DE102019125347A1

DE102019125347A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizung mit mehreren elektrischen Heizelementen

Info

Publication number: DE102019125347A1
Application number: DE102019125347.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Schuschan; Andreas Piephans
Original assignee: MFH systems GmbH
Current assignee: MFH systems GmbH
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2021-04-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizung (2) in einem Gebäude, bei der mehrere elektrische Heizelemente (12) über mehrere Lastanschlüsse (14) an einer an die Stromversorgung (4) angeschlossenen Steuereinheit (10) mit einem durch eine Überstromschutzeinrichtung (6) gesicherten elektrischen Hausanschluss (8) verbunden sind, sowie auf eine entsprechende elektrische Heizung (2).Um eine Heizung und ein Verfahren zum Betreiben einer Heizung zu schaffen, bei der die elektrische Leistung der elektrischen Heizelemente die abgesicherte Stromstärke des Gebäudes überschreitet und die Heizung sicher betrieben werden kann, ohne dass die Überstromschutzeinrichtung den Stromfluss wegen einer Überschreitung der abgesicherten Stromstärke unterbricht, wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit (10) über eine Selektionsschaltung (16) in einer vorgegebenen zeitlichen Taktung Strom an die Lastanschlüsse (14) leitet, wobei durch die zeitliche Taktung des Stromflusses an die Lastanschlüsse (14) die durch die Steuereinheit (10) fließende Stromstärke unterhalb der Stromstärke bleibt, bei der die Überstromschutzeinrichtung (6) eine Stromabschaltung auslöst.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizung in einem Gebäude, bei der mehrere elektrische Heizlemente über mehrere Lastanschlüsse an einer an die Stromversorgung angeschlossenen Steuereinheit mit einem durch eine Überstromschutzeinrichtung gesicherten elektrischen Hausanschluss verbunden sind. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine elektrische Heizung mit mehreren elektrischen Heizelementen, die über mehrere Lastanschlüsse mit einer an die Stromversorgung angeschlossenen Steuereinheit verbunden und darüber an einen mit einer Überstromschutzeinrichtung gesicherten elektrischen Hausanschluss angeschlossen sind.
Aus der Schrift WO 99/41551 A1 ist es bekannt, selbstregulierende Heizbänder als ein Beispiel für elektrische Heizelemente zur Beheizung von Gebäuden einzusetzen. Da die Heizbänder sich in ihrer Wärmeabgabe selbst regulieren, genügt es, die Heizbänder thermostatisch über die Erfassung der Raumtemperatur zu steuern. Normen können zusätzlich die Verwendung eines Bodentemperaturfühlers vorschreiben. Die Erwärmung des Gebäudes und der Räume, in denen die selbstregulierenden Heizbänder verlegt sind, regelt sich nach dem Einschalten der Heizung über die temperaturabhängig unterschiedliche Leitfähigkeit der selbstregulierenden Heizbänder, bis die gewünschte Raumtemperatur erreicht ist. Die höchste Heizleistung der selbstregulierenden Heizbänder wird erreicht, wenn diese kalt sind und zu heizen beginnen. Mit fortschreitender Erwärmung der Heizbänder sinkt deren elektrische Leistung und ihre Wärmeabgabe. Die thermostatische Steuerung schaltet die Heizbänder schließlich ganz ab, wenn die gewünschte Raumtemperatur erreicht ist.
Sind in einem Raum oder einem Gebäude mehrere Heizbänder verlegt, kann die elektrische Leistung dieser Heizbänder die mit einer Überstromschutzeinrichtung abgesicherte Stromstärke des Hausanschlusses von beispielsweise 35 Ampere oder des betreffenden Raums überschreiten, wenn die Heizung insgesamt eingeschaltet wird und dadurch mehrere oder alle Heizbänder mit voller Heizleistung von beispielsweise 250 W/m² vom Strom durchflossen werden, um Wärme zu erzeugen. Die Überstromschutzeinrichtung würde dann den Stromfluss unterbrechen. Insbesondere das Hochfahren der Heizung, bei dem am meisten elektrische Energie in allen Heizelementen benötigt wird, ist dadurch ein Problem. Eine Stromabschaltung ist unerwünscht, weil dadurch die Heizung ausfällt. Davon können aber auch andere Stromverbraucher außerhalb der Heizung betroffen sein, die störungsfrei weiterlaufen sollten. Zu denken ist hier an Kühlgeräte, Alarmanlagen, Telekommunikationstechnik, Licht und andere Verbraucher von elektrischem Strom. Wenn eine Abschaltung unbeaufsichtigt erfolgt, kann sie erhebliche Schäden verursachen. Nach einer Abschaltung muss die Stromzufuhr im Regelfall wieder manuell eingeschaltet werden. Das ist nicht möglich, wenn im Gebäude keine Person anwesend ist, die das machen kann. Aber auch das Erfordernis einer manuellen Wiedereinschaltung der Stromzufuhr durch eine im Gebäude anwesende Person wird nicht akzeptiert, weil sie jedes Mal eine Störung für die Person bedeutet, die die Stromzufuhr wieder herstellen soll. Eine Person fühlt sich insbesondere dann gestört, wenn die Stromabschaltung nach dem ersten Wiedereinschalten mehrfach und immer wieder gleich nach dem Einschalten des Stroms erfolgt, wie das bei einer zu hohen Leistungsabnahme bei einem Wiedereinschalten einer Heizung zu erwarten ist. Dadurch ist es nicht möglich, ein Haus mit elektrischen Heizelementen wie beispielsweise selbstregulierenden Heizbändern durch bloßes Einschalten der Heizung automatisch zu erwärmen, wenn die elektrische Leistung der elektrischen Heizelemente die abgesicherte Stromstärke des Hauses überschreitet.
Die vorstehend beschriebene Problemstellung ergibt sich grundsätzlich in gleicher Weise, wenn in einem Gebäude mehrere andere elektrische Heizelemente wie beispielsweise Heizmatten installiert sind, deren elektrische Leistung die abgesicherte Stromstärke des Gebäudes übersteigt. Derartige Heizmatten haben anders als die selbstregulierenden Heizbänder üblicherweise einen Konstantwiderstand, auch hier kann der gleichzeitige Betrieb aller Heizmatten aber dazu führen, dass die Überstromschutzeinrichtung die Stromzufuhr abschaltet.
Zur Abhilfe kann die elektrische Leistung der Heizelemente gedrosselt und/oder die Anzahl und Länge der in einem Gebäude oder in einem Raum verlegten Heizelemente verringert werden, so dass die höchste elektrische Leistung der Heizung zur abgesicherten Stromstärke des Hausanschlusses passt. Dadurch wird aber die theoretisch mögliche Heizleistung der Heizung oder die Verwendbarkeit einer Heizung mit elektrischen Heizelementen überhaupt stark vermindert.
Wenn die elektrische Leistung der elektrischen Heizelemente die abgesicherte Stromstärke des Gebäudes überschreitet, in das sie eingebaut sind, könnte auch daran gedacht werden, zunächst nur einzelne mit ihrer Heizleistung unterhalb der abgesicherten Stromstärke liegende Heizelemente einzuschalten, bis der von ihnen beheizte Raum die gewünschte Temperatur erreicht hat, um danach andere Heizelemente in einem anderen oder demselben Raum einzuschalten, die wieder unterhalb der abgesicherten Stromstärke liegen, bis auch diese den von ihnen beheizten Raum auf die vorgewählte Temperatur erwärmt haben, und damit so lange fortzufahren, bis alle Räume in dem Gebäude die gewünschten Raumtemperaturen erreicht haben. Das ist aber nicht praktikabel, weil sich dann einzelne Räume trotz eingeschalteter Heizung über eine gewisse Zeit nicht erwärmen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Heizung und ein Verfahren zum Betreiben einer Heizung zu schaffen, bei der die elektrische Leistung der elektrischen Heizelemente die abgesicherte Stromstärke des Gebäudes überschreitet und die Heizung sicher betrieben werden kann, ohne dass die Überstromschutzeinrichtung den Stromfluss wegen einer Überschreitung der abgesicherten Stromstärke unterbricht.
Die Aufgabe wird für ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, indem die Steuereinheit über eine Selektionsschaltung in einer vorgegebenen zeitlichen Taktung Strom an die Lastanschlüsse leitet, wobei durch die zeitliche Taktung des Stromflusses an die Lastanschlüsse die durch die Steuereinheit fließende Stromstärke unterhalb der Stromstärke bleibt, bei der die Überstromschutzeinrichtung eine Stromabschaltung auslöst.
Die Selektionsschaltung kann mit analoger oder digitaler Elektronik realisiert werden. Bei der Verwendung von digitaler Elektronik sind die Halbleiterschaltungen bevorzugt programmgesteuert. Im Programm können die Zeittakte der einzelnen Lastanschlüsse vorprogrammiert werden. Zusätzlich können Auslöseschwellen einer Stromstärke vorgegeben werden, bei deren Erreichung innerhalb eines Zeittaktes für einen Lastanschluss eine Umschaltung erfolgt. Die Bestromung ist vorteilhaft nicht ausschließlich zeitlich geregelt, sondern erfolgt zusätzlich leistungsabhängig. Auslöser für die Bestromung eines oder mehrerer Heizelemente oder deren Abschaltung innerhalb eines Zeittaktes ist dann die Über- oder Unterschreitung eines Schwellwertes.
Wenn nachfolgend allgemein von einer Heizung die Rede ist, so ist damit ein Heizsystem gemeint, das aus einer Mehrzahl von Komponenten besteht. Neben den elektrischen Heizelementen selbst ist das insbesondere die Steuereinheit, die Lastanschlüsse und die zugehörige Verkabelung der Komponenten miteinander.
Über die Selektionsschaltung wird die theoretisch mögliche Heizleistung der Heizung, die sich aus der Addition der durch alle an die Lastanschlüsse angeschlossenen elektrischen Heizelemente möglichen Stromflüsse ergibt, auf den Stromfluss reduziert, der durch den oder die jeweils zeitgetaktet aktiv geschalteten Lastanschlüsse mit den daran angeschlossenen elektrischen Heizelementen gegeben ist. Das Anheizen der Heizung wird durch die Selektionsschaltung zeitlich gedehnt, indem elektrische Heizelemente nur zeitlich wechselweise in einer vergleichsweise kurzen zeitlichen Abfolge bestromt werden. Der reduzierte Stromfluss, der durch den oder die jeweils zeitgetaktet aktiv geschalteten Lastanschlüsse mit den daran angeschlossenen elektrischen Heizelemente gegeben ist, liegt dabei unterhalb üblicher Stromstärken von beispielsweise 35 Ampere, bei der eine Überstromschutzeinrichtung eines Hausanschlusses eine Stromabschaltung auslöst.
Bei einer Heizleistung eines elektrischen Heizelementes von beispielsweise 160 W/m² und einer Raumgröße von 15 m² verfügt ein geeignetes Heizelement über die im Raum verlegte Länge über eine Leistung von 2.400 W. Wenn vier solcher mit entsprechenden elektrischen Heizelementen als Heizung ausgestattete Räume beheizt werden sollen, haben die vier Heizelemente eine theoretisch mögliche Heizleistung von 9.600 W, die über die in der Steuereinheit vorhandenen Lastanschlüsse an den Hausanschluss angeschlossen ist. Wenn alle vier Heizelemente beim Hochfahren der Heizung mit dieser vollen Leistung betrieben werden, löst eine in Haushalten übliche Überstromschutzeinrichtung mit einer Absicherung bis zu 35 Ampere eine Stromabschaltung aus. Um das zu vermeiden, werden die vier Lastanschlüsse von der Selektionsschaltung beispielsweise nur alle vier Minuten jeweils für eine Minute frei geschaltet, so dass die vier an die Steuereinheit angeschlossenen Lastanschlüsse immer nur maximal 2.400 W des jeweils aktiv geschalteten elektrischen Heizelementes über das Steuergerät beziehen. Diese Stromstärke beträgt nur ein Viertel der Stromstärke, die fließen würde, wenn die vier elektrischen Heizelemente gleichzeitig mit Strom versorgt würden.
Noch deutlicher fiele der Unterschied aus, wenn anstelle der vier elektrischen Heizelemente beispielsweise acht elektrische Heizelemente mit einer jeweiligen Heizleistung von maximal 2. 400 W an die Steuereinheit angeschlossen wären. Bei acht angeschlossenen Heizelementen mit maximal 2.400 W Heizleitung ergäbe sich eine maximal abnehmbare Stromstärke dieser Heizung von 19.200 W, die über die Selektionsschaltung ebenfalls auf maximal 2.400 W beschränkt ist, wenn durch die zeitliche Taktung immer nur jeweils eines der elektrischen Heizelemente mit Strom versorgt würde.
Über die Selektionsschaltung wird die reale Heizleistung der Heizung in einem Zeitintervall von beispielsweise einer Stunde verringert, weil in dem Zeitintervall insgesamt weniger Leistung zur Erwärmung der elektrischen Heizelemente bezogen wird. Da aber in einer Stunde alle angeschlossenen Lastanschlüsse zeitweise bestromt werden, können sich alle elektrischen Heizelemente in den jeweiligen Bestromungszeiten erwärmen und diese Wärme danach an die Umgebung, wie beispielsweise den Estrich, wieder abgeben. Bei beispielsweise acht elektrischen Heizelementen, die von der Selektionsschaltung aufeinanderfolgend jeweils für beispielsweise eine Minute mit Strom beschaltet werden, ergibt sich eine durchschnittliche maximale rechnerische Bestromungszeit von 7,5 min. innerhalb von 60 min. für jedes elektrische Heizelement, so dass sich jedes der elektrischen Heizelemente in einer Betriebsstunde rechnerisch mindestens sieben Mal für eine Minute erwärmt und danach über 7 min die entstandene Wärme wieder an die Umgebung abgeben hat. Die Taktzeiten einer Selektionsschaltung können von diesem Beispiel natürlich abweichen und kürzer oder länger sein.
Die vorgeschlagene Intervallheizung ist für elektrische Heizelemente in Gestalt von selbstregulierenden Heizbändern besonders effektiv, da die Heizleistung eines selbstregulierenden Heizbandes sowieso absinkt, wenn es sich erwärmt. Die 7 min., die ein selbstregulierendes Heizband im Ausführungsbeispiel nicht bestromt wird, werden dazu genutzt, das selbstregulierende Heizband wieder abzukühlen, indem die darin aufgebaute Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Danach kann in der nächsten Bestromungsphase wieder eine größere Heizleistung vom selbstregulierenden Heizband aufgenommen und an die Umgebung weitergegeben werden, als das bei einem warmen selbstregulierenden Heizband möglich wäre. Der Drosseleffekt, um den die theoretisch installierte Heizleistung der Heizung im Ausführungsbeispiel gedrosselt wird, liegt deshalb bei selbstregulierenden Heizbändern nicht bei den sieben Achteln der Zeit, die über einen betrachteten Zeitraum elektrische Heizelemente ausgeschaltet sind, sondern viel niedriger, weil die Heizleistung der selbstregulierenden Heizbänder ja abnimmt, je wärmer sie sind. Wie hoch der Drosseleffekt in einer Heizung tatsächlich ausfällt, hängt von der konkreten Auslegung der selbstregulierenden Heizbänder ab. In jedem Fall wird die theoretische Heizleistung der selbstregulierenden Heizbänder aber weniger beschränkt, als es die rein zeitliche Betrachtung erwarten lässt, weil die zwischengeschalteten Abkühlungsphasen der Heizbänder eine Leistungssteigerung der Heizbänder bewirken.
Ein weiterer Vorteil der Selektionsschaltung ist darin zu sehen, dass sich die von den elektrischen Heizelementen beheizte Fläche zwar langsamer, dafür aber viel gleichmäßiger aufheizt. Die nicht bestromten Zwischenphasen in einem elektrischen Heizelement geben der von diesem an die unmittelbare Umgebung abgegebenen Wärme mehr Zeit, sich in die weiter vom elektrischen Heizelement entfernte Umgebung auszubreiten und sich im Raum zu verteilen, bevor sich die unmittelbare Umgebung des elektrischen Heizelementes selbst weiter erwärmt. Beim Aufheizen entwickeln sich also weniger bereichsweise stärker aufgeheizte Hot Spots mit noch nicht aufgewärmten Bereichen dazwischen. Stattdessen steigt das Temperaturniveau des unmittelbar zu einem Heizelement benachbarten Bereichs langsamer, aber mit einem geringeren Temperaturgefälle zu vom elektrischen Heizband entfernteren Bereichen der Umgebung an. Eine solche gleichmäßige Erwärmung wird von vielen Personen als angenehmer empfunden als ein Aufheizvorgang, bei dem sich deutlicher wahrnehmbare Temperaturunterschiede in der beheizten Fläche ergeben.
Die erfindungsgemäße Selektionsschaltung kann bei elektrischen Heizelementen mit einem Konstantwiderstand auch dazu genutzt werden, die Leistung der Heizelemente zu drosseln. Beträgt die Heizleistung einer Heizmatte beispielsweise 160 W, so kann die Beschaltung dieser Heizmatte mit Strom beispielsweise während nur eines Viertels eines theoretisch möglichen Zeitintervalls die Heizleistung auf faktisch 40 W begrenzen.
Die Aufgabe wird für eine gattungsgemäße Heizung gelöst, indem die Steuereinrichtung eine Selektionsschaltung aufweist, die die Lastanschlüsse in einer zeitlichen Taktung bestromt, wodurch die theoretisch mögliche Heizleistung der Heizung, die sich aus der Addition der durch alle an die Lastanschlüsse angeschlossenen elektrischen Heizelemente möglichen Stromflüsse ergibt, auf den Stromfluss reduziert ist, der durch den oder die jeweils zeitgetaktet aktiv geschalteten Lastanschlüsse mit den daran angeschlossenen elektrischen Heizelementen gegeben ist.
Die vorstehend für das Verfahren geschilderten Vorteile gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäß ausgestaltete Heizung.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist als elektrisches Heizelement ein selbstregulierendes Heizband verwendet. Die nur zeitweise Bestromung von elektrischen Heizelementen wirkt sich bei der Verwendung von selbstregulierenden Heizbändern besonders vorteilhaft aus, weil diese nicht über einen Konstantwiderstand verfügen und die Steuereinrichtung bei einer geringer werdenden Stromstärke infolge der Erwärmung eines Heizbandes unmittelbar flexibel reagieren kann, indem das betreffende Heizband abgeschaltet und/oder andere selbstregulierende Heizbänder zugeschaltet werden können, ohne dass dadurch die abgesicherte Stromstärke überschritten wird. Dadurch kann das gesamte Heizsystem dichter an seiner Leistungsgrenze betrieben werden, ohne dass es zu einer lastbedingten Abschaltung kommt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die vorgegebene zeitliche Taktung der Selektionsschaltung für einzelne Lastanschlüsse unterschiedlich. Die zeitliche Taktung muss nicht für alle Lastanschlüsse gleich sein, sie kann auch für einzelne, mehrere oder alle Lastanschlüsse unterschiedlich ausfallen. Über die unterschiedliche zeitliche Taktung kann in einem Zeitintervall eine größere elektrische Leistung in einen Lastanschluss eingebracht werden, wenn dieser länger als andere Lastanschlüsse bestromt wird, und die in einem Zeitintervall in einen Lastanschluss eingebrachte elektrische Leistung kann geringer sein, wenn dieser kürzer als andere Lastanschlüsse bestromt wird. Dadurch kann die elektrische Heizung individuell an den konkreten Heizbedarf in einem Gebäude angepasst sein oder werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Steuereinheit eine Vorrichtung zur Stromstärkenmessung vorhanden, die bei Erreichen eines Schwellwertes die Selektionsschaltung ein- oder ausschaltet. Durch die Stromstärkenmessung mit einer davon abhängigen Ein- und Ausschaltung der Selektionsschaltung wird eine Überlastung der Steuereinheit und/oder des Stromnetzes vermieden. Die Stromstärkenmessung stellt eine eigene Sicherungsmöglichkeit der elektrischen Heizung dar, die unabhängig von einer vorgeschalteten Überstromschutzeinrichtung ist.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind in der Steuereinheit Thermostat-Anschlüsse vorhanden, über die zugeordnete Lastanschlüsse ein- und ausschaltbar sind. Die Thermostatanschlüsse dienen dem Zweck, die Erreichung vorgewählter Temperaturen in den mit der elektrischen Heizung beheizten Räumen sicherzustellen. So können die Thermostate über den jeweiligen Anschluss durch ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit bewirken, dass ein zugehöriger Lastanschluss ausgeschaltet wird, wenn in dem vom Thermostat überwachten Raum nach seiner Messung eine Zieltemperatur erreicht worden ist. Genauso kann ein Thermostat durch ein entsprechendes Signal einen Lastanschluss einschalten, wenn eine Mindesttemperatur erreicht ist, die in dem vom Thermostaten überwachten Raum nicht unterschritten werden soll. Die Thermostatanschlüsse sind so mit den Lastanschlüssen miteinander verbunden, dass eine Ein- und Ausschaltung der Lastanschlüsse bei entsprechenden Signalen des betreffenden Thermostaten möglich ist.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung bestromt die Selektionsschaltung Gruppen von Lastanschlüssen gleichzeitig oder wechselweise. Die gruppenweise Bestromung von Lastanschlüssen ist vorteilhaft, wenn die von einem ersten Lastanschluss abgerufene Stromstärke so gering ist, dass die durch die Überstromschutzeinrichtung gesetzte Grenze auch bei der Zuschaltung eines oder mehrerer weiterer Lastanschlüsse nicht erreicht ist. Das ist gerade bei elektrischen Heizungen mit selbstregulierenden Heizbändern sinnvoll, weil diese ja nach ihrer aktuellen Temperatur ganz unterschiedliche Stromstärken aus einem Stromanschluss abrufen. Die gleichzeitige oder wechselweise Bestromung von mehreren Lastanschlüssen kann auch sinnvoll sein, um die über diese Lastanschlüsse mit Strom versorgten selbstregulierenden Heizbänder schnell auf eine Temperatur zu bringen, mit der sie Wärme an ihre Umgebung abgeben und sich dabei wieder langsam abkühlen, um danach andere Gruppen von Lastanschlüssen gleichzeitig oder wechselweise zu bestromen, damit sich die darüber mit Strom versorgten selbstregulierenden Heizbänder ebenfalls schnell erwärmen können, um danach langsam Wärme an die Umgebung abzugeben, und so fort. Eine solche Bestromungscharakteristik ist vorteilhaft, um die bei niedrigeren Temperaturen höhere theoretische Leistung der selbstregulierenden Heizbänder durch mehrere ausreichend lang getaktete Abkühlungsphasen bestmöglich auszunutzen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Steuereinheit eine Vorrichtung zur Stromstärkenmessung vorhanden und die Selektionsschaltung bestromt mehrere Lastanschlüsse gleichzeitig, wenn die von diesen Lastanschlüssen zuvor im Einzelbetrieb abgerufene Stromstärke in einem Zeitintervall unter einem in der Selektionsschaltung vorgegebenen Schwellwert gelegen hat. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, in dem Fall, in dem die von einem oder mehreren Lastanschlüssen abgerufene Stromstärke so weit absinkt, dass ein Schwellwert in einem vorgegebenen Zeitintervall unterschritten wurde, weitere Lastanschlüsse zur Bestromung hinzuzuschalten, um die verfügbare Leistungsgrenze der elektrischen Heizung im Rahmen der von der Überstromschutzeinrichtung vorgegebenen Leistungsgrenze besser auszunutzen. Ein solcher Fall tritt beispielsweise auf, wenn die Heizbänder nach einer ersten Aufheizphase dauerhaft in einem Temperaturfenster von beispielsweise 30° C bleiben, in dem sie nur noch geringe Stromstärken abrufen, weil nur noch geringe Wärmemengen zur Beheizung des von ihnen beheizten Raumes erforderlich sind. Selbst wenn unter diesen Bedingungen mehrere oder alle Lastanschlüsse gleichzeitig bestromt werden, bleibt die Summe der von den bestromten Lastanschlüssen abgerufenen Stromstärke so gering, dass die Grenze der Überstromschutzeinrichtung, bei der eine Stromabschaltung erfolgen würde, nicht erreicht wird. Durch die gleichzeitige Bestromung mehrerer oder aller Lastanschlüsse mit einer geringeren Strommenge wird die theoretische Leistung der elektrischen Heizung besser ausgenutzt als das der Fall wäre, wenn die Lastanschlüsse weiterhin nur in einer Zeittaktung bestromt würden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Steuereinheit eine Vorrichtung zur Stromstärkenmessung vorhanden und die Selektionsschaltung beendet eine gleichzeitige Bestromung mehrerer Lastanschlüsse, wenn die von den gleichzeitig bestromten Lastanschlüssen abgerufene Stromstärke in einem Zeitintervall über einem in der Selektionsschaltung vorgegebenen Schwellwert gelegen hat. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, wenn die abgerufene Stromstärke der gleichzeitig bestromten Lastanschlüsse so weit ansteigt, dass eine Überschreitung der von der Überstromschutzeinrichtung vorgegebenen Grenze droht. Um eine Abschaltung der Stromzufuhr durch die Überstromschutzeinrichtung zu vermeiden, werden einzelne oder mehrere Lastanschlüsse aus der gleichzeitigen Bestromung ausgenommen, wodurch die Summe der von den verbleibenden gleichzeitig bestromten Lastanschlüsse abgerufenen Stromstärke sinkt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Steuereinheit eine Vorrichtung zur Stromstärkenmessung vorhanden und die Selektionsschaltung nimmt diejenigen Lastanschlüsse aus der zeitlich getakteten Bestromung aus, bei denen die Stromstärkenmessung in einem Zeitintervall keinen Stromfluss ermittelt hat. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, die Zeittaktung der Selektionsschaltung auf diejenigen Lastanschlüsse zu beschränken, die überhaupt Strom benötigen. Wenn einzelne Lastanschlüsse keine Stromversorgung brauchen, beispielsweise, weil sie durch die Raumthermostaten abgeschaltet sind, würde deren zeitliche Berücksichtigung die effektive Leistung der Strom benötigenden Lastanschlüsse vermindern, da diese in den Zeitanteilen, die auf Lastanschlüsse entfallen, die keine Bestromung benötigen, nicht mit Strom versorgt werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Selektionsschaltung eine Schnittstelle auf, über die die zeitliche Taktung von Lastanschlüssen veränderlich ist. Über die Schnittstelle ist es möglich, einzelne oder mehrere Lastanschlüsse zu priorisieren und andere in ihrer Bestromung zu reduzieren. Das kann einmalig beim Einbau der elektrischen Heizung in ein Gebäude durch den Installateur, bei Wartungsarbeiten oder laufend durch die Benutzer eines Gebäudes erfolgen. So kann es im Winter vorteilhaft sein, morgens möglichst schnell das Badezimmer und die Küche zu erwärmen, während das Wohnzimmer nicht so schnell erwärmt werden muss. Wenn die Temperatur im Gebäude tagsüber abgesenkt wird, kann es am Abend dagegen vorteilhaft sein, vorrangig das Wohnzimmer zu erwärmen. Die Vorrangschaltung kann während der Winterzeit attraktiv sein, während sie zu anderen Jahreszeiten nicht erforderlich erscheinen kann. Diese Präferenzen können in der Steuereinheit vorprogrammiert sein, oder sie können beim Einbau oder beim Betrieb der elektrischen Heizung programmiert oder eingestellt werden. An die Schnittstelle kann eine Bedieneinheit mit einem Display und Bedientasten oder Softkeys angeschlossen sein, über die Eingaben vorgenommen werden können, oder an die Schnittstelle ist ein Funkmodul angeschlossen, über das Bedieneingaben von einer App übertragbar sind.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Selektionsschaltung eine Schnittstelle auf, über die die über eine Stromversorgung verfügbare Stromstärke abfragbar ist, und die zeitliche Taktung der Bestromung wird an die verfügbare Stromstärke angepasst. Eine solche Lösung ist vorteilhaft, wenn die verfügbare Stromstärke schwanken kann. Das ist beispielsweise der Fall, wenn die elektrische Heizung aus alternativen Stromquellen wie beispielsweise einer Solarstromanlage, aus einer Biogasanlage oder einer Windstromanlage mit Strom versorgt wird. Die verfügbare Stromstärke entspricht dann nicht der Grenze, die durch die Überstromschutzeinrichtung gesetzt wird, sondern der gegebenenfalls niedrigeren tatsächlich zugelieferten Stromstärke. In einem solchen Fall ist es vorteilhaft, die zeitliche Taktung nicht nach einer Stromstärkengrenze zu richten, die faktisch nicht erreicht wird. Insbesondere die zeitliche Taktung und die Auswahl der bei der zeitlichen Taktung berücksichtigten Lastanschlüsse, aber auch die Anzahl der bestromten Lastanschlüsse kann von der Selektionsschaltung an die tatsächlich verfügbare Stromstärke angepasst werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Selektionsschaltung eine Schnittstelle auf, über die der Wert der von der Überstromschutzeinrichtung des Hausanschlusses überwachten Grenze der Stromstärke in die Selektionsschaltung eingebbar ist, und die zeitliche Taktung der Bestromung wird an die eingegebene Grenze der Stromstärke angepasst. Insbesondere die Stromnetze in älteren Häusern können mit einer niedrigeren Stromstärke als beispielsweise 35 Ampere abgesichert sein. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Selektionsschaltung an die niedrigere Stromstärke angepasst werden kann, indem diese über ein an die Schnittstelle angeschlossenes Display oder eine App eingebbar ist. Genauso ist es möglich, dass die in einem Gebäude installierte Überstromschutzeinrichtung eine höhere Grenze als eine standardmäßig vorgegebene Grenze der Stromstärke ermöglicht. Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die höhere Grenze in die Selektionsschaltung eingegeben werden kann.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuereinrichtung der elektrischen Heizung geeignete Vorrichtungen zur Umsetzung einzelner, mehrerer oder aller vorstehend beschriebenen Verfahren auf. Dabei kann es sich um entsprechend ausgestaltete mechanische, elektro-mechanische, elektrische und/oder elektronische Komponenten handeln, wobei die elektronischen Komponenten mit einer Software verbunden sind, die geeignet programmiert ist, um die beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung jeweils für sich, aber auch in beliebigen Kombinationen untereinander mit dem Gegenstand des Hauptanspruchs kombiniert werden können, soweit dem keine technisch zwingenden Hindernisse entgegen stehen.
Weitere Abwandlungen und Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich der nachfolgenden gegenständlichen Beschreibung und den Zeichnungen entnehmen.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

1: ein Anschlussschema einer Steuereinheit,
2: eine Beispiel für eine Taktfolge in einem Zeitablauf, und
3: eine Umschaltung zwischen einem Seriell- und einem Parallelbetrieb in einem Zeitablauf.

In 1 ist schematisch eine Heizung 2 gezeigt, die als Heizungssystem aus verschiedenen Komponenten besteht. Die Stromversorgung 4 erfolgt über einen Hausanschluss 8 an die Steuereinheit 10. Die Stromversorgung 4 ist vor der Steuereinheit 10 über eine Überstromschutzeinrichtung 6 gegen zu hohe Stromstärken abgesichert. Die Absicherung des Hausanschlusses 8 kann beispielsweise bei 35 Ampere erfolgen. An die Steuereinheit 10 ist über Lastanschlüsse 14 eine Anzahl von selbstregulierenden Heizbändern als ein Ausführungsbeispiel für elektrische Heizelemente 12 angeschlossen. Im Ausführungsbeispiel sind insgesamt acht Lastanschlüsse 14 - gekennzeichnet durch die Beschriftungen T1 bis T8 - vorhanden, an die im Ausführungsbeispiel jeweils ein einzelnes elektrisches Heizelement 12 angeschlossen ist. Über eine Selektionsschaltung 16 werden die Lastanschlüsse 14 zeitlich getaktet mit Strom versorgt, also mit der Stromversorgung 4 verbunden. Bei der zeitlich getakteten Stromversorgung sind demnach nicht alle Lastanschlüsse 14 gleichzeitig mit der Stromversorgung 4 verbunden, sondern nur diejenigen, bei denen die Bestromung durch die Selektionsschaltung 16 aktiv geschaltet ist. Innerhalb der Steuereinheit 10 findet sich eine entsprechende interne Verdrahtung der Anschlüsse, so auch der jeweiligen Neutralleiter N der elektrischen Heizelemente.
Die Selektionsschaltung 16 ist mit einer Vorrichtung 18 zur Stromstärkenmessung verbunden. Über die Vorrichtung 18 kann die Selektionsschaltung 16 erkennen, mit welcher Stromstärke die Steuereinheit 10 aktuell versorgt wird. Je nach Stromstärke, die von der Vorrichtung 18 gemessen worden ist, kann die Selektionsschaltung 16 einen oder mehrere Lastanschlüsse 14 in einer passenden zeitlichen Taktung bestromen oder abschalten.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung - die zeichnerisch nicht näher dargestellt ist - sind einzelne, mehrere oder alle Lastanschlüsse 14 ebenfalls mit einer Vorrichtung 18 zur Stromstärkenmessung versehen. Auch diese Vorrichtungen 18 können die über den jeweiligen Lastanschluss 14 fließende Stromstärke ermitteln und an die Selektionsschaltung 16 weitermelden. Die Selektionsschaltung 16 kann dann je nach gemessener Stromstärke einen oder mehrere der Lastanschlüsse 14 zu- oder abschalten. Ein Lastanschluss 14, bei dem die Stromstärkenmessung in einem Zeitintervall keinen oder nur einen geringen Stromfluss ermittelt hat, kann die Selektionsschaltung 16 diesen Lastanschluss 14 auch von der zeitlich getakteten Bestromung ausnehmen. Der fehlende Stromfluss bei der Aktivschaltung eines Lastanschlusses muss aber nicht zwangsläufig nur über Stromstärkenmessungen bei den einzelnen Lastanschlüssen erfolgen, es ist auch möglich, die Stärke des gesamten Stromflusses in die Steuereinheit 10 zu beobachten. Erhöht sich die Stromstärke nicht oder nur unwesentlich, wenn ein einzelner Lastanschluss 14 frei geschaltet wird, ist auch daran erkennbar, dass dieser Lastanschluss von der zeitlich getakteten Bestromung ausgeschlossen werden kann.
Die Selektionsschaltung 16 ist außerdem mit einer Anzahl von Thermostat-Anschlüssen 20 in Gestalt der Anschlüsse E1 - E8 verbunden. Je nachdem, welche Signale die Thermostat-Anschlüsse 20 bereitstellen, können die zu den jeweiligen Thermostat-Anschlüssen 20 passenden Lastanschlüsse 14 ein- oder ausgeschaltet werden.
Schließlich ist die Selektionsschaltung 16 noch mit den Schnittstellen 22, 24, 26 verbunden. Über die Schnittstelle 22 kann die zeitliche Taktung für einen, mehrere oder alle Lastanschlüsse 14 über eine entsprechende Bedieneingabe verändert werden. Die Schnittstelle 24 ermöglicht die Eingabe einer individuellen Stromstärke, bei der die Überstromschutzeinrichtung 6 die Stromzufuhr unterbricht. Die Schnittstelle 26 ist dazu vorgesehen, aktuelle Stromstärken zu erfassen, die eine aktive Stromversorgung an die Steuereinheit 10 liefert, wie beispielsweise eine Photovoltaikanlage.
In 2 ist ein Beispiel für eine Taktfolge der Bestromung von Lastanschlüssen 14 in einem Zeitablauf gezeigt. Der Zeitstrahl auf der X-Achse kann beispielsweise einen Zeitraum von 60 Sekunden zeigen. In der Stromstärkenkurve 28 ist gezeigt, wie sich im Ausführungsbeispiel die Summe der abgerufenen Stromstärke entwickelt, die von der Selektionsschaltung 16 auf die verschiedenen Lastanschlüsse 14 verteilt wird. Während zunächst nur das Paar der Lastanschlüsse T1 und T5 zeitlich getaktet bestromt wird, folgen in der ersten Startphase die Paarungen T2/T6, T3/T7 und T4/T8, die aufeinander folgend in der ersten Startphase bestromt werden. Das Bestromungsschema ist jeweils gleich: Zuerst werden die beiden Lastanschlüsse 14 eines Paares zweimal hintereinander zeitlich versetzt über eine Sekunde bestromt, danach wird der erste Lastanschluss 14 fünf Sekunden und der zweite Lastanschluss 14 eine Sekunde später beginnend vier Sekunden lang bestromt, wobei die viersekündige Bestromung parallel zu der fünfsekündigen Bestromung erfolgt. In der Stromstärkenkurve 28 macht sich die parallele Bestromung allerdings nicht durch einen Ausschlag nach oben bemerkbar, weil die durch die elektrischen Heizelemente 12 strömende Stromstärke mit zunehmender Erwärmung der elektrischen Heizelemente 12 abnimmt. Im Ausführungsbeispiel bleibt bei dieser zeitlichen Taktung die Stromstärke zum Ende einer Bestromungsphase eines Paares von Lastanschlüssen 14 unterhalb einer Schwelle von 25 Ampere. Zu Beginn der Erstbestromung eines jeweiligen Lastanschlusses T1 - T8 wird diese Schwelle allerdings überschritten, jedoch bleibt die Obergrenze von 35 Ampere dabei unerreicht.
Wenn alle Lastanschlüsse 14 nach dem vorstehend beschriebenen Schema einmal mit einem Bestromungszyklus bestromt worden sind, kann der gleiche Zyklus wieder von vorne beginnen.
Selbstverständlich können abweichend vom vorstehend beschriebenen Beispiel auch andere zeitliche Taktungen vorgesehen sein.
In 3 ist ein Zeitablaufdiagramm für eine Umschaltung zwischen einem Seriell- und einem Parallelbetrieb in einem Zeitablauf für ein Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Zeitstrahl kann sich wieder über einen Zeitraum von 60 Sekunden erstrecken. In 3 ist erkennbar, dass die Stromstärkenkurve 28 über die Zeit in einem ersten Abschnitt auf einen Wert abfällt, der unter der Schwelle von 25 Ampere liegt. Nachdem diese Schwelle von 25 Ampere über einen Zeitraum von zwei Sekunden unterschritten worden ist, wird zusätzlich zur Bestromung des Lastanschlusses T1 der Lastanschluss T5 hinzugeschaltet. Trotz der Hinzuschaltung des Lastanschlusses T5 bleibt die Stromstärkenkurve 28 unterhalb der Schwelle von 25 Ampere. Trotz des Parallelbetriebs der Lastanschlüsse T1, T5 wird die Schwelle von 25 Ampere im Parallelbetrieb dieser beiden Lastanschlüsse nicht überschritten. Auch zu diesem Ausführungsbeispiel gilt, dass von den Stromstärken, zeitlichen Taktungen und Schwellwerten abgewichen werden kann.
Wenn in der Stromstärkenkurve 28 in 3 zum Ende hin die Stromstärke für einen Zeitraum von einer Sekunde wieder über die Schwelle von 25 Ampere ansteigt, schaltet die Selektionsschaltung 16 den Lastanschluss T1 ab und wechselt wieder in eine alternierende Bestromung der Lastanschlüsse T1 und T5, um zu verhindern, dass die Grenze von beispielsweise 35 Ampere überschritten wird, bei der die Überstromschutzeinrichtung 6 die Stromversorgung unterbricht.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Dem Fachmann bereitet es keine Schwierigkeiten, die Ausführungsbeispiele auf eine ihm geeignet erscheinende Weise abzuwandeln, um sie an einen konkreten Anwendungsfall anzupassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 9941551 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizung (2) in einem Gebäude, bei der mehrere elektrische Heizelemente (12) über mehrere Lastanschlüsse (14) an einer an die Stromversorgung (4) angeschlossenen Steuereinheit (10) mit einem durch eine Überstromschutzeinrichtung (6) gesicherten elektrischen Hausanschluss (8) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) über eine Selektionsschaltung (16) in einer vorgegebenen zeitlichen Taktung Strom an die Lastanschlüsse (14) leitet, wobei durch die zeitliche Taktung des Stromflusses an die Lastanschlüsse (14) die durch die Steuereinheit (10) fließende Stromstärke unterhalb der Stromstärke bleibt, bei der die Überstromschutzeinrichtung (6) eine Stromabschaltung auslöst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisches Heizelement (12) ein selbstregulierendes Heizband verwendet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene zeitliche Taktung der Selektionsschaltung (16) für einzelne Lastanschlüsse (14) unterschiedlich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (10) eine Vorrichtung (18) zur Stromstärkenmessung vorhanden ist, die bei Erreichen eines Schwellwertes die Selektionsschaltung (16) ein- oder ausschaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (10) Thermostat-Anschlüsse (20) vorhanden sind, über die zugeordnete Lastanschlüsse (14) ein- und ausschaltbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Selektionsschaltung (16) Gruppen von Lastanschlüssen (14) gleichzeitig oder wechselweise bestromt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (10) eine Vorrichtung (18) zur Stromstärkenmessung vorhanden ist und die Selektionsschaltung (16) mehrere Lastanschlüsse (14) gleichzeitig bestromt, wenn die von diesen Lastanschlüssen (14) zuvor im Einzelbetrieb abgerufene Stromstärke in einem Zeitintervall unter einem in der Selektionsschaltung (16) vorgegebenen Schwellwert gelegen hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (10) eine Vorrichtung (18) zur Stromstärkenmessung vorhanden ist und die Selektionsschaltung (16) eine gleichzeitige Bestromung mehrerer Lastanschlüsse (14) beendet, wenn die von den gleichzeitig bestromten Lastanschlüssen (14) abgerufene Stromstärke in einem Zeitintervall über einem in der Selektionsschaltung (16) vorgegebenen Schwellwert gelegen hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (10) eine Vorrichtung (18) zur Stromstärkenmessung vorhanden ist und die Selektionsschaltung (16) diejenigen Lastanschlüsse (14) aus der zeitlich getakteten Bestromung ausnimmt, bei denen die Stromstärkenmessung in einem Zeitintervall keinen Stromfluss ermittelt hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Selektionsschaltung (16) eine Schnittstelle (22) aufweist, über die die zeitliche Taktung von Lastanschlüssen (14) veränderlich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Selektionsschaltung (16) eine Schnittstelle (24) aufweist, über die die über eine Stromversorgung (4) verfügbare Stromstärke abfragbar ist, und die zeitliche Taktung der Bestromung an die verfügbare Stromstärke angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Selektionsschaltung (16) eine Schnittstelle (26) aufweist, über die der Wert der von der Überstromschutzeinrichtung (6) des Hausanschlusses (8) überwachten Grenze der Stromstärke in die Selektionsschaltung (16) eingebbar ist, und die zeitliche Taktung der Bestromung an die eingegebene Grenze der Stromstärke angepasst wird.
Elektrische Heizung (2) mit mehreren elektrischen Heizelementen, die über mehrere Lastanschlüsse (14) mit einer an die Stromversorgung (4) angeschlossenen Steuereinheit (10) verbunden und darüber an einen mit einer Überstromschutzeinrichtung (6) gesicherten elektrischen Hausanschluss (8) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) eine Selektionsschaltung (16) aufweist, die die Lastanschlüsse (14) in einer zeitlichen Taktung bestromt, wodurch die theoretisch mögliche Heizleistung der Heizung (2), die sich aus der Addition der durch alle an die Lastanschlüsse (14) angeschlossenen elektrischen Heizelemente (12) möglichen Stromflüsse ergibt, auf den Stromfluss reduziert ist, der durch den oder die jeweils zeitgetaktet aktiv geschalteten Lastanschlüsse (14) mit den daran angeschlossenen elektrischen Heizelementen (12) gegeben ist.
Elektrische Heizung (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) Vorrichtungen zur Umsetzung der Verfahrensschritte gemäß den Ansprüchen 2 bis 10 aufweist.