrahiert und dabei auf den Stößel eines Heizkörperventils einwirkt. Ein zu weit geöffnetes Ventil bewirkt einen hohen Massenstrom durch den Heizkörper mit entsprechend hoher Wärmeabgabe und daraus resultierender ansteigender Raumtemperatur. Diese führt zur Ausdehnung des Dehnstoffelements um ein gewisses Maß, wodurch der Hub des Ventils wieder reduziert wird, was zu einer Absenkung der Raumtemperatur führt. Das Dehnstoffelement regelt auf diese Weise die Wärmeabgabe des Heizkörpers.
Bekannt sind weiterhin Thermostatköpfe mit motorisch angetriebenen Verstelleinrichtungen. Anders als die mit einer bleibenden Regelabweichung behafteten Dehnstoffelemente zeigen die motorischen Regler ein PI-Regelverhalten ohne bleibende Regelabweichung. Allerdings erfordert das ständige Regeln bzw. Bewegen des Ventilstößels eine vergleichsweise hohe elektrische Leistung, die bei Batteriebetrieb einen häufigen Batteriewechsel zur Folge hat.
Nachteilig ist weiterhin der Fall, wenn das geregelte Ventil nicht in seinem Proportionalbereich betrieben wird. Der Betrieb innerhalb des Proportionalbereichs ist von Vorteil, da Änderungen der Raumtemperatur, die Änderungen des Ventilhubes zur Folge haben, proportional eine Änderung des Wasserstromes bewirken, was wiederum proportional zu einer Änderung der Wärmeabgabe des Heizkörpers führt. Außerhalb des Proportionalbereichs, typischerweise bei großen Öffnungshüben des Ventils, ist dieser Zusammenhang nicht mehr gegeben, da die Ventilkennlinie „Abhängigkeit des Durchflusses vom Öffnungshub“ nach einem proportionalen Anstieg im unteren Bereich nach oben hin asymptotisch ausläuft. Liegt im Raum bezüglich der Wärmeabgabe eine Unterdeckung vor, so führt ein Betrieb des Ventils im Proportionalbereich dazu, dass eine weitere Öffnung auch wirklich zu einem Anstieg des Wasserstromes durch das Ventil führt und somit dem Raum eine höhere Wärmeleistung zur Verfügung steht. Befand sich das Ventil bei Unterdeckung schon am „oberen Rand“ oder gar außerhalb des Proportionalbereichs, würde das nicht funktionieren, die weitere Öffnung würde keinen zusätzlichen Wasserstrom bewirken.
Die geeignete Wahl der „optimalen“ Lage bzw. des Öffnungshubes innerhalb des Proportionalbereichs beruht ferner auf der Überlegung, dass auf Änderungen der Raumtemperatur in beide Richtungen mit einer adäquaten, proportionalen Änderung des Wasserstromes reagiert werden kann, wobei gleichzeitig ein möglichst großer Öffnungshub eine vorteilhaft möglichst niedrige Vorlauftemperatur gestattet. Ein Öffnungshub von bspw. 80% bis 85% gewährt erfahrungsgemäß noch ausreichend Regelspielraum nach oben, um einen Mehrbedarf noch genau genug detektieren zu können.
Das Heizflächenauslegungsdiagramm in 3 erläutert den Zusammenhang zwischen Volumenstrom, Medientemperaturen und Heizleistung. Darin beschreibt die Abszissenachse die Übertemperatur des Heizwasservorlaufes über der Raumtemperatur, analog dazu kennzeichnet die Ordinatenachse die Übertemperatur des sich am Heizkörper einstellen Rücklaufes, ebenfalls als Übertemperatur über der Raumtemperatur. Die Kurvenscharen von links oben nach rechts unten definieren die relative Wärmeleistung, bezogen auf die nach Norm EN 422 ermittelte Leistung, die Kurvenscharen von links unten nach rechts oben wiederum gelten für konstante Heizwasserströme. Dabei zeigt die lang gestrichelte Linie den Zusammenhang zwischen Heizwasserstrom, Leistung, Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur bei derzeit üblichen Auslegungsparametern für Heizkörper, hier bezogen auf den in der Branche üblichen Auslegungsfall mit 55°C – Vorlauf, 45°C – Rücklauf und 20°C – Raumtemperatur. Der für das erfindungsgemäße Regelsystem beispielhaft gewählte relative Wasserstrom von 80% ist als kurz gestrichelte Linie eingefügt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Regelsystem für Heizkörper bzw. Raumheizflächen zu schaffen, welches einerseits einen geringen Energieverbrauch zeigt, der im Wesentlichen auf eine Sollwertverstellung beschränkt ist, und welches die stetige Regelung ohne Bedarf an Hilfsenergie und bei Auslegungsöffnungshub des Ventils durchführen kann. Aufgabe ist weiterhin ein Verfahren zur Regelung eines Heizkörpers mit Hilfe eines solchen Regelsystems.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Regelsystem nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung beruht auf der Kombination zweier Stellglieder, die beide auf den Stößel eines Heizkörperventils einwirken und dabei so angeordnet sind, dass sich die jeweils mit ihnen erzeugten Längenänderungen addieren zu einer Gesamtlängenänderung ∆L, welche auf den Stößel des Ventils übertragen wird. Um das Heizkörperventil dabei möglichst in oder nahe seines Proportionalbereiches zu betreiben, ist weiterhin vorgesehen, den Ventilhub zu erfassen und zur Ermittlung derjenigen Vorlauftemperatur heranzuziehen, die bei Betrieb des Ventils in seiner Neutrallage eine gewünschte Heizflächenleistung bringt.
Die erfindungsgemäße Kombination zweier unabhängig voneinander betätigbarer Stellglieder mit der Erfassung und Auswertung des Ventilhubs gestattet es vorteilhaft, stets diejenige Vorlauftemperatur T_VL zu ermitteln, im Wärmeerzeuger zu erzeugen und dem Heizkörperventil zuzuführen, welche im Proportionalbereich bzw. bei einem darin gewählten Auslegungsöffnungshub des Ventils (ideales Öffnungsmaß) zu einer bestimmten angeforderten Heizleistung führt. Damit unterscheidet sich das Regelsystem von herkömmlichen Regelsystemen mit einfachen Thermostatköpfen, bei denen eine höhere oder niedrigere Heizleistung durch entsprechendes Vergrößern oder Verkleinern des Ventilhubs erzeugt wird, das Ventil also nicht sicher in seinem Proportionalbereich betrieben wird.
Ein erfindungsgemäßes Regelsystem umfasst dabei ein Stellorgan mit einem ersten Stellglied G₁, wobei das Stellglied G₁ in Abhängigkeit einer zu erfassenden Temperatur eine Längenänderung ∆L₁ vollführt. Bei diesem Stellglied kann es sich um ein bekanntes Dehnstoffelement handeln, welches sich in Abhängigkeit seiner Umgebungstemperatur ausdehnt oder kontrahiert. Ferner ist ein zweites, betätigbares Stellglied G₂ vorgesehen, welches unabhängig vom ersten Stellglied G₁ betätigbar ist und zur Erzeugung einer zweiten Längenänderung ∆L₂ ausgebildet ist. Hierbei kann es sich insbesondere um ein motorisch betriebenes Stellglied handeln, welches beispielsweise mittels einer ein- und ausschraubbaren Spindel eine axiale Ausdehnung oder Verkürzung erzeugen kann.
Erfindungsgemäß sind die beiden Stellglieder so miteinander gekoppelt, dass sich beide Längenänderungen ∆L₁, ∆L₂ addieren zu einer Gesamtlängenänderung ∆L, um diese auf den Stößel des Heizkörperventils zu übertragen und dadurch den Massenstrom durch das Ventil einzustellen. Die Stellglieder G₁, G₂ sind also wirkungsmäßig so hintereinander geschaltet, dass die Ausdehnung eines Stellglieds durch die Kontraktion des anderen kompensiert werden kann und andererseits die Kontraktion oder Expansion beider Stellglieder zu einer Gesamtlängenänderung führt, die sich aus der Addition beider Kontraktionen oder Expansionen ergibt.
Die Ermittlung des Ventilhubs, die von entscheidender Bedeutung für das erfindungsgemäße Regelsystem ist, erfolgt durch geeignete Mittel, etwa dem Fachmann bekannte Sensoren zur Längenerfassung.
Schließlich umfasst das erfindungsgemäße Regelsystem eine Steuereinheit, die zur Auswertung des erfassten Hubsignals und zur Ermittlung einer vom Hubsignal abhängigen Vorlauftemperatur ausgebildet ist. Die Steuereinheit kann separat zu den Stellgliedern und den Huberfassungsmitteln ausgebildet sein und mit diesen beispielsweise per Funk oder kabelgebunden kommunizieren. Sie dient insbesondere dazu, aus einem erfassten Ventilhub, unter Berücksichtigung der aktuellen Vorlauftemperatur, diejenige Heizleistung zu ermitteln, die aktuell am Heizkörper durch das Heizkörperventil hindurch bereitgestellt bzw. abgegeben wird. Entspricht dabei der Öffnungshub des Ventils nicht dem optimalen Öffnungshub im Proportionalbereich (ist er beispielsweise geringer), so wird der Heizkörper aktuell mit reduziertem Volumenstrom betrieben. Die Vorlauftemperatur ist dann offensichtlich zu hoch, um das Ventil mit seinem optimalen Öffnungshub zu betreiben, da dann zu viel Wärme in den Raum abgegeben würde.
In Kenntnis der aktuellen Vorlauftemperatur und der Abweichung des aktuellen Ventilhubs vom optimalen Öffnungshub bzw. in Kenntnis der daraus ermittelten aktuellen Heizleistung kann die Steuereinheit dann diejenige Vorlauftemperatur ermitteln, welche bei Öffnung des Ventils genau auf seinen optimalen Öffnungshub zu der gleichen Wärmeleistungsabgabe am Heizkörper führt. Die Paarung von Öffnungshub und Vorlauftemperatur wird also unter Beibehaltung der resultierenden Wärmeleistung so angepasst, dass das Ventil mit dem optimalen Öffnungshub im Proportionalbereich betrieben werden kann. Dies geschieht dadurch, dass das Heizmedium mit der von der Steuereinheit ermittelten und vorgegebenen neuen (hier: abgesenkten) Vorlauftemperatur durch das Heizkörperventil strömt, welches zunächst unverändert mit dem reduzierten Öffnungshub betrieben wird. Damit sinkt die abgegebene Heizleistung und somit die Raumtemperatur vorübergehend ab, was im ersten Stellglied (vorzugsweise Dehnstoffelement) zu einer Kontraktion führt, welche das Ventil entsprechend öffnet, um mehr Heizmedium strömen zu lassen und entsprechend mehr Heizleistung in den Raum abzugeben.
Bei geeigneter Wahl der neuen Vorlauftemperatur wird das Dehnstoffelement genau diejenige Längenänderung ∆L₁ vollführen, welche das Ventil von seiner zuvor reduzierten Öffnung auf seinen optimalen Öffnungshub bewegt. Abhängig von zulässigen Toleranzen bei der Erfassung des Ventilhubs und bei seiner Beeinflussung durch das Dehnstoffelement ergibt sich ein Wechselspiel zwischen dem Dehnstoffelement und der Einstellung der Vorlauftemperatur. Zweckmäßigerweise bleiben geringfügige, durch das Dehnstoffelement bei dessen Regelung verursachte Änderungen des Ventilhubs unberücksichtigt für die Einstellung der Vorlauftemperatur, sofern der Ventilhub sich im Proportionalbereich bewegt. In solchen engen Grenzen kann die Regelung dann ausschließlich durch das Dehnstoffelement erfolgen; größere Abweichungen im Ventilhub dagegen führen zur geeigneten Anpassung der Vorlauftemperatur, um im Ergebnis das Ventil wieder mit dem optimalen Öffnungshub zu betreiben.
Zweckmäßigerweise umfasst das Regelsystem wenigstens einen Sensor, der den Hub des Ventils unmittelbar erfasst. Alternativ wäre es zwar denkbar, auch jeweils die Längenänderungen ∆L₁, ∆L₂ der beiden Stellglieder zu erfassen und daraus Rückschlüsse auf den Ventilhub zu ziehen. Eine exaktere Erfassung des Ventilhubs jedoch gelingt besser mit einem genau diesen erfassenden Sensor. Ferner kann die Erfassung des tatsächlichen Ventilhubs zur Kalibrierung des Systems herangezogen werden, wenn das Dehnverhalten des Dehnstoffelements variiert und nicht genau bekannt ist.
Auch die einzelnen Längenänderungen ∆L₁, ∆L₂ können über geeignete Sensoren separat erfasst werden, um sie in der Steuereinheit auszuwerten. So erlaubt die unmittelbare Messung der Längenänderung ∆L₁ des ersten Stellglieds die Überprüfung, ob das Stellglied (insbesondere als Dehnstoffelement) seine maximale Expansion bzw. Kontraktion ausgeführt hat und daher nur noch begrenzt zur Regelung des Volumenstroms beitragen kann. In analoger Weise kann auch die Längenänderung ∆L₂ des zweiten Stellglieds, dessen Bedeutung später noch erläutert werden soll, zur genaueren Regelung und zur Überwachung von Endlagen erfasst werden. Auch die Erfassung der Raumtemperatur T_R, welche in der Nähe des ersten oder zweiten Stellglieds vorherrscht, kann zweckmäßig sein, um sie bei der Regelung zu berücksichtigen.
Um die auf diese Weise erfassten Daten der Sensoren an die Steuereinheit zu übermitteln, können vorteilhafterweise Sende- und/oder Empfangsmittel vorgesehen sein. Diese können insbesondere nahe des ersten und/oder zweiten Stellglieds angeordnet sein, beispielsweise gemeinsam mit diesen in einem Gehäuse. Eine Funkanbindung erübrigt eine aufwändige Kabelverbindung zu der übergeordneten Steuereinheit, die vorzugsweise zur Ansteuerung mehrerer, auch räumlich getrennter Stellglieder an unterschiedlichen Heizkörperventilen ausgebildet ist.
Zweckmäßigerweise ist das Stellorgan, welches wenigstens das erste Stellglied umfasst, mit einem Heizkörperventil koppelbar, um die Längenänderung ∆L auf den Stößel des Heizkörperventils zu übertragen. Denkbar sind hier Rast-, Bajonett- oder Schraubverbindungen, mit denen das Stellorgan bzw. das erste Stellglied mit dem Heizkörperventil koppelbar ist.
Vorzugsweise ist auch das zweite Stellglied im Stellorgan oder in einem mit diesem lösbar verbindbaren Antriebsgehäuse angeordnet. So könnten die beiden Stellglieder modulartig miteinander gekoppelt, individuell kombiniert oder im Bedarfsfall auch einzeln ausgetauscht werden. Denkbar wäre insbesondere ein Stellorgan nach dem Vorbild eines herkömmlichen Thermostatventils mit Dehnstoffelement als erstem Stellglied, wobei das Stellorgan in an sich bekannter Weise auf ein Heizkörperventil aufschraubbar ist. Auf der dem Ventil abgewandten Rückseite könnte das Stellorgan einen Kopplungsmechanismus zur Verbindung mit dem zweiten Stellglied bzw. einem dieses aufnehmenden Antriebsgehäuse aufweisen. Zur elektrischen Verbindung der einzelnen Sensoren oder eines Motors des zweiten Stellglieds mit Sende- und/oder Empfangsmitteln zur Kommunikation mit der Steuereinheit können entsprechende Schnittstellen zwischen dem Stellorgan und dem Antriebsgehäuse vorgesehen sein.
Die Erfassung des Ventilhubs kann über einen Hubdetektor erfolgen, der separat zum Stellorgan oder zum Antriebsgehäuse ausgebildet und mit diesen verbindbar ist. Der Detektor könnte beispielsweise zwischen das Heizkörperventil und das Stellorgan eingesetzt werden, wobei wiederum elektrische Kontaktmittel zur Signal- und Datenübertragung an das Stellorgan, das Antriebsgehäuse bzw. Sende- oder Empfangsmittel vorgesehen sind, welche im Signalaustausch mit der Steuereinheit stehen. Obwohl Hubdetektor, Stellorgan und Antriebsgehäuse jeweils als separate Elemente denkbar sind, können diese nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung auch in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst sein, wonach das Stellorgan in diesem Fall auch den Hubdetektor und das zweite Stellglied umfassen kann, zweckmäßigerweise geschützt durch ein gemeinsames Gehäuse.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Ansteuerbarkeit des zweiten Stellglieds, um gezielt eine Längenänderung ∆L₂ und eine damit zunächst übereinstimmende Gesamtlängenänderung ∆L zu erzeugen. Es kann sich dabei insbesondere um ein motorisch angetriebenes Stellglied handeln, welches sich mit einem vorderen Ende am ersten Stellglied G₁ und mit einem dem ersten Stellglied G₁ abgewandten hinteren Ende unmittelbar oder über eine Überhubfeder an einem ortsfesten Gehäuseabschnitt abstützt. Ein solches, über die Steuereinheit gezielt ansteuerbares Stellglied gestattet es, unter Nutzung des bereits beschriebenen Regelungskonzepts (Änderung der Vorlauftemperatur zur Einstellung der optimalen Ventilöffnung), unter aktiver Änderung des Ventilhubs die Änderung der Vorlauftemperatur zu erzwingen. Soll beispielsweise die Raumtemperatur, etwa im Rahmen einer Nachtabsenkung, um 4°C abgesenkt werden, so kann dies erfindungsgemäß wie folgt geschehen:
Durch Einstellung der gewünschten Temperatur während der Nachtabsenkung (beispielsweise von 22°C auf 18°C) an der Steuereinheit ermittelt diese, ausgehend vom aktuellen und vorzugsweise optimalen Ventilöffnungshub, denjenigen neuen Ventilhub, der bei zunächst unveränderter Vorlauftemperatur zu der gewünschten, reduzierten Raumtemperatur führen würde. Daraufhin steuert die Steuereinheit das zweite Stellglied so an, dass dieses sich um eine Längenänderung ∆L₂ ausdehnt, welche genau zu dem zuvor ermittelten neuen (reduzierten) Hub führt. Das zweite Stellglied verschiebt dabei das zwischen ihm und dem Stößel des Heizkörperventils angeordnete erste Stellglied mit, ohne dass dieses dabei zunächst seine Länge verändert, denn zu diesem Zeitpunkt ist die Raumtemperatur noch unverändert. Der dann reduzierte neue Öffnungshub wird jedoch in der bereits beschriebenen Weise detektiert, woraus eine scheinbar zu hohe Heizleistung abgeleitet wird, so dass daraufhin die Vorlauftemperatur abgesenkt wird. Die Vorlauftemperatur wird automatisch wieder so ausgewählt, dass die anhand des aktuellen reduzierten Hubs ermittelte Heizleistung abgegeben wird bei optimal geöffnetem Ventil. Die entsprechend reduzierte Vorlauftemperatur strömt anschließend durch den (noch reduzierten) Öffnungsquerschnitt des Heizkörperventils, wodurch eine geringere Heizleistung abgegeben wird. Dies wiederum führt zu einer Kontraktion des ersten, temperaturabhängigen Stellglieds (insbesondere Dehnstoffelement), was wiederum zur Öffnung des Ventils auf den Auslegungsöffnungshub führt. In diesem Endzustand wird Heizmedium mit reduzierter Vorlauftemperatur durch das ideal geöffnete Ventil dem Heizkörper zugeleitet, der daraufhin die zuvor kalkulierte, gegenüber dem Tagbetrieb reduzierte Wärmeleistung abgibt und die Temperatur im Raum absenkt.
Am folgenden Morgen kann die Regelung im umgekehrten Sinn erfolgen. Die Steuereinheit steuert das zweite Stellglied an zur Kontraktion um ein bestimmtes Maß, welches je nach Ventilauslegung beispielsweise einer Temperaturerhöhung von 18°C auf 22°C, also um 4K entspricht, so dass sich das Ventil – ausgehend von dem zuvor eingeregelten optimalen Öffnungshub – zunächst öffnet. Diese Hubveränderung wird detektiert und als zu geringes Wärmeleistungsangebot interpretiert, da das Ventil weiter geöffnet ist als bei idealer Vorlauftemperatur nötig wäre. Auf Basis des neu erkannten Ventilhubs wird wieder diejenige Vorlauftemperatur ermittelt, welche diejenige Heizleistung bringt, die auch mit der aktuellen Vorlauftemperatur (der Nachtabsenkung) und dem nun erweiterten Hub zur Verfügung gestellt wird. Die neue, erhöhte Vorlauftemperatur führt zu einer Heizleistung, die über der gewünschten liegt, da ja das Heizkörperventil noch weiter als kalkuliert geöffnet ist. Die sich dadurch zunächst einstellende zu hohe Raumtemperatur führt zur Ausdehnung des ersten Stellglieds genau um dasjenige Maß, welches wieder den optimalen Öffnungshub am Ventil einstellt. Damit ist das kalkulierte Wertepaar (Vorlauftemperatur/Öffnungshub) für den Tagbetrieb mit wieder angehobener Raumtemperatur eingestellt.
Während eines solchen stationären Betriebszustands, sei es im Tagbetrieb oder in der Nachtabsenkung, reicht das erste Stellglied als Dehnstoffelement vollkommen aus, um die Temperatur durch leichte Regulierung des Öffnungshubs beizubehalten. Die Betätigung des motorischen zweiten Stellglieds ist im regulären Betrieb nicht erforderlich, wodurch vorteilhaft elektrische Energie eingespart werden kann.
Ein erweitertes erfindungsgemäßes Regelsystem umfasst noch einen Wärmeerzeuger zur Bereitstellung des Heizmediums mit einer vorgebbaren Vorlauftemperatur. Der Wärmeerzeuger ist zweckmäßigerweise zum Signalaustausch mit der Steuereinheit ausgebildet, er könnte diese jedoch auch teilweise oder vollständig selbst enthalten. So könnte beispielsweise die Ermittlung der neuen Vorlauftemperatur in einem am oder im Wärmeerzeuger angeordneten Steuerteil erfolgen, welches lediglich den erfassten Hub des Ventils in Signalform von der Steuereinheit erhält, die in der Nähe des Heizkörperventils, insbesondere im gleichen Raum, angeordnet sein könnte. Alternativ kann die in diesem Raum positionierte Steuereinheit jedoch auch die vollständige Auswertung und die Ermittlung neuer Einstelldaten, wie beispielsweise der neuen Vorlauftemperatur, selbst übernehmen und lediglich diesen Temperaturwert dem Steuerteil des Wärmeerzeugers übermitteln. Eine im Raum des zu steuernden Heizkörpers angeordnete Steuereinheit bietet darüber hinaus den Vorteil der besonders einfachen Bedienung, insbesondere wenn Temperaturänderungen an der Steuereinheit manuell vorgegeben werden sollen. Dann kann lokal auf Knopfdruck beispielsweise die Nachtabsenkung mit reduzierter Temperatur an der Steuereinheit eingegeben bzw. ausgelöst werden.
Denkbar ist es ferner, mit nur einer Steuereinheit mehrere Heizkörper zu regeln, indem die Steuereinheit mit den Stellgliedern an mehreren Heizkörperventilen, beispielsweise auch in unterschiedlichen Räumen, im Signalaustausch steht. Um aus möglicherweise unterschiedlichen Öffnungshüben der einzelnen Ventile auf eine für alle Heizkörper geltende neue Vorlauftemperatur schließen zu können, werden die Hübe vorzugsweise gemittelt, so dass aus dem Mittelwert dann auf einen mittleren Bedarf aller Heizkörper geschlossen werden kann, woraus sich wiederum die optimale Vorlauftemperatur für den Fall ableiten lässt, dass der dann gemittelte Öffnungshub dem Auslegungsöffnungshub entspricht.
Das erfindungsgemäße Regelsystem mit zwei Stellgliedern gestattet vorteilhafterweise auch die Kalibrierung des Ventils, so dass beispielsweise zu Beginn einer Heizperiode oder bei Inbetriebnahme die Ermittlung des Schließpunktes des Ventils möglich ist. Mit Hilfe geeigneter Längenmesssensoren, welche die Ausdehnung oder Kontraktion ∆L₁, ∆L₂ der Stellglieder und den Öffnungshub des Ventils erfassen, lässt sich das Ausdehnungsverhalten insbesondere des Dehnstoffelements exakt ermitteln und durch Einstellung des mit dem Dehnstoffelement gekoppelten zweiten Stellglieds exakt ausgleichen bzw. anpassen, so dass ein eindeutiger und korrigierbarer Bezug zwischen dem Öffnungshub des Ventils und der Längenänderung des Dehnstoffelements herstellbar ist.
Zweckmäßigerweise gestattet die Steuerung auch die Hinterlegung unterschiedlicher Solltemperaturen, um nach dem Vorbild der bereits beschriebenen Nachtabsenkung auch unterschiedliche Absenkungs- oder Anhebungsniveaus auf Knopfdruck einstellen bzw. auswählen zu können.
Ferner wäre es möglich, den Ventilblockierschutz in regelmäßigen Zeitabständen zu aktivieren, bei dem der Stößel des Ventils über den gesamten möglichen Hub verfahren wird, um Anhaftungen am Ventilstößel zu vermeiden oder abzustreifen und die Einstellbarkeit des Ventils über seinen vollen Hub zu gewährleisten. Dies könnte geschehen mit Hilfe eines motorisch verfahrbaren zweiten Stellglieds. Eine solche Sonderfunktion kann natürlich erfolgen unter Ausblendung der sonst durch eine Hubveränderung ausgelösten Regelung (Erfassung des Hubs und Anpassung der Vorlauftemperatur), durch eine in der Steuereinheit hinterlegbare geeignete Steuerungsabfolge.
Unabhängig von den beiden erfindungsgemäßen Stellgliedern kann die Temperaturabsenkung oder Anhebung zweckmäßigerweise auch durch manuelle Veränderung der wirksamen Stößellänge erfolgen, nach dem Vorbild handbetätigter Heizkörperthermostate. In diesem Fall würde die gesamte Anordnung von erstem und zweitem Stellglied, beispielsweise durch Verdrehen eines diese beiden Komponenten aufnehmenden Gehäuses, um ein Maß in Richtung des Ventilstößels verfahren, wodurch der Hub des Ventils sich entsprechend vergrößert oder verringert. Durch die erfindungsgemäße Überwachung des Ventilhubs und die zugehörige Anpassung der Vorlauftemperatur stellt sich auch dann, mittels automatischer Korrektur durch das Dehnstoffelement, der optimale Öffnungshub am Ventil wieder ein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines Heizkörpers mit einem Regelsystem in der zuvor beschriebenen Art umfasst dabei wenigstens folgende Schritte:

i₁) Erfassen des Hubs (H) und seiner Abweichung (∆H) von einem vorgebbaren Hubsollwert (H_x),
i₂) Ermittlung der aktuell geforderten Heizleistung (Q) unter Auswertung des Hubs (H) und der aktuellen Vorlauftemperatur (T_VL),
i₃) Einstellen einer neuen Vorlauftemperatur (T_VLneu) derart, dass bei Einstellung des Ventils (4) auf den Hubsollwert (Hx) die Heizleistung (Q) am Heizkörper abgegeben wird.

Die unter i₃) genannte Einstellung des Ventils auf den Hubsollwert soll vorzugsweise ausschließlich durch eines der beiden Stellglieder, vorzugsweise ein Dehnstoffelement, erfolgen. Dies setzt jedoch voraus, dass das Dehnstoffelement, ausgehend von der aktuellen, als zu groß oder zu klein bewerteten Ventilöffnung, die nötige Längenänderung zur Einstellung des Ventils auf dessen optimalen Öffnungshub alleine bewerkstelligen kann, diese Hubänderung ∆L₁ also innerhalb des möglichen Regelbereichs des Dehnstoffelements liegt. Sollte dies nicht möglich sein, was durch Erfassung der einzelnen Längenänderungen mit den bereits erwähnten Sensoren möglich ist, so kann das zweite Stellglied zum Ausgleich einer durch das erste Stellglied möglicherweise nicht erreichbaren Längenänderung hinzugezogen werden, was etwa durch einen in der Steuereinheit hinterlegten Algorithmus realisierbar ist. Dann werden beide Längenänderungen ∆L₁, ∆L₂ addiert und gemeinsam dazu benutzt, das Ventil wieder auf seinen Auslegungsöffnungshub zu verfahren.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die Anpassung der Vorlauftemperatur erst erfolgt, wenn die Abweichung des Ventilhubs von seinem optimalen Öffnungshub einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Dadurch wird sichergestellt, dass nicht jede (auch noch so kleine) Abweichung des Hubs vom optimalen Öffnungshub unmittelbar zu einer Anpassung der Vorlauftemperatur führt, was die Regelung vereinfacht.
Zum Zweck einer gezielten Temperaturänderung kann das erfindungsgemäße Verfahren, wie vorstehend beschrieben, ergänzt werden durch bewussten Eingriff in den Ventilhub vor Verfahrensschritt i₁), durch den folgenden Verfahrensschritt:

i₀) Gezielte Veränderung des Ventilhubs (H) auf einen neuen Hub (H_neu).

Die serielle Anordnung des ersten und des zweiten Stellglieds hat erfindungsgemäß keinen Einfluss auf die Funktion des Regelsystems, da sich die jeweiligen Längenänderungen ∆L₁, ∆L₂ stets addieren. Insofern kann die Anordnung bzw. Reihenfolge der beiden Stellglieder relativ zum Ventil bzw. Ventilstößel frei gewählt und vertauscht werden. Der Ventilstößel könnte unmittelbar von einem Dehnstoffelement als erstem Stellglied beaufschlagt werden, welches seinerseits von einem motorisch angetriebenen zweiten Stellglied beaufschlagt wird. Diese Reihenfolge ist jedoch auch umkehrbar.
Nachfolgend soll eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelsystems anhand eines Figurenbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt
1 eine schematische Darstellung wesentlicher Komponenten des erfindungs gemäßen Regelsystems;
2 das Regelsystem gemäß 1 mit Steuerung und Wärmeerzeuger; und
3 ein Heizflächenauslegungsdiagramm.
1 zeigt in schematischer Schnittdarstellung ein Stellorgan des erfindungsgemäßen Regelsystems 1. Das Stellorgan umfasst ein erstes Stellglied G_1, welches als an sich bekanntes Dehnstoffelement ausgeführt ist. Es vermag sich in Abhängigkeit einer das Stellglied G₁ umgebenden Raumtemperatur T_R selbsttätig auszudehnen bzw. zu kontrahieren in einer in 1 horizontalen Längsrichtung, so dass sich seine Länge L₁ entsprechend ändert.
Mit dem ersten Stellglied G₁ ist ein zweites Stellglied G₂ gekoppelt. Auch dieses Stellglied kann sich hinsichtlich seiner Länge L₂ verändern, wozu es einen von einer Steuereinheit 5 (s. 2) ansteuerbaren motorischen Antrieb aufweist, der beispielsweise eine Spindel antreibt.
Die beiden Stellglieder G₁ und G₂ sind in Richtung ihrer veränderlichen Länge so miteinander gekoppelt, dass sich eine Längenänderung ∆L₁ des ersten Stellglieds G₁ zu einer Längenänderung ∆L₂ des zweiten Stellglieds G₂ addiert zu einer Gesamtlängenänderung ∆L. Ein Sensor S₁ am ersten Stellglied G₁ bzw. S₂ am zweiten Stellglied G₂ erfasst dabei die jeweilige Längenänderung ∆L_1, ∆L₂ und/oder die absolute Länge L₁, L₂ es jeweiligen Stellglieds. Die beiden Stellglieder G₁ und G₂ sind in einem gemeinsamen Gehäuse C angeordnet, welches mit dem Ventil 4 eines Heizkörpers gekoppelt ist derart, dass das erste Stellglied G₁ in Richtung seiner Längenveränderlichkeit auf den Stößel P des Ventils 4 einwirken kann, um dadurch den Hub H des Ventils 4 zu verändern. Durch die Kopplung der beiden Stellglieder G₁ und G₂ wirkt sich eine Veränderung der Länge L₁ und/oder L₂ unmittelbar auf den Hub H aus, der über einen Sensor S_H erfasst werden kann. Eine Überlastfeder stützt das zweite Stellglied G₂ an der dem Ventil 4 abgewandten Seite am Gehäuse C ab. Je nach Ausdehnung der Stellglieder G₁ und G₂ verändert sich der Hub H des Ventils 4 mit der Folge, dass mehr oder weniger Heizmedium nach Art der im Ventil 4 angedeuteten Pfeile strömen kann. Je nach Volumenstrom wird eine größere oder kleinere Heizleistung an einem mit dem Ventil 4 verbundenen und in 1 nicht dargestellten Heizkörper abgegeben.
Das Stellorgan A ist über einen nicht näher dargestellten Mechanismus relativ zum Stößel P des Ventils 4 in dessen Längsrichtung verfahrbar bzw. verschraubbar, so dass sich das erste und zweite Stellglied G₁, G₂ beispielsweise durch Drehen des Stellorgans A gegen den Uhrzeigersinn um ein Maß vom Ventil 4 (in 1 nach rechts) fortbewegen, während die umgekehrte Schraubbewegung eine Annäherung an das Ventil 4 bewirkt. Aufgrund der Feder F folgt der Stößel P einer solchen Bewegung, wodurch sich der Hub H verändert. Auf diese Weise ist durch manuelle Betätigung des Stellorgans A ein größerer oder kleinerer Hub H am Heizkörperventil 4 einstellbar.
Die von den Sensoren S_H, S_T, S₁ und S₂ erfassten Messwerte bzw. daraus erzeugte Signale sind über Sende- und Empfangsmittel M an eine in 2 dargestellte Steuereinheit 5 übermittelbar, um sie dort auszuwerten. Die Sende- und Empfangsmittel M dienen auch dazu, von der Steuereinheit 5 oder gegebenenfalls einer anderen oder zusätzlichen Steuereinheit Signale zu empfangen, um insbesondere das zweite, motorisch angetriebene Stellglied G₂ zu einer Längenänderung ∆L₂ zu veranlassen.
2 zeigt ferner einen schematisch angedeuteten Raum R, in dem sich das Stellorgan A gemäß 1 ebenso befindet wie die Steuereinheit 5. Ein Temperatursensor S_T, der gemäß 1 auch innerhalb des Gehäuses C angeordnet sein kann, erfasst ferner die im Raum R herrschende Raumtemperatur T_R, um diese für das nachfolgend beschriebene Regelungsverfahren berücksichtigen zu können.
Als weiteren Teil des Regelsystems zeigt 2 ferner noch einen Wärmeerzeuger W, der ein Heizmedium mit einer Vorlauftemperatur T_VL abgibt. Das Heizmedium wird mit einer Rücklauftemperatur T_RL dem Wärmeerzeuger wieder zugeführt, nachdem es durch einen nicht näher dargestellten Heizkörper im Raum R hindurchgeströmt ist, der seinerseits über ein erfindungsgemäß ansteuerbares Heizkörperventil 4 betätigbar ist. Der Wärmeerzeuger W ist zum Signalaustausch mit der Steuereinheit 5 und/oder dem Stellorgan A ausgebildet, vorzugsweise per Funk.
Die Funktion des erfindungsgemäßen Regelsystems bzw. des Regelverfahrens lässt sich angesichts 1 und 2 wie folgt erläutern:
In einem stationären Betriebszustand durchströmt das vom Wärmeerzeuger W kommende Heizmedium mit der Vorlauftemperatur T_VL das Ventil 4, welches mit einem als optimal unterstellten Öffnungshub H geöffnet ist. Die gemeinsam auf den Stößel P des Ventils 4 einwirkenden Stellglieder G₁ und G₂ halten den Stößel P dabei gegen die Kraft einer Feder F in seiner Lage. Ausgehend von diesem stationären Zustand kann in der bereits beschriebenen Weise manuell, etwa durch Drehen des Stellorgans A, der Hub H des Ventils 4 auf einen neuen Hub H_neu verändert, beispielsweise vergrößert werden, um eine höhere Heizleistung durch höheren Volumenstrom abrufen zu können.
Diese Veränderung des Hubs H wird über den Hubdetektor S_H (oder bei geeigneter Anordnung und Kalibrierung durch die Sensoren S₁ und S₂) detektiert und über die Sende- und Empfangsmittel M an die Steuereinheit 5 übermittelt.
Der neue Hub H_neu weicht damit um ein Maß ∆H von einem vorgebbaren Sollwert H_x ab, wobei der Sollwert H_x einen optimalen Betriebspunkt des Heizkörperventils 4 innerhalb des Proportionalbereichs darstellt. Aus dem Wertepaar des Hubs H_neu und der zunächst noch unveränderten Vorlauftemperatur T_VL ermittelt die Steuereinheit 5 sodann die daraus resultierende neue Heizleistung Q, wobei der neue Öffnungshub H_neu von dem optimalen Hub H_X nachteiligerweise abweicht. Um die geforderte Heizleistung Q auch bei dem optimalen Öffnungshub H_X liefern zu können (der in diesem Fall geringer ist als H_neu), muss die Vorlauftemperatur T_VL entsprechend angehoben werden, um insgesamt die gleiche Heizleistung Q abgeben zu können. Erfindungsgemäß ermittelt die Steuereinheit dann diejenige neue Vorlauftemperatur T_VLneu, die unter Annahme des idealen Öffnungshubes H_X zu der angeforderten Heizleistung führt.
Durch Signalaustausch mit dem Wärmeerzeuger W wird dieser zur Bereitstellung des Heizmediums mit der neuen Vorlauftemperatur T_VLneu angesteuert. Infolgedessen strömt das Heizmedium nun mit der neuen Vorlauftemperatur T_VLneu durch das Ventil 4, welches zunächst noch den zuvor manuell eingestellten vergrößerten Hub H_neu aufweist. Die bereits erhöhte Vorlauftemperatur T_VLneu in Kombination mit dem zunächst noch vergrößerten Volumenstrom aufgrund des vergrößerten Hubs H_neu erzeugt ein Wärmeüberangebot und führt zur Erhöhung der Raumtemperatur T_R. Durch den Einfluss der Temperaturerhöhung dehnt sich das erste Stellglied G₁ aus und beaufschlagt dadurch den Stößel P des Ventils 4, wodurch im Ergebnis der freie Strömungsquerschnitt des Ventils 4 wieder reduziert wird auf den optimalen Öffnungshub H_X. Nach Abschluss dieses Regelungsvorgangs strömt das Heizmedium mit erhöhter Vorlauftemperatur T_VLneu und einem dem optimalen Hub H_X entsprechenden Volumenstrom durch den Heizkörper und gibt die gewünschte Wärmemenge ab.
Durch manuelles Reduzieren des Hubs H, etwa durch eine Schraubbewegung des Stellorgans A im Uhrzeigersinn um die Achse des Ventilstößels wird der Regelvorgang im umgekehrten Sinne analog ausgelöst nach folgenden Schritten:

– Detektion kleinerer Hub
– Ermittlung der gewünschten Heizleistung aus neuem Hub und aktueller Vorlauftemperatur
– Ermittlung der reduzierten Vorlauftemperatur bei optimalem Hub H_X für die gleiche Heizleistung
– Einstellung der so ermittelten Vorlauftemperatur
– Absinken der Raumtemperatur
– Kontraktion des Stellglieds G₁
– automatische Einstellung des optimalen Hubs H_x

Anstelle der manuellen Einflussnahme auf den Hub H des Ventils 4 kann dies auch über das zweite Stellglied G₂ erfolgen. In diesem Fall kann der Ventilhub, etwa durch einen in der Steuereinheit 5 hinterlegten Algorithmus, zu einer vorgebbaren Zeit um einen vorgebbaren Wert verändert werden. Die einzustellende Hubveränderung folgt dabei aus einer in der Steuereinheit hinterlegbaren oder von ihr ermittelbaren bzw. abfragbaren Zuordnung zwischen Temperaturänderung und Hubänderung, wonach bspw. 0,25mm Hub einer Änderung von 1°C entspricht. Der zuvor beschriebene Regelungsmechanismus läuft in gleicher Weise ab, wobei die gezielte Veränderung des Hubs (etwa zur Nachtabsenkung oder zur Anhebung der Temperatur bei Tagesbeginn) vorteilhaft automatisiert und durch die Steuereinheit 5 zu vorgebbaren Zeiten gesteuert erfolgen kann.
Die Steuereinheit kann vorteilhafterweise auch die Steuerung mehrerer Stellorgane A übernehmen, die auch in unterschiedlichen Räumen R angeordnet sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm EN 422 [0006]

Claims

Regelsystem (1) für Raumheizflächen, a) umfassend ein Stellorgan (A) mit einem ersten Stellglied (G₁), wobei das Stellglied (G₁) in Abhängigkeit einer zu erfassenden Temperatur eine Längenänderung (∆L₁) vollführt, b) ferner umfassend ein zweites, unabhängig vom ersten Stellglied (G₁) betätigbares Stellglied (G₂), welches zur Erzeugung einer Längenänderung (∆L₂) ausgebildet ist, c) wobei die Stellglieder (G₁, G₂) so miteinander gekoppelt sind, dass sich beide Längenänderungen (∆L₁, ∆L₂) addieren zu einer Gesamtlängenänderung (∆L), um diese auf den Stößel (P) eines Heizkörperventils (4) zu übertragen und dadurch den Massenstrom durch das Ventil (4) einzustellen, dadurch gekennzeichnet, d) dass Mittel zur Ermittlung des Hubs (H) des Ventils (4) und zur Generierung eines zugehörigen Hubsignals vorgesehen sind, e) wobei eine Steuereinheit (5) vorgesehen ist, welche zur Auswertung des Hubsignals und zur Ermittlung einer vom Hubsignal abhängigen Vorlauftemperatur (T_VL) ausgebildet ist.
Regelsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (S₁, S₂, S_H, S_T) vorgesehen ist, um die Längenänderung (∆L₁, ∆L₂) und den Hub (H) bzw. eine Raumtemperatur (T_R) zu erfassen.
Regelsystem (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sende- und/oder Empfangsmittel (M) vorgesehen sind, um durch Sensoren erfasste Längen- oder Temperaturdaten an die Steuereinheit (5) zu übermitteln.
Regelsystem (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellorgan (A) mit einem Heizkörperventil (4) koppelbar, insbesondere verschraubbar, ist, um die Längenänderung (∆L) auf den Stößel (P) des Heizkörperventils (4) zu übertragen.
Regelsystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stellglied (G₂) ebenfalls im Stellorgan (A) oder in einem mit diesem lösbar verbindbaren Antriebsgehäuse (C) angeordnet ist.
Regelsystem (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (G₂) durch die Steuereinheit (5) ansteuerbar ist, um die Längenänderung (∆L₂) zu erzeugen.
Regelsystem (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stellglied (G₁) ein Dehnstoffelement umfasst, welches temperaturabhängig seine Länge ändert.
Regelsystem (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stellglied (G₂) zur Erzeugung der Längenänderung (∆L₂) einen Motor umfasst und/oder sich mit einem vorderen Ende am ersten Stellglied (G₁) und einem hinteren Ende unmittelbar oder über eine Überhubfeder an einem ortsfesten Gehäuseabschnitt abstützt.
Regelsystem (1) nach einem der vorigen Ansprüche, ferner umfassend einen Wärmeerzeuger (W) zur Bereitstellung eines Heizmediums mit einer vorgebbaren Vorlauftemperatur (T_VL), der zum Signalaustausch mit der Steuereinheit (5) ausgebildet ist.
Verfahren zur Regelung eines Heizkörpers mit einem Regelsystem nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem ein Wärmeerzeuger (W) einem Heizkörperventil (4) eines Heizkörpers ein Heizmedium mit einer einstellbaren Vorlauftemperatur (T_VL) zuführt, umfassend folgende Schritte: i₁) Erfassen des Hubs (H) und seiner Abweichung (∆H) von einem vorgebbaren Hubsollwert (Hx), i₂) Ermittlung der aktuell geforderten Heizleistung (Q) unter Auswertung des Hubs (H) und der aktuellen Vorlauftemperatur (T_VL), i₃) Einstellen einer neuen Vorlauftemperatur (T_VLneu) derart, dass bei Einstellung des Ventils (4) auf den Hubsollwert (Hx) die Heizleistung (Q) am Heizkörper abgegeben wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Vorlauftemperatur (T_VL) erst erfolgt, wenn die Abweichung (∆H) einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt i₁) folgender Schritt i₀) durchgeführt wird, der vorzugsweise in Abhängigkeit einer Tageszeit ausgelöst wird: i₀) Gezielte Veränderung des Ventilhubs (H) auf einen neuen Hub (H_neu).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der neue Hub (H_neu) manuell oder durch Ansteuerung des zweiten Stellglieds (G₂) mit der Steuereinheit (5) eingestellt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das dem neuen Hub (H_neu) entsprechende Steuersignal in der Steuereinheit (5) ermittelt wird auf Basis einer Raumsolltemperatur (T_soll), welche vorzugsweise manuell in die Steuereinheit (5) eingebbar ist.