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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum externen Steuern einer nicht kommunikativen oder fernsteuerbaren Heizanlage.
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In der Bundesrepublik Deutschland werden von insgesamt ca. 18,9 Millionen Wohngebäuden, 15 Millionen mit einer Zentralheizung unter Nutzung fossiler Energieträger betrieben. Dieses entspricht ca. 78% aller Heizsysteme. Die Zentralheizung ist damit das dominierende Heizsystem in Wohngebäuden in der BRD. Das Durchschnittalter dieser Heizanlagen beträgt in Mehrfamilienhäusern 20,1 Jahre, in Ein- und Zweifamilienhäusern 15,9 Jahre (1). Die Steuerung dieser Heizanlagen wird im Normalfall durch eine vom Hersteller in die Heizanlage integrierte und an die wesentlichen Anlagenparameter angepasste Heizanlagensteuerung, vorgenommen. Unter Nutzung einer, je nach Hersteller, variierenden Standardformel wird durch die bestehende Heizanlagensteuerung berechnet, wie viel Energie zum Zeitpunkt x am Ausgang der Heizanlage zur Verfügung gestellt wird. Zur Berechnung werden die folgenden Parameter verwandt, wie Niveau (Parallelverschiebung) der Heizkennlinie /-kurve, Steigung (Steilheit) der Heizkennlinie /kurve, Fußpunkt der Heizkennlinie /-kurve, Außentemperatur, Sollwert der Raumtemperatur, Heizgrenztemperatur, Vorlaufsolltemperatur, Anfang und Ende der Nachtabsenkung, Anfang und Ende des Sommer-, Winterbetriebs, Anfang und Ende der Betriebsbereitschaft während der Heizzeit.
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Im Wesentlichen lassen sich die gezeigten Parameter, in temperatur- und zeitgeführte Parameter unterteilen. Üblicherweise werden diese zur Veranschaulichung zu einem Kennfeld zusammenfasst.
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Die grundlegende Einstellung der Betriebsweise einer Heizanlage muss während der Heizperiode, möglichst bei Außentemperaturen von unter 0°C, vorgenommen werden und im Anschluss mehrfach, mindestens zweimal, einmal bei niedrigerer und einmal bei höherer Außentemperatur, kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert werden (allgemeine Herstellervorgabe). Im Regelfall wird die Einstellung jedoch während des Einbaus und der Inbetriebnahme der Heizanlage durch den ausführenden Fachbetrieb vorgenommen. Der Einbauzeitpunkt von Heizanlagen liegt im Regelfall, zur Vermeidung von Versorgungslücken, außerhalb der Heizperiode. Während dieses Zeitpunkts sind die Außentemperaturen für die fachgerechte Einstellung der Heizanlage, gemäß den Herstellervorschriften, zu hoch. Das Ergebnis sind vielfach nicht ordnungsgemäße Einstellungen der Heizanlagensteuerung, die zu einer inneffizienten Betriebsweise führen.
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Ein Großteil der bestehenden Heizanlagen ist aufgrund überholter technischer Vorgaben zu leistungsstark dimensioniert, was zu einer ineffizienten Betriebsweise führt. Verschärft wird diese Problematik durch weitverbreitete Effizienzmaßnahmen, wie beispielsweise die Gebäudeaußenhüllenisolierung, welche das energetische Anforderungsprofil eines Gebäudes stark beeinflusst. Im Ergebnis sind viele Heizanlagen für das versorgte Gebäude ungeeignet und werden inneffizient betrieben.
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Nachhaltige Maßnahmen (Austausch, hydraulischer Abgleich etc.) im Bereich von Heizanlagen kommen zunächst nur den Mietern zugute, sind aus Sicht des Immobilienbesitzers /Betreibers mit langfristigen und aufwendigen Finanzierungen verbunden und führen zu unangenehmen Mieterhöhungen. Mehrkosten, die aufgrund ineffizienter Betriebsweisen von Heizanlagen entstehen, werden im Vergleich dazu, relativ komfortabel über die Heizkostenabrechnung weiterbelastet und durch den Mieter zeitnah erstattet. Trotz vielfacher Versuche des Gesetzgebers durch Anreize, beispielsweise Fördertöpfe für Energieeffizienzmaßnahmen, der beschriebenen Problemstellung zu begegnen, ergibt sich ein Nutzer Investor Dilemma, welches mittlerweile zu einem ausgeprägten Investitionsstau im Bereich der Heizanlagen geführt hat. Das hohe durchschnittliche Alter von Heizanlagen in der BRD spiegelt dies wieder.
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Gebräuchliche Wartungsvereinbarungen für Heizanlagen sind auf Basis pauschalierter Leistungen oder Einheitspreisabkommen, gestaltet. Grundgedanke ist hierbei u.a. die Vereinfachung der kaufmännischen Prozesse. Da sich viele vermeintliche Fehlerfälle durch das simple Anheben der Heizleistung kompensieren lassen und zudem unter die beschriebenen pauschalierten Leistungen fallen, werden häufig Fehlerursachen (beispielsweise nicht fachgerechte hydraulische Auslegung oder fehlender hydraulischer Abgleich) nicht nachhaltig beseitigt, sondern nur kompensiert. Branchenverbände haben ermittelt, dass als Ergebnis u.a. dieser beschriebenen Prozesse, zwischen 75% bis 90% aller Heizanlagen in der BRD falsch eingestellt sind.
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In Folge technischer Weiterentwicklungen ist es mit Hilfe moderner informationsverarbeitender Systeme mittlerweile möglich, Messwerte aufzunehmen und unter Nutzung verschiedenster Methoden Parameter zu berechnen, die es erlauben, Heizanlagen wesentlich intelligenter und effizienter zu steuern, als dies durch die nativ verbauten Heizanlagensteuerungen möglich ist. Zu diesen Methoden gehören unter anderem:
- - Die bedarfsgeführte Betriebsweise einer Heizanlage. Diese richtet ihre Betriebsweise und -zeiten einer Heizanlage, anhand von fortlaufenden Messungen an der tatsächlichen Bedarfssituation der Nutzer aus.
- - Die Einbeziehung von gebäudespezifischen Parametern wie beispielsweise Trägheit (Erwärmung und Auskühlung) der Gebäudesubstanz. Diese Parameter sind zudem häufig durch weitverbreitete Maßnahmen, wie beispielsweise einer GebäudeAußenhüllenisolierung, im Vergleich zum Zeitpunkt des Einbaus einer Heizung, stark verändert.
- - Die Einbeziehung prognostizierter Witterungsdaten. So kann beispielweise eine üblicherweise morgens ausgeführte Aufheizphase, durch einen anstehenden solaren Eintrag oder hohe Außentemperaturen, unterbunden werden.
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Die beschriebenen Probleme ließen sich mit einem System, welches aktuelle Daten (beispielsweise zum aktuellen Gebäude-Anforderungsprofil) nutzt, Messwerte vorhandener Messeinrichtungen (beispielsweise Heizkostenverteiler und Wärmemengenzähler) ausliest und diese zur Überwachung und Steuerung der Anlage nutzt, begegnen. Dazu wäre allerdings eine Steuerungsschnittstelle an den Heizanlagen notwendig über die nahezu 100% der Bestandsanlagen nicht verfügen.
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Ein Großteil der derzeitig am Markt erhältlichen Heizanlagen sind optional (überwiegend über Zusatzausstattungen) ausreichend fernüberwach- und steuerbar. Die Akzeptanz ist noch gering, aktuell besitzen nur ca. 4 % der aktuell installierten Heizanlagen im Segment eine Ausstattung zur Fernüberwachung und Steuerung.
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Steuernde Systeme für bestehende Heizanlagen als Ersatz für die native Heizanlagensteuerung sind von verschiedenen Herstellern erhältlich. Diese übernehmen die ursprünglich durch die native Heizanlagensteuerung wahrgenommenen Steuerungsaufgaben und müssen zu diesem Zweck mit der Brennersteuerung, zahlreichen Sicherheitseinrichtungen (Druck-, Volumen-, Temperatur- und Flammüberwachung etc.) verbunden werden. Die Gesamtheit der notwendigen Maßnahmen der Installation, inklusiv der Kosten des Steuerungssystems, ergeben einen Investitionsumfang von mindestens ca. 4000,- €. Damit ergibt sich eine Investitionsgröße, die je nach zu Grunde liegenden Geschäftsmodell, solche Systeme für kleinere Heizanlagen, spätestens aber unterhalb einer Leistung < 200kW, und damit für mehr als 80% aller Heizanlagen, unwirtschaftlich werden lässt.
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Im Ergebnis ist im Segment der kleineren bis mittleren Heizanlagen (< ca. 400kW Leistung) bisher kein System verfügbar, dass eine wirtschaftlich tragbare Lösung der beschriebenen Problemstellungen darstellt. Begründet liegt dies darin, dass die Heizanlagen dieses Leistungssegments zum überwiegenden Teil über keine Schnittstelle zur Steuerung verfügen, ein Nachrüsten derartiger Schnittstellen systemisch nicht möglich ist und Steuerungskonzepte wie im Absatz zuvor beschrieben wirtschaftlich nicht darstellbar sind. Das aktuelle durchschnittliche Heizanlagenalter von 20,1 Jahren und die geringe Durchdringungsquote kommunikativer Anlagen von 4% bei Neuanlagen ergeben einen Eindruck, für welche Zeiträume diese Problemstellungen weiter bestehen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine nicht kommunikative oder fernsteuerbare Heizanlage extern gesteuert werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zum externen Steuern einer nicht kommunikativen oder fernsteuerbaren Heizanlage ein Heizanlagensteuerungsmodul mit einer Steuereinheit zum Anschluss an einen Temperaturfühleranschluss der Heizanlage auf, wobei das Heizanlagensteuerungsmodul dazu ausgebildet ist, einen von dem Temperaturfühleranschluss erwarteten spezifischen elektrischen Kennwert nachzubilden und an eine Heizanlagensteuerung der Heizanlage zu übermitteln, um eine Heizkennlinie der Heizanlage anzupassen.
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Die übliche Steuerung einer nicht kommunikativen oder fernsteuerbaren Heizanlage erfolgt bspw. durch eine zeitgesteuerte Vorgabe des von der Heizanlagensteuerung gemessenen Temperaturwerts des Außentemperaturfühlers. So können beliebige Koordinaten in einem Heizkennlinienfeld der Heizanlage angesteuert werden. Für die Fernsteuerung der Heizanlage, d.h. bspw. für eine zentrale Betriebsführung, ist das Heizanlagensteuerungsmodul dazu ausgelegt, den vom Hersteller und Typ der Heizanlagensteuerung abhängigen, spezifischen elektrischen Kennwert, der am Anschluss des Außentemperaturfühlers der Heizanlagensteuerung erwartet wird, nachzubilden. D.h., die Heizanlage empfängt am Temperaturfühleranschluss keinen über den Außenfühler gemessenen konkreten Temperaturwert, sondern einen von dem Heizanlagensteuerungsmodul erzeugten und an den Temperaturfühleranschluss als elektrischen Kennwert übermittelten Temperaturwert.
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Im Wesentlichen geschieht dies durch eine Wandlung eines digitalen Datenworts, welches am Eingang des Heizanlagensteuerungsmoduls anliegt, in einen potentialfreien Widerstandswert dessen Höhe, Verlauf, Linearität oder nicht Linearität vom Hersteller, Typ und der Messmethode der betriebenen Heizanlagensteuerung abhängt.
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Eine Besonderheit der erfinderischen Vorrichtung ist, dass diese als Nachrüstvorrichtung ausgebildet ist und in die bestehende Heizanlage mit Außentemperaturfühleranschluss eingebaut werden kann. Das Heizanlagensteuerungsmodul mit der Steuereinheit bilden somit eine externe Einheit aus, die zur variablen Anordnung an verschiedenen Heizanlagen ausgebildet ist.
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Das erforderliche Wissen zum Nachbilden des erwarteten elektrischen Kennwerts für die jeweilige Heizanlage wurde durch die empirische Analyse der Sensoren und Messmethoden aller in Deutschland verbreiteten Heizanlagenherstellern und -typen gebildet. Dieses Wissen ist in die elektrische Auslegung des Heizanlagensteuerungsmoduls und in Software-Zuordnungstabellen eingeflossen.
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Unter einer nicht kommunikativen oder nicht fernsteuerbaren Heizanlage wird somit eine Heizanlage verstanden, die zwar eine eigene native Heizanlagensteuerung zum Steuern der Heizanlage nach entsprechenden Vorgaben, bspw. aufgrund der Messwerte des Außentemperaturfühlers aufweist, die jedoch nur vor Ort am Aufstellungsort der Heizanlage bedienbar ist, bzw. eine automatisierte Steuerung durchführt, ohne die Möglichkeit eines externen Eingriffs in die Steuerprozesse aufzuweisen. So weist die nicht kommunikative oder nicht fernsteuerbare Heizanlage bspw. keine Schnittstelle für eine Kommunikation mit einem Steuerungssystem auf, dass nicht Teil der Heizanlage ist.
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Das externe Steuern ist eine Beeinflussung der Heizanlagensteuerung von auswärts, d.h., insbesondere eine Anpassung der Heizkennlinie der Heizanlage mittels eines nicht ursprünglich zur Heizanlage gehörenden Bauteils. Das externe Bauteil stellt dabei das Heizanlagensteuerungsmodul mit der Steuereinheit dar, das über den Außentemperaturfühler mit der Heizanlage verbunden ist und eine Beeinflussung der Heizkennlinie durchführen kann.
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Die Beeinflussung erfolgt über eine Vorgabe der Außentemperatur. D.h., das Heizanlagensteuerungsmodul gibt in Form des elektrischen Kennwertes eine vorgegebene, entsprechend auf den geplanten oder notwendigen Regelbedarf abgestimmte Außentemperatur an die Heizanlagensteuerung. So kann bspw. zum Ausgleich von geänderten äußeren Bedingungen, wie einer neuen Gebäudeisolierung, eine Beeinflussung der Heizkennlinie der Heizanlage dadurch erfolgen, dass dauerhaft ein gegenüber dem vorliegenden realen Außentemperaturwert ein geänderter Temperaturwert vorgegeben wird.
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Das jeweils benötigte Softwareabbild des Heizanlagensteuerungsmoduls kann auf allen verbreiteten Systemen (SPS o.ä.) hinterlegt und verarbeitet werden.
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Die Heizanlagensteuerung ist eine native Heizanlagensteuerung, d.h., sie ist wie auch der Außentemperaturfühleranschluss ein Bestandteil der ursprünglichen Heizanlage.
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Der Anschluss des Heizanlagensteuermoduls erfolgt angepasst an die vorhandene Verbindung zwischen Außentemperaturfühler und Außentemperaturfühleranschluss an der Heizanlagensteuerung. So ist das Heizanlagensteuermodul bspw. zur drahtgebundenen Verbindung mit dem Außentemperaturfühleranschluss ausgebildet.
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Durch die Kombination des Heizanlagensteuerungsmoduls mit einer gebräuchlichen Steuerungseinheit kann erreicht werden, dass die beschriebenen bestehenden und nicht kommunikativen Heizanlagen bzw. deren Heizanlagensteuerungen an beliebige moderne externe Steuerungssysteme angebunden werden können. Die Steuerungseinheit des Heizanlagensteuerungsmoduls ist bspw. als SPS, Mikroprozessor, PC oder Ähnliches ausgebildet. So kann die Steuerungseinheit bspw. auch mit einer Datenbank und/oder einer zentralen Betriebsführung gekoppelt sein, die die externen Zugriffsmöglichkeiten erweitert.
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Besonders bevorzugt verfügt das Heizanlagensteuerungsmodul mit Steuerungseinheit über eine Standardschnittstelle, insbesondere eine digitale Schnittstelle, die von vielen verbreiteten Systemen angesteuert werden kann. Diese ermöglicht dem Heizanlagensteuerungsmodul mit Steuerungseinheit eine weitere externe Kommunikation, bspw. mit Datenbanken zum Abruf steuerungsrelevanter Informationen und/oder die Verbindung mit einer externen Steuerzentrale, wie einer zentralen Betriebsführung, die das Heizanlagensteuerungsmodul mit Steuerungseinheit direkt ansteuern kann, um die Heizkennlinie der Heizanlage anzupassen.
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Die Ermittlung des Regelbedarfs und die notwendige Anpassung des Temperaturwertes erfolgen bevorzugt über entsprechend erstellte Algorithmen mithilfe von digitalen Datenverarbeitungsanlagen (SPS, Mikroprozessoren, PV usw.) und unter Beachtung von spezifischen Steuergrößen der jeweiligen Heizanlage. Insofern liegt die neu berechnete Regelgröße (Außentemperatur) als digitales Steuersignal vor. Da der Außentemperaturfühleranschluss jedoch einen spezifischen Kennwert erwartet und kein digitales Steuersignal, ist das Heizanlagensteuerungsmodul besonders bevorzugt dazu ausgebildet, eine als digitales Signal vorliegende Regelgröße (Außentemperatur) in eine anlagenspezifische Steuerungsgröße zu übersetzen, die dem vom Temperaturfühleranschluss erwarteten, eine Außentemperatur darstellenden, elektrischen Kennwert entspricht.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zusätzlich ein Außentemperaturfühler an dem Heizanlagensteuerungsmodul angeschlossen. Über den Außentemperaturfühler ist es möglich, den aktuellen Temperaturwert am Aufstellungsort der Heizanlage mit in den neu zu berechnenden Außentemperaturwert einfließen zu lassen. So kann der gemessene Außentemperaturwert beispielsweise an eine zentrale Betriebsführung gemeldet werden, die aufgrund des gemessenen Außentemperaturwerts automatisiert wird oder manuell das Heizanlagensteuerungsmodul ansteuert und unter Berücksichtigung des Außentemperaturwerts eine Anpassung der Kennlinie der Heizanlage durchführt.
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Weiter wird die Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum externen Steuern einer nicht kommunikativen oder fernsteuerbaren Heizanlage mittels eines Heizanlagensteuerungsmoduls mit Steuereinheit das mit einem Außentemperaturfühleranschluss der Heizanlage gekoppelt ist, mit den Schritten:
- • Erfassung und Festlegen eines Regelbedarfs anhand verschiedener Regelprozesse;
- • Ermittlung der aktuellen Regelgröße Außentemperatur;
- • Neuberechnung der Regelgröße mittels der Steuereinheit unter Zuhilfenahme einer Datenbankabfrage zum Heizanlagehersteller, Heizanlagetyp, den spezifischen Steuergrößen der Heizanlage und unter Berücksichtigung der spezifischen Heizkennlinie der Heizanlage,
- • Übersetzung der Regelgröße in eine anlagenspezifische Steuerungsgröße mittels des Heizanlagensteuerungsmoduls und ggf. unter Zuhilfenahme einer Datenbankabfrage zum Anlagenhersteller, Anlagentyp und deren spezifischen Steuergrößen,
- • Anpassung der Heizkennlinie der Heizanlage durch Übermittlung der Steuerungsgröße als einen Temperaturwert darstellenden, anlagenspezifischen elektrischen Kennwert von dem Heizanlagensteuerungsmodul an eine Heizanlagensteuerung der Heizanlage.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die externe Steuerung einer üblicherweise nicht kommunikativen oder fernsteuerbaren Heizanlage. Die Steuerung erfolgt dabei über das Heizanlagensteuerungsmodul, dass an einem Außentemperaturfühleranschluss der nativen Heizanlagensteuerung angeschlossen wird. Für den Anschluss des Heizanlagensteuerungsmoduls an den Außentemperaturfühleranschluss der Heizung wird der vorhandene Außentemperaturfühler besonders bevorzugt von der vorhandenen Heizanlagensteuerung getrennt und durch das Heizanlagensteuerungsmodul ersetzt.
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Das erfinderische Verfahren ermöglicht eine Anpassung der Heizkennlinie der Heizanlage an einen Regelbedarf. Hierfür wird ein an den Regelungsbedarf angepasster theoretischer Temperaturwert unter Berücksichtigung von aus Datenbanken abrufbaren anlagenspezifischen Steuerungsgrößen erzeugt und mittels des Heizanlagensteuerungsmoduls in eine anlagenspezifische Steuerungsgröße übersetzt und an die Heizanlage übermittelt, wodurch die Heizkennlinie durch die Heizanlagensteuerung geändert wird. D.h., die Anpassung der Heizkennlinie erfolgt ausschließlich über einen Zugriff auf den Außentemperaturfühleranschluss der Heizanlage. Dabei fließt der ermittelte Regelbedarf in einen theoretischen Temperaturwert ein, welcher der Heizanlage anstelle eines von ihrem Außentemperaturfühler ermittelten Temperaturwertes vorgegeben wird.
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Das Erfassen und Festlegen des Regelbedarfs erfolgt anhand verschiedener Regelprozesse. Dies sind besonders bevorzugt die zu erwartenden Außentemperaturen, aktuelle Bedarfsanforderungen für eine Änderung der Wärmebereitstellung, eine Wärmemengenerfassung in der Heizanlage oder auch Datenbankparameter zum Anpassen des Niveaus der Heizkennlinie oder deren Steigung. Auch können dies bspw. Datenbankparameter zum Einführen oder Verändern einer Nachtabsenkung oder Anpassungen der Heizkennlinie aufgrund von Änderungen der gebäudespezifischen Parameter sein. Anzumerken ist, dass für die Festlegung des Regelbedarfs alle üblichen Regelprozesse eingesetzt werden können. Die hierfür notwendigen Informationen können über eine zentrale Betriebsführung vorgegeben werden. Auch können Sensoren und Messvorrichtungen angeordnet sein, die bspw. über weitere Schnittstellen mit der Steuereinheit verbunden sind und die erfassten Daten an die Steuereinheit übermitteln, wo sie zur Festlegung des Regelbedarfs berücksichtigt werden.
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Zur Änderung der Heizkennlinie wird nach dem Anschluss des Heizanlagesteuerungsmoduls mit Steuereinheit die Regelgröße Außentemperatur ermittelt. Dies kann entweder mittels eines angeordneten Sensors, beispielsweise mittels eines an dem Heizanlagensteuerungsmodul angeschlossenen Außenfühlers oder aufgrund von entsprechenden Temperaturtabellen für die jeweilige geografische Lage erfolgen.
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Um die Heizkennlinie zu verändern, erfolgt ausgehend von der ermittelten Außentemperatur eine Neuberechnung dieser Regelgröße als theoretischer Wert. Die Neuberechnung erfolgt insbesondere mittels der Steuereinheit. Die Steuereinheit greift hierfür auf eine Datenbank, bspw. eine externe Datenbank zu, in der bspw. Informationen zum Heizanlagenhersteller, Heizanlagentyp und den spezifischen Steuergrößen der Heizanlage hinterlegt sind und führt die Neuberechnung unter deren Beachtung und insbesondere unter Berücksichtigung der spezifischen Heizkennlinie der Heizanlage durch.
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Da der Außenfühleranschluss der Heizanlage einen anlagentypischen, speziellen elektrischen Kennwert erwartet, der für die Heizanlage eine Außentemperatur darstellt, erfolgt nach der Neuberechnung eine Übersetzung dieser bspw. als digitales Steuersignal vorliegenden Regelgröße in eine anlagenspezifische Steuerungsgröße, die einem von dem Außenfühleranschluss erwarteten elektrischen Kennwert entspricht und somit den angepassten theoretischen Temperaturwert darstellt. Die Übersetzung erfolgt mittels des Heizanlagensteuerungsmoduls. Die Übersetzung kann ebenfalls unter Zuhilfenahme einer Abfrage einer Datenbank mit Informationen zum Anlagenhersteller, Anlagentyp und deren speziellen Steuergrößen erfolgen. Dabei ist die Datenbank insbesondere als externe Datenbank ausgebildet und kann von der Steuereinheit des Heizanlagensteuerungsmoduls abgefragt werden.
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Nach der Übersetzung wird der elektrische Kennwert (die Steuerungsgröße) durch das Heizanlagenmodul an die Heizanlagensteuerung übermittelt. Die Heizanlagensteuerung erkennt in dem Kennwert eine Außentemperatur und passt die Heizkennlinie an.
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Derartige Anpassungen können sowohl temporär, also bspw. nur für bestimmte Zeitabschnitte, wie beispielsweise Urlaubsabwesenheit o.ä. der Hausbewohner oder auch dauerhaft durchgeführt werden, sodass bspw. eine grundsätzliche Niveauanpassung oder Anpassung der Steigung erfolgt. Auch können bspw. Heizkennlinien für eine Nachtabsenkung, für eine spezifische bedarfsgeführte Steuerung und/oder für eine proaktive Überprüfung der Betriebsbereitschaft der Heizanlage erzeugt werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 schematisch in einem Schaubild eine Heizanlage mit Vorrichtung zum externen Steuern der Heizanlage;
- 2 eine Heizkennlinie mit einer Niveauabsenkung von -5;
- 3 eine Heizkennlinie mit einer Steilheit von 1,5 und einer Anpassung der Steilheit auf 1;
- 4 eine Heizkennlinie mit einer Nachtabsenkung um 6°C;
- 5 eine Heizkennlinie mit einer Anpassung an eine momentane Bedarfssituation;
- 6 eine Heizkennlinie mit automatisierter Überprüfung auf Betriebsbereitschaft;
- 7 eine Übersicht über mögliche Prozessabläufe zum externen Ansteuern der Heizanlage.
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1 zeigt ein Schaubild einer Heizanlage 1 mit einer Vorrichtung 2 zum externen Steuern der Heizanlage 1. Die Heizanlage 1 umfasst einen Gasbrenner 3, eine Messeinrichtung 4 für das einströmende Gas, einen Vorlauf 5 zum Einspeisen des warmen Wassers in eine Heizkörperanlage, einen Rücklauf 6, Temperaturfühler am Kessel, Vorlauf und Rücklauf 7, 8, 9, eine Umwälzpumpe 10 für die Heizkreisläufe, einen Mischer, 11 eine Heizanlagensteuerung 12 und einen Außentemperaturfühler 13. Zwischen den Außentemperaturfühler 13 und der Heizanlagensteuerung 12 ist eine Vorrichtung 2 mit einem Heizanlagensteuerungsmodul 14 und einer Steuereinheit 15 gekoppelt. Das Heizanlagensteuerungsmodul 14 ist über den ursprünglichen Außentemperaturfühleranschluss 17 mit der Heizanlagensteuerung 13, der Steuereinheit 15, mit dem Heizanlagensteuermodul 14 und dem Außenfühler 13 verbunden. Zudem weist die Steuereinheit 15 eine mit einer zentralen Betriebsführung (hier nicht dargestellt) verbundene Schnittstelle 16 auf.
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Die Steuereinheit 15 kann die von dem Außentemperaturfühler 13 übermittelten Werte empfangen und verarbeiten. Zudem kann sie über die Schnittstelle 16 mit einer zentralen Betriebsführung kommunizieren. So kann sie auf eine Datenbank der zentralen Betriebsführung zugreifen und aus dieser alle spezifischen Daten zur Heizanlage 1 abfragen, insbesondere zur Heizkennlinie 18 und zu notwendigen Steuerparametern.
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Zum Anpassen der Heizkennlinie wird der Steuerungsbedarf ermittelt. Dies erfolgt aufgrund von Regelprozessen, wie beispielsweise sich verändernden Umgebungsbedingungen, zu erwartenden Außentemperaturänderungen, beabsichtigten Effizienzsteigerungen o.a. Die Ermittlung oder Festlegung des Steuerungsbedarfes kann beispielsweise von der zentralen Betriebsführung erfolgen. Auch kann eine automatisierte Anpassung aufgrund von vorliegenden Steuerungsdaten eingeleitet werden, bspw. sobald sich Regelprozesse ändern oder Änderungen erwartet werden.
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Für die Anpassung wird von der Steuereinheit 15 der Außentemperaturwert des Außentemperaturfühlers 13 ermittelt. Alternativ kann ein theoretischer Außentemperaturwert bspw. aus der Datenbank abgerufen werden. Anschließend greift die Steuereinheit 15 über ihre Schnittstelle 16 auf die Datenbank der zentralen Betriebsführung zu und fragt alle relevanten Informationen zur Heizanlage und zur Berechnung einer neuen angepassten Heizkennlinie 18 aus der Datenbank ab. Danach erfolgt eine Neuberechnung der Heizkennlinie 18. Die neu berechnete Heizkennlinie 18 liegt beispielsweise als digitaler Steuersatz in der Steuereinheit 15 vor. Dieser wird von der Steuereinheit 15 an das Heizanlagensteuerungsmodul 14 übermittelt. Das Heizanlagensteuerungsmodul 14 wandelt den digitalen Steuersatz in einen elektrischen Kennwert um, der einem Signal für eine Außentemperatur entspricht. Dieses Signal gibt das Heizanlagensteuerungsmodul 14 an die Heizanlagensteuerung 12 ab. Die Heizanlagensteuerung 12 empfängt den Kennwert und passt die Heizkennlinie entsprechend an.
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2 zeigt eine Heizkennlinie 18 mit einem Niveau auf 0, bei einer Steigung von 1,5. Bei einer Außentemperatur von 0°C ergibt sich eine Vorlauftemperatur 19 von ca. 58°C. Das Niveau soll um -5 abgesenkt werden und die Steigung 1,5 soll erhalten bleiben. Die Vorlauftemperatur der gewünschten Zielheizkennlinie 23 beträgt demnach bei 0°C Außentemperatur ca. 53 °C (siehe gestrichelte Linie 20). Diese Vorlauftemperatur kann vorgegeben werden, wenn die durch die Heizanlagensteuerung 12 wahrgenommene Außentemperatur um +4°C angehoben wird. Durch eine dauerhafte lineare Anpassung der Außentemperatur um +4 °C kann die Anforderung erfüllt werden.
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3 zeigt das Beheben einer falsch eingestellten Steigung (Steilheit) der Heizkennlinie 18. Die Steigung der Heizkennlinie 18 ist auf 1,5 (Niveau der Heizkennlinie bei 0) eingestellt. Bei einer Außentemperatur von 0°C ergibt sich eine Vorlauftemperatur von ca. 58°C (siehe gestrichelte Linie 19). Die Steilheit der Heizkennlinie 18 soll auf 1,0 abgesenkt werden und das Niveau von 0 soll erhalten bleiben entsprechend der dargestellten Zielheizkennlinie 22. Die Vorlauftemperatur müsste demnach bei 0°C Außentemperatur ca. 48 °C betragen (siehe gestrichelte Linie 21). Hierfür muss die durch die Heizanlagensteuerung 12 wahrgenommene Außentemperatur beim Bezugspunkt 0°C, um +6°C angehoben werden. Durch eine dauerhafte nicht lineare Anpassung der Außentemperatur durch das Heizanlagensteuerungsmodul 14 kann die Anforderung erfüllt werden. Die Anpassung folgt der Formel: f(x)=Außentemperatur+ ((Anpassung Steigung/40) x Außentemperatur + (Anpassung Steigung/-2)).
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4 zeigt das Einrichten einer nicht vorhandenen oder falsch eingestellten Nachtabsenkung. Bei einer Nachtabsenkung handelt es um eine Absenkung des Sollwerts der Raumtemperatur. Die Funktion zur Berechnung hat im Allgemeinen einen linearen und nicht linearen Teil. In Abgrenzung zu den vorherigen Methoden wird die Absenkung nur innerhalb eines zu definierenden Zeitraums eingesetzt. Die Parameter dazu werden auf der Steuereinheit, beispielsweise einer SPS, abgelegt. Die dargestellte Steigung der Heizkennlinie 18 ist auf 1,5 (Niveau der Heizkennlinie 18 bei 0) eingestellt. Bei einer Außentemperatur von 0°C ergibt sich eine Vorlauftemperatur von ca. 58°C (siehe gestrichelte Linie 19). Es soll eine Nachtabsenkung um 6 °C, für einen definierten Zeitraum (z.B. 23:00-06:00 Uhr) eingerichtet werden. Dieses kann erreicht werden, wenn im genannten Zeitraum die von der Heizanlage 1 wahrgenommene Außentemperatur um 6°C angehoben wird (siehe gestrichelte Linie 21).
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5 zeigt das Einrichten einer bedarfsgeführten Heizanlagensteuerung 12. Heizanlagen 1 produzieren mehr oder minder starr nach den gezeigten Vorgaben Energie und stellen sie bereit. Besteht kein Bedarf, wird diese unnötig in Bereitschafts- /Verteilungsverluste umgewandelt. Für eine bedarfsgeführte Heizanlagensteuerung 12 soll ein Prozess eingerichtet werden, der es erlaubt, nur Energie zu produzieren, wenn tatsächlich Bedarf durch die Nutzer besteht. Bereitschafts- /Verteilungsverluste sollen möglichst vermieden werden. Für eine derartige Steuerung weisen Heizanlagen 1 häufig verbaute Wärmemengenzähler auf, die Messwerte liefern, die geeignet sind Aussagen zur momentanen Bedarfssituation zu treffen (beispielsweise durch die Nutzer bezogene Leistungen, Durchfluss). In Situationen, in denen kein Bedarf besteht, kann eine Senkung der Vorlauftemperatur auf ca. 30° durch Erhöhung der durch die Heizanlagensteuerung 12 wahrgenommenen Außentemperatur auf ca. 16° C durch das Heizanlagensteuerungsmodul 14 erfolgen.
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6 zeigt eine Heizkennlinienanpassung für eine proaktive Heizanlageninspektion. Eine große Anzahl Heizanlagen 1 sind mit Beginn der Heizzeit nicht betriebsbereit. Dieses wird erst nach Meldungen durch die Nutzer bekannt und führt zu Qualitätseinbußen bei den Nutzern und Ressourcenproblemen bei den Wartungsbetrieben. Es wird daher ein Prozess eingerichtet, der es erlaubt, vorzugsweise außerhalb der Heizzeit auch bei hohen Außentemperaturen, automatisiert und aus der Ferne die Betriebsbereitschaft von Heizanlagen 1 zu überprüfen. Dies erfolgt mittels einer automatisierten kurzfristigen Senkung der durch die Heizanlagensteuerung 12 wahrgenommenen Außentemperatur auf bspw. 0° durch das Heizanlagensteuerungsmodul 14 entsprechend der gestrichelten Linie. Hierauf folgend kann bspw. eine Kontrolle der Vorlauftemperatur durchgeführt werden und bei Bedarf entsprechende Eskalation und Wartungsempfehlung angezeigt oder direkt entsprechende Wartungsaufträge ausgelöst werden.
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7 zeigt eine Übersicht über mögliche Prozessabläufe zum externen Steuern der Heizanlage 1. In einem ersten Schritt erfolgt ein Input unterschiedlicher Regelprozesse, über die ein Steuerungsbedarf der Heizanlage 1 ermittelt wird. Anschließend erfolgt die Ermittlung der Regelgröße aktuelle Außentemperatur, wie hier dargestellt mittels einer Datenbankabfrage und unter Berücksichtigung der geografischen Lage. Alternativ kann bspw. auch ein aktueller Wert eines Außentemperaturfühlers genommen werden.
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Beim Steuerungsbedarf wurde eine notwendige Anpassung der Niveaus der Heizkennlinie 18 ermittelt. Die ermittelte Regelgröße Außentemperatur wird anschließend unter Berücksichtigung des anzupassenden Niveaus berechnet. Hierzu erfolgt eine Datenbankabfrage zu der angeschlossenen Heizanlage 1 und deren Führungsgrößen für das Niveau der Heizkennlinie 18. Die so neu berechnete Regelgröße wird in eine Steuerungsgröße übersetzt. Auch dies erfolgt wieder unter Zuhilfenahme von Daten zur Heizanlage 1 aus einer externen Datenbank. Anschließend wird die Steuerungsgröße mittels des Heizanlagenmoduls 14 an die Heizanlagensteuerung 12 übergeben.
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7 zeigt, dass anstelle der Niveauanpassung oder diese ergänzend bspw. auch Anpassungen der Steigung der Heizkennlinie 18, eine Nachtabsenkung der Heizkennlinie 18 oder eine bedarfsgeführte Steuerung der Heizkennlinie 18 in die Neuberechnung der Regelgröße Außentemperatur einfließen können, wobei der Prozessablauf jeweils identisch ist und immer zur Berechnung der Regelgröße und zur Übersetzung dieser in eine anlagenspezifische Steuerungsgröße über das Heizanlagenmodul 14 und die Steuereinheit 15 auf eine Datenbank mit den entsprechenden heizanlagenspezifischen Informationen zugegriffen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizanlage
- 2
- Vorrichtung
- 3
- Gasbrenner
- 4
- Messeinrichtung Gas
- 5
- Vorlauf
- 6
- Rücklauf
- 7
- Temperaturfühler Kessel
- 8
- Temperaturfühler Vorlauf
- 9
- Temperaturfühler Rücklauf
- 10
- Umwälzpumpe Heizkreisläufe
- 11
- Mischer
- 12
- Heizanlagensteuerung
- 13
- Außentemperaturfühler
- 14
- Heizanlagensteuerungsmodul
- 15
- Steuereinheit
- 16
- zentrale Betriebsführung
- 17
- Außentemperaturfühleranschluss
- 18
- Heizkennlinie Niveau 0, Steigung 1,5
- 19
- Vorlauftemperatur 58°
- 20
- Vorlauftemperatur 53°
- 21
- Vorlauftemperatur 48°
- 22
- Zielheizkennlinie Steigung 1
- 23
- Zielheizkennlinie
