DE102016102539A1

DE102016102539A1 - Verfahren und System zur Regelung einer Mehrzahl von Heizkörpern

Info

Publication number: DE102016102539A1
Application number: DE102016102539.9A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Hohlwegler; Helmut Reglin; Stefan Schwamberger; Martin Winkler; Martin Wischke
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2036-02-16
Also published as: DE102016102539B4; DE102016102539A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung mehrerer Heizkörper, die in einem Verbund betrieben werden, wobei jeder Heizkörper wenigstens einen Stellantrieb zum Verstellen eines Ventils zur Einstellung eines Volumenstroms eines Heizfluids durch den Heizkörper, einen Energiespeicher zur Versorgung des Stellantriebs und eine Energiewandler-Einrichtung aufweist. Die Energiewandler-Einrichtungen erzeugt elektrische Energie auf der Basis der Wärmeabgabe des zugehörigen Heizkörpers zum Laden der zugehörigen Energiespeicher, und die Ventilöffnung oder der Volumenstrom wenigstens eines der Heizkörper werden über das zugehörige Ventil eingestellt, um die Erzeugung elektrischer Energie durch die zugehörige Energiewandler-Einrichtung zu justieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Regelung einer Mehrzahl von Heizkörpern in einem Verbund, insbesondere zur Regelung einer Mehrzahl von Heizkörpern, die in einem Raum parallel oder in Reihe verbunden sind.
Heizkörper sind als Teile von Heizungsanlagen in Gebäuderäumen angeordnet. Sie umfassen in der Regel einen metallischen Hohlkörper, der auch als Radiator bezeichnet wird. Ein Heizfluid, beispielsweise Wasser, strömt durch die Heizkörper, wobei innerhalb eines Raumes mehrere Heizkörper in Reihe oder parallel an eine Zuleitung und eine Rückleitung für das Heizfluid angeschlossen sein können. Die von dem Heizfluid transportierte thermische Energie wird durch Konvektion an die Umgebungsluft abgegeben.
Jeder Heizkörper verfügt in der Regel über einen Zulauf und einen Ablauf, in denen ein Einlassventil und ein Auslassventil vorgesehen sein können, um eine Durchflussmenge des Heizfluids durch den Heizkörper (vor)einzustellen. An dem Heizkörper kann ferner ein Thermostatventil angeordnet sein, das zusätzlich zu einer Voreinstellung der Heizfluidströmung eine temperaturabhängige Regelung der Wärmezufuhr zu dem Heizkörper realisiert, wobei der Durchfluss des Heizfluids abhängig von der Umgebungstemperatur erhöht oder gesenkt wird, um die Umgebungstemperatur möglichst konstant auf einem vorgegebenen Wert zu halten.
1 zeigt ein Beispiel einer Heizungsanlage mit drei Heizkörpern 10, die parallel an einer Vorlaufleitung 12 und einer Rücklaufleitung 14 für ein Heizfluid angeschlossen sind. Jeder der Heizkörper 10 ist mit der Vorlaufleitung 12 über ein mechanisches Thermostatventil 16 gekoppelt. Wie aus 1 erkennbar, sind die Rohrleitungslängen von Vorlauf und Rücklauf zu den jeweiligen Thermostatventilen 16 unterschiedlich. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Strömungswiderstände zu den einzelnen Heizkörpern 10 und somit unterschiedliche Volumenströme durch die Heizkörper, wenn die Ventile gleich eingestellt sind. Es ist damit zu rechnen, dass durch den in der Zeichnung linken Heizkörper 10 ein größerer Volumenstrom fließt als durch den in der Zeichnung rechten Heizkörper 10. Somit wird der linke Heizkörper eine größere Heizleistung und damit eine höhere Wärme erzeugen als der rechte Heizkörper. Die Heizleistung und die Wärmeabgabe der einzelnen Heizkörper ist dadurch ungleichmäßig verteilt. Ähnliche, sogar noch gravierendere Unterschiede in der Heizleistung und der Wärmeabgabe ergeben sich, wenn Heizkörper in Reihe geschaltet sind.
Um dem entgegenzuwirken, können an den Heizkörpern 10 in der Verbindungsleitung zum Rücklauf zusätzliche Ventile 18 angeordnet sein. Diese werden in der Regel bei der Installation der Heizungsanlage auf einen festen Strömungswiderstand voreingestellt, um den Durchfluss des Heizungsfluids durch die einzelnen Heizkörper 10 aneinander anzugleichen. Diese Einstellung nennt man hydraulischer Abgleich. In der Praxis wird der hydraulische Abgleich häufig aufgrund von Schätzungen vorgenommen.
Da jeder Heizkörper 10 ein eigenes Thermostatventil 16 aufweist, das den Volumenstrom durch den jeweiligen Heizkörper abhängig von der Umgebungstemperatur in der Nähe des Heizkörpers regelt, können die Auswirkungen eines mangelhaften hydraulischen Abgleichs bis zu einem gewissen Grade abgefangen werden.
Ein Beispiel einer moderneren Heizungsanlage ist in 2 gezeigt. Gleiche Komponenten wie in 1 sind mit demselben Bezugszeichen bezeichnet. In dem Beispiel der 2 umfasst die Heizungsanlage elektromotorische Ventilsteller 20 zum Einstellen des Volumenstroms durch jeden der Heizkörper 10. Diese können beispielsweise über einen Raum-Controller 22 angesteuert werden, der die Temperatur in einem Raum mithilfe eines Temperatursensors 24 an einer definierten Stelle des Raumes misst und Regel- und/oder Steuerbefehle ausgibt. Die Regel- und/oder Steuerbefehle zwischen dem Raum-Controller 22 und den Ventilstellern 20 können mittels Funkverbindung wie in der Figur gezeigt oder auch kabelgebunden an alle Ventilsteller 20 im Raum gleichzeitig übertragen werden. Der Volumenstrom ist im Wesentlichen durch den Querschnitt der Rohrleitungen, die im entsprechenden Heizkreislauf zur Verfügung stehende Pumpleistung und die Ventilöffnung der Heizkörper bestimmt. Da die Querschnitte der Rohrleitungen gegeben sind und die Pumpleistung üblicherweise fest eingestellt ist, entspricht eine Änderung der Ventilöffnung in der Regel auch einer Änderung des Volumenstroms.
Beispiele für elektromotorisch betriebene Thermostatventile sind in der DE 10 2012 019 209 A1 und der DE 10 2013 110 821 A1 beschrieben. Diese Thermostatventile weisen einen Temperaturfühler, ein Stellglied und einen Elektromotor zum Antrieb des Stellgliedes sowie eine Ansteuerung des Elektromotors auf. Zum Betrieb der Regelung, beziehungsweise Steuerung, und des Elektromotors ist elektrische Energie notwendig, die durch eine Batterie, einen Akku oder ein mit einer Netzspannung verbundenes Kabel bereitgestellt werden kann.
Die Stromversorgung der Thermostatventile über Batterien ist ungünstig, weil die Batterien wegen des relativ hohen Stromverbrauchs häufig ausgetauscht werden müssen. Eine Netzversorgung erfordert eine Verkabelung sämtlicher Thermostatventile, was wegen des hiermit einhergehenden Aufwandes ebenfalls ungünstig ist.
Die DE 10 2010 033 428 A1 schlägt daher ein Heizkörperventil vor, in dem die Spannungsversorgung einen Energiewandler zum Umwandeln von Umgebungsenergie in elektrische Energie aufweist, sowie einen Energiespeicher zum Speichern der gewandelten Energie. Ein ähnliches Konzept verfolgt auch die DE 10 2012 002 613 A1 .
Die Energiewandler des Standes der Technik erzeugen auf der Basis der Temperaturdifferenz zwischen dem Heizkreislauf des Heizkörpers und der Umgebungstemperatur elektrische Energie, beispielsweise unter Ausnutzung des Peltier- oder Seebeck-Effektes. Wenn in einem Heizkörperventil ein solcher thermoelektrischer Energiewandler in Verbindung mit einem Energiespeicher verwendet wird, kann das Heizkörperventil unabhängig von zusätzlichen externen Energiequellen, wie Batterien oder Netzversorgung, über lange Zeit zuverlässig betrieben werden kann. Es kann allerdings passieren, dass eine ungleiche Wärmeverteilung zwischen mehreren Heizkörpern in einem Raum zu unterschiedlichen Ladezuständen der zugeordneten Energiespeicher führt. Eine ungleiche Wärmeverteilung kann sich daraus ergeben, dass mehrere Heizkörper in einem Raum in Reihe oder parallel hintereinander geschaltet sind und somit die Wärmezufuhr zu den einzelnen Heizkörpern unterschiedlich ist. Sie kann sich auch daraus ergeben, dass der Wärmebedarf in verschiedenen Bereichen eines Raums unterschiedlich ist. In einem Worst-Case-Szenario kann dies dazu führen, dass an einem Heizkörper mit dauerhaft niedriger Wärmeabgabe der Energiewandler nicht ausreichend Energie für einen dauerhaften Betrieb des Stellantriebs bereitstellen kann. Dies führt dazu, dass die Raumtemperatur nicht mehr oder nicht mehr optimal geregelt werden kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Regelung und/oder Steuerung mindestens eines Heizkörpers in einem Heizkreislauf anzugeben, die einen zuverlässigen Betrieb der Heizkörper auch ohne Verwendung externer Energiequellen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Regelsystem gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Regelung mindestens eines Heizkörpers in einem Heizkreislauf vor, wobei die Heizkörper in einem Verbund betrieben werden, wobei jeder Heizkörper wenigstens einen Stellantrieb zum Verstellen eines Ventils zur Einstellung eines Volumenstroms eines Heizfluids durch den Heizkörper, einen Energiespeicher und einen Energiewandler aufweist. Als Stellgröße können alternativ der Volumenstrom oder der Grad der Ventilöffnung dienen. Der Energiewandler erzeugt elektrische Energie auf der Basis der Wärmeabgabe des zugehörigen Heizkörpers, um den zugehörigen Energiespeicher zu laden. Erfindungsgemäß wird der Volumenstrom eines oder mehrerer der Heizkörper eingestellt, um durch die Wärmeabgabe des Heizkörpers die Erzeugung elektrischer Energie durch den zugehörigen Energiewandler zu justieren. Der Volumenstrom, beziehungsweise die Ventilöffnung eines oder mehrerer der Heizkörper wird somit nicht oder nicht nur abhängig von einer gewünschten Umgebungstemperatur über Thermostatventile geregelt, wie im Stand der Technik üblich, sondern dieser Regelung wird eine Einstellung des Volumenstroms oder der Ventilöffnung überlagert, die dazu dient, eine ausreichende Energieerzeugung durch die Energiewandler an jedem der Heizkörper sicherzustellen.
In einer Ausgestaltung kann dies dadurch erreicht werden, dass der Volumenstrom oder die Ventilöffnung jedes der Heizkörper so eingestellt wird, dass alle Heizkörper die gleiche Wärmemenge abgeben und/oder den gleichen Volumenstrom aufweisen und/oder die gleiche Ventilöffnung aufweisen oder dass der Volumenstrom aller Heizkörper gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist oder dass die Ventilöffnung aller Heizkörper gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist. Zum Beispiel wird die Wärmeverteilung zwischen den einzelnen Heizkörpern automatisch derart abgeglichen, dass jeder der Heizkörper die gleiche oder nahezu die gleiche Temperaturdifferenz zwischen dem Heizkörper und der Umgebungs- oder Raum-Temperatur aufweist. Dadurch erhält man ein einheitliches Wärmebild im Raum, und jeder der Energiewandler kann die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Energiemenge erzeugen. Dadurch kann auch erreicht werden, dass die zugehörigen Energiespeicher gleiche oder nahezu gleiche Energiepegel haben. Vorzugsweise wird dabei der Volumenstrom so eingestellt, dass die insgesamt in einem Raum abgegebene Wärmemenge in einem vorgegebenen Sollbereich oder bei einem Sollwert liegt und bleibt. Dies kann sogar ohne die zusätzlichen Ventile für den hydraulischen Abgleich erreicht werden. Desweiteren kann durch ein derartiges Regeln der Wärmeverteilung zwischen den einzelnen Heizkörper eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb eines beheizten Raums erreicht werden, was von Personen die sich in dem Raum aufhalten, als angenehm empfunden wird.
In einer anderen Ausgestaltung können die Ladezustände eines, mehrerer oder aller Energiespeicher erfasst werden, und der Volumenstrom bzw. die Ventilstellung der Heizkörper wird abhängig von den erfassten Ladezuständen eingestellt. In dieser Ausgestaltung können die Energiepegel der einzelnen Energiespeicher, die den Heizkörpern zugeordnet sind, untereinander abgeglichen werden, so dass sie gleich oder ungefähr gleich sind. Hierzu werden die Energiepegel der einzelnen Energiespeicher erfasst und als Eingangsgröße für die Regelung des Volumenstroms eines, mehrerer oder aller Heizkörper verwendet.
In dieser Ausgestaltung kann z. B. der Ladezustand aller Energiespeicher erfasst werden, und abhängig von den erfassten Ladezuständen wird der Volumenstrom bzw. die Ventilstellung der Heizkörper so eingestellt, dass er für die Heizkörper erhöht wird, deren Energiespeicher einen niedrigeren Ladezustand als der Durchschnitt aller Ladezustände aufweist, und für die Heizkörper gesenkt wird, deren Energiespeicher einen höheren Ladezustand als der Durchschnitt aller Ladezustände aufweist. Die Gesamt-Wärmeabgabe aller Heizkörper kann dabei konstant oder ungefähr konstant auf einem Sollwert gehalten werden.
In allen Ausgestaltungen des Verfahrens kann der Volumenstrom bzw. die Ventilstellung eines Heizkörpers, dessen Energiespeicher einen Ladezustand unter einem Schwellwert aufweist, unabhängig von dem Volumenstrom der anderen Heizkörper erhöht werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass einzelne Energiespeicher niemals vollständig entladen werden, wobei in manchen Ausführungen der Erfindung in Kauf genommen wird, dass möglicherweise vorübergehend eine eingestellte Raumtemperatur überschritten wird. Je nach Anordnung der Heizkörper kann solch ein Überschreiten der eingestellten Raumtemperatur jedoch durch Reduzieren des Volumenstroms durch einen anderen Heizkörper im selben Raum verhindert werden.
Die Energiewandler können auch dazu genutzt werden, den Volumenstrom und/oder die Wärmeabgabe der zugehörigen Heizkörper zu ermitteln oder wenigstens das Vorhandensein eines Volumenstroms zu erkennen; denn die Energiewandler erzeugen elektrische Energie auf der Grundlage von Temperaturdifferenzen und die zugehörigen Sensorelemente können die Temperaturdifferenzen ermitteln. Die Temperaturdifferenzen können ihrerseits als Maß für den Volumenstrom und/oder die Wärmeabgabe herangezogen werden. Der Volumenstrom kann auch mithilfe eines Durchflusssensors bestimmt werden.
Zur Steuerung oder Regelung des Volumenstroms der Heizkörper kann eine Zentraleinheit und/oder ein mobiles Steuergerät verwendet werden, das die einzelnen Heizkörper bzw. deren Stellantriebe zum Verstellen der Ventile anspricht. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass die Heizkreisläufe bzw. deren Stellantriebe zum Verstellen der Ventile direkt miteinander kommunizieren, um den Volumenstrom zu justieren. Die Kommunikation zwischen den Heizkörpern und gegebenenfalls zu der Zentraleinheit oder dem mobilen Steuergerät erfolgt vorzugsweise drahtlos, wobei die Ventile der Heizkörper mit entsprechenden Kommunikations- und Regelmodulen ausgestattet sind.
Die Erfindung sieht auch ein Regelsystem für eine Mehrzahl von Heizkörpern vor, die in einem Verbund betrieben werden. Das Regelsystem umfasst in jedem der Heizkörper einen elektrisch betriebenen Stellantrieb zum Verstellen eines Ventils und einen Energiespeicher sowie einen Energiewandler, die dem Stellantrieb zugeordnet sind. Energiespeicher und Energiewandler können beispielsweise in einer Stelleinrichtung integriert sein. Das Regelsystem umfasst ferner eine Vorrichtung zum Einstellen des Volumenstroms zu wenigstens einem der Heizkörper über den zugeordneten Stellantrieb, um die Erzeugung elektrischer Energie durch den zugehörigen Energiewandler zu justieren, wie oben beschrieben. Alternativ zum Einstellen des Volumenstroms kann die Vorrichtung zum Regeln des Öffnungsgrads des Ventils von wenigstens einem der Heizkörper ausgebildet sein.
Zur drahtlosen Kommunikation können beispielsweise Kommunikationsprotokolle wie Bluetooth, ZigBee oder ein WLAN-Standard der Familie 802.11 verwendet werden. Es kann auch vorteilhaft sein, ein Kommunikationsprotokoll zu verwenden, das im Frequenzbereich zwischen 400 MHz und 2,5 GHz spezifiziert ist, insbesondere im Bereich zwischen 800 MHz und 900 MHz. Beispielsweise kann ein Kommunikationsprotokoll verwendet werden, das mit einer Frequenz von 868 MHz arbeitet. Um möglichst wenig Energie zu verbrauchen, kann es auch vorgesehen sein, dass der Datenaustausch zwischen den Stellantriebe intervallweise erfolgt. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass im Abstand von einigen Minuten, etwa alle 10 Minuten, ein Datenaustausch zwischen den Heizkörpern stattfindet.
Jedem Energiespeicher kann ein Sensor zur Erfassung des zugehörigen Ladezustands zugeordnet sein. Die Vorrichtung zum Einstellen des Volumenstroms kann den Ladezustand von einem oder mehreren Energiespeichern empfangen und den Volumenstrom der Heizkreisläufe abhängig davon einstellen. In manchen Ausgestaltungen der Erfindung kann der Ladezustand jedoch auch ohne zusätzlichen Sensor ermittelt werden. Beispielsweise ist bei einem als Kondensator ausgebildeten Energiespeicher die elektrische Spannung proportional zur gespeicherten elektrischen Ladung und kann einfach aus der Spannung ermittelt werden.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf ein System aus einer Reihe von Heizkörpern, die in einem Raum zur Einstellung einer gewünschten Raumtemperatur miteinander verbunden sind. Die Heizkörper können mit ihren Einlässen und Auslässen an eine Zuleitung und eine Rückleitung für Heizfluid in Reihe oder parallel angeschlossen sein. Die Zuleitung führt üblicherweise wärmeres Heizfluid zu, und die Rückleitung führt kühleres Heizfluid ab, nachdem dieses alle Heizkreisläufe durchströmt hat. Desweiteren kann es vorgesehen sein, dass die Erfindung auf eine Mehrzahl von Heizkreisläufen angewendet wird. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Verfahren die Regelung mehrerer Heizkreisläufe umfasst, wobei mindestens ein Heizkreislauf mehrere Heizkörper umfasst. Entsprechend kann es im Sinne der Erfindung vorgesehen sein, dass ein entsprechendes Regelsystem vorgesehen ist, um den Volumenstrom wenigstens eines der Heizkörper in einem der Heizkreisläufe über den zugeordneten Stellantrieb einzustellen, so dass die Erzeugung elektrischer Energie durch den zugehörigen Energiewandler justiert wird.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand verschiedener Ausgestaltungen in Bezug auf die Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Heizungsanlage gemäß einem Beispiel des Standes der Technik;
2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Heizungsanlage gemäß einem weiteren Beispiel des Standes der Technik;
3 zeigt schematisch drei verschiedene Heizkörper in einem Heizkreislauf ohne Abgleich der Energiespeicher;
4 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 3, für eine Heizkreislauf mit Abgleich der Energiespeicher;
5 zeigt in Form eines Blockdiagramms ein Beispiel eines Regelsystems gemäß der Erfindung;
6 zeigt in Form eines Blockdiagramms ein Beispiel eines elektromotorischen Stellantriebs als Ventilsteller mit weiteren Einzelheiten.
In der Darstellung der 3 werden schematisch drei Heizkörper 30 gezeigt, die mit 30-1, 30-2, und 30-3 gekennzeichnet sind. Jedem Heizkörper ist eine elektromotorisch betriebener Stellantrieb 32-1, 32-2 und 32-3 zugeordnet, wobei jeder der Stellantriebe 32-1, 32-2 und 32-3 dazu ausgelegt ist ein dem Stellantrieb zugeordnetes Ventil zu verstellen. Ein Beispiel eines Ventilstellers mit einem elektromotorischen Stellantrieb ist das MVA002 von Micropelt GmbH Freiburg, DE. Jeder der Stellantriebe 32-1, 32-2 und 32-3 kann über einen thermoelektrischen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einer Wärmedifferenz, einen Energiespeicher, einen Elektromotor, der über den Energiespeicher versorgt wird, eine Regeleinrichtung und einer Funkschnittstelle verfügen, wie mit Bezug auf 6 näher erläutert ist. Über die Funkschnittstelle können die Stellantriebe 32-1, 32-2 und 32-3 mit einer Regeleinrichtung 34 kommunizieren, die in 3 durch einen Raum-Controller bereitgestellt wird. Der Raum-Controller erzeugt Regel-, beziehungsweise Steuersignale für die Stellantriebe 32-1, 32-2 und 32-3 zum Verstellen der jeweiligen Ventile, wodurch die Volumenströme durch die Heizkörper 30-1, 30-2 und 30-3 geregelt werden.
3 zeigt einen Heizungskreislauf ohne Abgleich des Volumenstroms zwischen den Heizkörpern. Die Regeleinrichtung 34 sendet den gleichen Regel-, beziehungsweise Steuerbefehl an die Stellantriebe 32-1, 32-2 und 32-3, so dass der Volumenstrom durch die Heizkörper 30-1, 30-2 und 30-3 auf einen gegebenen Sollwert eingestellt wird, z. B. 80% eines Nennwertes. Die Einheit aus Heizkörper 30-1 und Stellantrieb 32-1 zeigt den Fall, dass in dem Energiespeicher nur wenig Energie (30%) gespeichert ist, was ein Anzeichen dafür ist, dass der Heizkörper 30-1 einen unterdurchschnittlichen Volumenstrom und eine unterdurchschnittliche Heizleistung aufweist. Die in der Figur rechts gezeigte Einheit aus dem Heizkörper 30-3 und dem Stellantrieb 32-3 zeigt einen Energiespeicher, der nahezu vollständig geladen ist (90%) und steht für den Fall, dass der Volumenstrom durch den Heizkörper 30-3 und die Wärmeabgabe überdurchschnittlich sind. Die Einheit aus dem Heizkörper 30-2 und dem Stellantrieb 32-2 zeigt einen Energiespeicher, der zu 60% geladen ist, wobei dies hier für den Fall steht, dass der Energiespeicher einen normalen oder durchschnittlichen Ladezustand hat, was auf einen durchschnittlichen Volumenstrom und eine durchschnittliche Wärmeabgabe schließen lässt. In dem gezeigten Beispiel soll dies dem Fall entsprechen, dass Energiespeicher, Volumenstrom und Wärmeabgabe jeweils in einem gewünschten Sollbereich liegen.
In dem System der 3 sendet der Raum-Controller 22 Steuerbefehle an die Ventile 32-1, 32-2 und 32-3, so dass der Volumenstrom durch die Heizkörper 30-1, 30-2 und 30-3 auf einen gegebenen Sollwert eingestellt wird, der z. B. 80% des maximalen Volumenstromes entspricht. Es erfolgt aber kein Abgleich des Volumenstroms abhängig von einem tatsächlich gemessenen Volumenstrom oder gar dem Ladezustand der Energiespeicher.
4 zeigt eine ähnliche Darstellung mit 3, wobei jedoch ein Abgleich des Volumenstroms der Heizkörper vorgenommen wird. Gleiche Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie in 3.
In dem Beispiel der 4 gibt die Regeleinrichtung 34 zunächst Regel-, beziehungsweise Steuerbefehle an die elektromotorischen Stellantriebe 32-1, 32-2 und 32-3, sodass diese über die zugeordneten Ventile den Volumenstrom des Heizfluids durch die Heizkörper 30-1, 30-2 und 30-3 auf 80% eines definierten Nennwertes einstellen. Dann wird der Ladepegel der Energiespeicher der Stellantriebe erfasst. Wenn dann, wie im Beispiel der 4, festgestellt wird, dass die Energiespeicher deutlich unterschiedliche Ladepegel haben, kann den thermoelektrischen Generatoren in den Stellantrieben (siehe 5 und 6) mehr oder weniger Wärmeenergie zugeführt werden, indem der Volumenstrom der Heizkörper 30-1, 30-2 und 30-3 angepasst wird. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Regelgröße der Grad der Ventilöffnung der Ventile der Heizkörper 30-1, 30-2 und 30-3 und nicht der Volumenstrom ist. Entsprechend wird dann der Grad der Ventilöffnung auf einen gegebenen Sollwert eingestellt. Beispielsweise kann die von der Regeleinrichtung ausgegebene Regelgröße mit einem Korrekturfaktor f multipliziert werden, um den Volumenstrom des Heizkörpers 30-1, dessen zugeordneter Energiespeicher einen unterdurchschnittlichen Energiepegel hat, zu erhöhen, den Volumenstrom des Heizkörpers 30-3, dessen Energiespeicher einen überdurchschnittlichen Ladepegel hat, zu senken und den Volumenstrom des Heizkörpers 30-2, dessen Energiespeicher einen mittleren Ladepegel hat, gleichzulassen. Der Korrekturfaktor f kann beispielsweise von der Regeleinrichtung berechnet werden und anschließend dem entsprechenden Stellantrieb zugesendet werden. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die von der Regeleinrichtung bestimmte Regelgröße mit dem Korrekturfaktor f multipliziert wird und die resultierende Regelgröße dem entsprechenden Stellantrieb zugesendet wird. In dem Beispiel sind drei Heizkörper gezeigt, wobei der Energiespeicher des Heizkörpers 30-1 zu 30%, der Energiespeicher des Heizkörpers 30-2 zu 60% und der Energiespeicher des Heizkörpers 30-3 zu 90% geladen ist. Demnach wird der von der Regeleinrichtung 34 vorgegebene Volumenstrom, in dem Beispiel 80% eines Nennwertes, für den Heizkörper 30-1 um einen Faktor f > 1 erhöht und für den Heizkörper 30-3 um einen Faktor f < 1 gesenkt. Für den Heizkörper 30-2 kann der Faktor f = 1 betragen. Dies ist natürlich nur ein Beispiel zur Anpassung der Volumenströme abhängig von dem Energieniveau der Energiespeicher der Stellantriebe 32-1, 32-2, 32-3. In dem Beispiel kann der Faktor f z. B. von 0,75 bis 1,5 oder von 0,5 bis 2 variieren. Andere Konfigurationen mit einer anderen Anzahl von Heizkörpern, anderen Grund-Einstellwerten, anderen Korrekturfaktoren etc. sind möglich, und die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Konfiguration beschränkt. In analoger Weise kann die Regelung mittels des Korrekturfaktors f auf den Grad der Ventilöffnung anstelle des Volumenstroms bezogen werden.
Regelt man die Volumenströme der Heizkörper 30-1 bis 30-3 so, dass in allen Energiespeichern immer in etwa die gleiche Menge elektrischer Energie gespeichert ist, so kann einerseits erreicht werden, dass die Energiespeicher immer eine ausreichende Ladung zum Betrieb der elektromotorischen Stellantriebe aufweisen und somit optimal funktionieren, andererseits wird dadurch eine ähnliche Funktion wie durch den hydraulischen Abgleich des Standes der Technik erreicht, nämlich einen möglichst gleichen Volumenstrom durch alle Heizkörper 30-1 bis 30-3.
Der Volumenstrom durch die Heizkörper 30-1 bis 30-3 kann erfasst werden abhängig von eigenen Durchflusssensoren, aber auch indirekt durch die Temperatur der Heizkörper 30-1 bis 30-3 oder durch die Temperaturdifferenz jedes Heizkörpers zur Umgebung. Auch der Ladezustand der einzelnen Energiespeicher kann als Maß für den Volumenstrom herangezogen werden.
5 zeigt ein Beispiel eines elektromotorischen Stellantriebs 50 mit externem Durchflusssensor 52. Der elektromotorische Stellantrieb 50 umfasst eine Stelleinrichtung 54 mit einem Elektromotor, der ggf. ein Getriebe beinhaltet. Sie umfasst ferner einen thermoelektrischen Generator (TEG) 56, der Umgebungswärme bzw. eine Wärmedifferenz zwischen dem Heizkörper und der Umgebungsluft in elektrische Energie umwandelt, die in einem Energiespeicher (in 5 nicht gezeigt) gespeichert wird. Eine Elektronik 58, beispielsweise ein Mikrocontroller, übernimmt das Energiemanagement und steuert die Stelleinrichtung 54 an. Die Stelleinrichtung 54 wirkt auf das eigentliche Ventil oder Stellglied 60 ein. Der externe Durchflusssensor 52 erzeugt ein Ausgangssignal, das der Elektronik 58 als Eingangssignal zugeführt wird.
Der elektromotorische Stellantrieb 50 ist in 6 mit weiteren Einzelheiten gezeigt, wobei gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Auf die Beschreibung von 5 wird Bezug genommen. Zusätzlich zu den in 5 gezeigten Komponenten umfasst der elektromotorische Stellantrieb 50 den Energiespeicher 62, der elektrische Energie von dem thermoelektrischen Generator (TEG) empfängt und speichert, die Elektronik, in 6 als Mikrocontroller 58 dargestellt, mit Energie versorgt und der Elektronik 58 zusätzlich über eine Datenleitung „Data” Informationen über den Ladezustand des Speichers 62 übergibt. Die Elektronik 58 erhält des Weiteren Informationen über den Betrieb des thermoelektrischen Generators 56, beispielsweise über die erfasste Temperatur, die Temperaturdifferenz und/oder den erzeugten Strom.
Auch die Stelleinrichtung 54 und ein Funkmodul 64 werden von dem Energiespeicher 62 mit Energie versorgt. Das Funkmodul 64 kommuniziert einerseits über eine Datenleitung „Data” mit der Elektronik 58 und über eine Funkantenne mit einer Raum-Regeleinrichtung 66, in 6 als Raum-Controller bezeichnet. Über die Regeleinrichtung 66 kann der elektromotorische Stellantrieb 50 Regel- und/oder Steuersignale und Sollwerte zur Einstellung des Volumenwertes erhalten. Dabei kann die Regeleinrichtung 66 eine Raumtemperatur, eine Heizkörpertemperatur und/oder einen Volumenstrom für einen Heizkörper vorgeben. Der elektromotorische Stellantrieb 50 kann seinerseits die Temperatur an dem Heizkörper ermitteln und den Volumenstrom durch den Heizkörper direkt oder indirekt messen und die gewonnenen Daten an die Regeleinrichtung 66 übergeben. Dadurch kann die Regeleinrichtung 66 jedem Stellantrieb individuelle Steuer-, Regel- und Stellbefehle senden. Alternativ können durch die Regeleinrichtung 66 Sollwerte für Temperatur und/oder Volumenstrom und/oder Wärmeabgabe vorgegeben werden, und die Stellantriebe der Thermostatventile können untereinander kommunizieren und die notwendigen Stellvorgänge vornehmen, um die Vorgabe einzuhalten.
Mit Bezug auf das Beispiel der 4 können die Stellantriebe der Thermostatventile entweder geregelt durch die Regeleinrichtung 66 oder durch Kommunikation untereinander ihre zugordneten Ventile 60 z. B. so einstellen, dass das Ventil des einen Heizkörpers 30-1 zu 80% eines Sollwerts geöffnet wird, das Ventil des mittleren Heizkörpers 30-2 zu 100% des Sollwerts geöffnet wird und das Ventil des dritten Heizkörpers 30-1 zu 120% des Sollwerts geöffnet wird. Es ist davon auszugehen, dass sich bei dieser Einstellung eine gleichmäßigere Durchströmung der Heizkörper mit dem Heizfluid und eine gleichmäßige Aufladung der Energiespeicher ergibt.
Zusätzliche Messwerte können in die Regelung der Ventile 60 einfließen, beispielsweise die von dem thermoelektrischen Generator 56 erzeugte Spannung, die proportional zur Temperatur des Heizfluids ist. Sind die Temperatur des Heizfluids und der Volumenstrom bekannt, dann kann hieraus auch die momentane von einem Heizkörper abgegebene Wärmemenge abgeleitet werden. Dieser Wert kann wiederrum dazu verwendet werden, die Gesamtwärmeabgabe auf einen vorgegebenen Wert einzustellen.
Um die Betriebsbereitschaft der thermoelektrischen Stellantriebe sicherzustellen, kann ein minimaler Energiepegel der Energiespeicher 62 definiert sein, welcher nicht unterschritten werden darf. Unabhängig von der Vorgabe der Regeleinrichtung 66 kann dann die Elektronik 58 ein Stellsignal an die Stelleinrichtung zum Öffnen des Ventils 60 geben, um einen Mindest-Volumenstrom einzustellen und den Energiespeicher 62 mit Energie nachzuladen, wenn dieser Wert unterschritten ist.
Bezugszeichenliste

10: Heizkörper
12: Vorlaufleitung
14: Rücklaufleitung
16: Thermostatventilen
18: Ventil
20: Ventilsteller
22: Raum-Controller
24: Temperatursensor
30-1, 30-2, 30-3: Heizkörper
32-1, 32-2, 32-3: Stellantrieb
34: Regeleinrichtung
50: Stellantrieb
52: Durchflusssensor
54: Stelleinrichtung
56: Thermoelektrischer Energiewandler (TEG)
58: Elektronik
60: Ventil
62: Energiespeicher
64: Funkmodul
66: Regeleinrichtung

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 102012019209 A1 [0008]
DE 102013110821 A1 [0008]
DE 102010033428 A1 [0010]
DE 102012002613 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

WLAN-Standard der Familie 802.11 [0022]

Claims

Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung mehrerer Heizkörper, die in einem Verbund betrieben werden, wobei jeder Heizkörper wenigstens einen Stellantrieb zum Verstellen eines Ventils zur Einstellung eines Volumenstroms eines Heizfluids durch den Heizkörper, einen Energiespeicher zur Versorgung des Stellantriebs und eine Energiewandler-Einrichtung aufweist, umfassend: Betreiben der Energiewandler-Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie auf der Basis der Wärmeabgabe des zugehörigen Heizkörpers zum Laden der zugehörigen Energiespeicher, und Einstellen der Ventilöffnung oder Einstellen des Volumenstroms wenigstens eines der Heizkörper über das zugehörige Ventil, um die Erzeugung elektrischer Energie durch die zugehörige Energiewandler-Einrichtung zu justieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei der Heizkörper dem selben Heizkreislauf zugeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Ventilöffnung oder der Volumenstrom jedes der Heizkörper so eingestellt wird, dass alle Heizkörper mindestens eine vorgegebene Wärmemenge abgeben und/oder der Volumenstrom gleich oder größer als ein vorgegebener Volumenstrom ist und/oder die Ventilöffnung gleich oder größer als eine vorgegebene Ventilöffnung ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Volumenstrom jedes der Heizkörper so eingestellt wird, dass alle Heizkörper die gleiche Wärmemenge abgeben und/oder den gleichen Volumenstrom aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ladezustand wenigstens eines der Energiespeicher erfasst wird und der Volumenstrom oder die Ventilöffnung der Heizkörper abhängig von dem erfassten Ladezustand eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Ladezustand aller Energiespeicher erfasst und abhängig von den erfassten Ladezuständen der Volumenstrom oder die Ventilöffnung der Heizkörper, deren Energiespeicher einen niedrigeren Ladezustand als der Durchschnitt aller Ladezustände aufweist, erhöht wird, und/oder der Volumenstrom oder die Ventilöffnung der Heizkörper, deren Energiespeicher einen höheren Ladezustand als der Durchschnitt aller Ladezustände aufweisen, verringert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Volumenstrom oder die Ventilöffnung der Heizkörper so eingestellt wird, dass die Gesamt-Wärmeabgabe aller Heizkörper auf einem Sollwert gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Volumenstrom eines Heizkörpers, dessen Energiespeicher einen Ladezustand unter einem Schwellwert aufweist, unabhängig von dem Volumenstrom der anderen Heizkreisläufe erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Volumenstrom und/oder die abgegebene Wärmemenge der Heizkörper erfasst wird mithilfe von einem oder mehreren von: ein Durchflusssensor, der dem zugehörigen Stellantrieb zugeordnet ist; die Temperatur des Heizkörpers; die Temperaturdifferenz zwischen dem Heizkörper und der Umgebung, die Temperaturdifferenz zwischen einem Zufluss und einem Abfluss des Heizkörpers.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Energiewandler-Einrichtungen verwendet werden, um die abgegebene Wärmemenge der zugehörigen Heizkörper zu ermitteln.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einstellung des Volumenstroms über eine Zentraleinheit, ein mobiles Steuergerät und/oder durch Kommunikation der Heizkörper untereinander geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mehreren Heizkörper in einem Raum angeordnet und parallel oder in Reihe an eine Zuleitung und eine Rückleitung für das Heizfluid angeschlossen sind.
Regelsystem für eine Mehrzahl von Heizkörpern, die in einem Verbund betrieben werden, umfassend: in jedem der Heizkörper: ein elektrisch betriebener Stellantrieb zum Verstellen eines Ventils und einen Energiespeicher und eine Energiewandler-Einrichtung, die dem Stellantrieb zugeordnet sind, und eine Vorrichtung zum Einstellen des Volumenstroms eines Heizfluids wenigstens eines der Heizkörper über das zugeordnete Ventil oder zum Einstellen der Ventilöffnung, um die Erzeugung elektrischer Energie durch die zugehörige Energiewandler-Einrichtung zu justieren.
Regelsystem nach Anspruch 13, wobei die Vorrichtung zum Einstellen des Volumenstroms eine Zentraleinheit, ein mobiles Steuergerät und/oder in die Stellantriebe integrierte Steuereinheiten zur Kommunikation der Stellantriebe untereinander aufweist.
Regelsystem nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Vorrichtung zum Einstellen des Volumenstroms dazu eingerichtet ist, die Ventile so einzustellen, dass der Volumenstrom aller Heizkörper gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist.
Regelsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Vorrichtung zum Einstellen des Volumenstroms dazu eingerichtet ist, den Ladezustand wenigstens eines Energiespeichers zu empfangen und den Volumenstrom der Heizkörper abhängig von dem empfangenen Ladezustand einzustellen.
Regelsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei jedem Energiespeicher ein Sensor zur Erfassung des zugehörigen Ladezustands zugeordnet ist.
Regelsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, mit Mitteln zum Erfassen der abgegebenen Wärmemenge der Heizkörper, wobei die Mittel eines oder mehrere der folgenden umfassen: ein Durchflusssensor, der einem zugehörigen Ventil zugeordnet ist; ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur eines Heizkörpers; ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen einem Heizkörper und der Umgebung, die Temperaturdifferenz zwischen einem Zufluss und einem Abfluss des Heizkörpers.
Regelsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Heizkörper demselben Heizkreislauf zugeordnet sind.
Regelsystem nach Anspruch 19, wobei der Heizkreislauf eine Mehrzahl von Heizkörpern umfasst, die in einem Raum parallel oder in Reihe an eine Zuleitung und eine Rückleitung für das Heizfluid angeschlossen sind.