DE19735511A1 - Regelverfahren für Niedertemperaturheizkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für Niedertemperaturheizkessel nach dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.

Derartige Regelverfahren gehören zum allgemein bekannten Stand der Technik. Sie wer­ den üblicherweise mit Zweipunktreglern realisiert, welche die Kesselwassertemperatur durch Brennerschaltung in Abhängigkeit vom Wärmebedarf gleitend regeln. Dies erfolgt nach Maßgabe einer Heizkurve mit zwei Schaltschwellen, wobei der Brenner bei Unter­ schreitung der unteren ein- und bei Überschreitung der oberen ausschaltet. Beide Heiz­ kurven liegen im Abstand einer Schaltdifferenz zueinander, die fest oder variabel sein kann und sich an den Außen- sowie Raumtemperaturwerten orientiert. Beispielsweise wurde in der DE-PS 25 49 561 vorgeschlagen, die Schaltdifferenz zu den unteren Lei­ stungsbereichen hin zu vergrößern. Meistens ist die Schaltdifferenz symmetrisch um den Sollwert für die Kesselwassertemperatur gelegt.

Die Maßnahmen dienen hautsächlich zum Verringern der Brenner-Schalthäufigkeit und somit der Emissionsminderung und Energieeinsparung.

Im modernen Wohnungsbau mit gut wärmegedämmten Gebäuden werden immer kleinere Wärmeerzeuger eingesetzt. Dabei ist der für die Auswahl des Kessels bestimmende Lei­ stungsbedarf für die Warmwasserbereitung häufig höher als für die Bereitstellung von Heizwärme. Es steht auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen oft für den Heizwärme­ bedarf ohne parallele Warmwasserbereitung eine fast doppelt so hohe Kesselleistung zur Verfügung. In Verbindung mit den herkömmlichen Regelverfahren kann es dazu kommen, daß die Brennerlaufzeiten im Betrieb nur ungenügend an den Leistungsbedarf anzupas­ sen sind, weil bei niedrigen Außentemperaturen die Schaltdifferenz relativ klein gewählt ist, der Brenner schnell die Heizarbeit schafft und nach kurzer Zeit wieder ausschaltet.

Beispielsweise schalten bei mehrstufigen Brennern weitere Brennerstufen unnötig zu, obwohl nur kurzzeitig die Schaltschwelle durch ein Unterschwingen erreicht war und eine Brennerstufe ausreichen würde. Außerdem schaltet mit der herkömmlich angewendeten Schalthysterese bei hoher Kesselbelastung mit einer steigenden Temperatur eine zweite Brennerstufe zu spät aus. Die Temperatur in der Anlage ist zu hoch, weil die obere Schaltschwelle relativ spät erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren für Niedertemperaturheiz­ kessel wärmebedarfsgerechter zu gestalten und die Brennerlaufzeiten genauer anzupas­ sen.

Erfindungsgemäß wurde dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteil­ hafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Regelverfahren arbeitet mit einem Zweipunktregler und steuert den Brenner in Ab­ hängigkeit vom vorgegebenen Wärmebedarf. Die Grundlage bildet eine Heizkurve nach den an sich bekannten Verfahren mit einer festen oder variablen Schaltdifferenz für Bren­ nerein- und -ausschalttemperatur, welche im wesentlichen symmetrisch zu einem Kessel­ wassertemperatursollwert liegt. Dieser bekannte Verfahrensteil wird gleichberechtigt mit einer zusätzlichen Regelstrategie überlagert und kombiniert. Es wird laufend ein Integrati­ onswert ermittelt, der sich aus der Multiplikation von der Regelabweichung zwischen Soll­ wert und Istwert der Temperatur mit der Zeiteinheit ergibt. Erreicht der Integrationswert einen Vorgabewert als Schaltschwelle, so hat dieses Kriterium für die Brennersteuerung Vorrang vor den beiden Heizkurven. Der Brenner wird ein- oder ausgeschaltet, sobald entweder der entsprechende Wert der Schaltdifferenz oder der Integrationswert erreicht ist.

Im praktischen Betrieb wird im wesentlichen bei geringen Temperaturänderungen, d. h. hohen Kesselbelastungen, zuerst der Integrationswert über Regelabweichung und Zeiteinheit wirksam. Dagegen erfolgt die Brennerschaltung über die Schaltdifferenz bei niedrigen Kesselbelastungen mit schnellen Temperaturänderungen. Die Integration be­ ginnt bzw. fließt in das Regelverfahren ein, sobald Sollwert und Istwert der Temperatur gleich sind. Wenn sich der Istwert dem Sollwert nähert, erfolgt keine Integration, da die Regelung in diesem Moment nicht eingreifen muß und die Leistungsanforderung erfüllen kann.

Das Regelverfahren ist insbesondere auch für den Betrieb von mehrstufigen Brennern und Mehrkesselanlagen anwendbar. Beim Ein- oder Ausschalten einer Brennerstufe wird dann die zu diesem Zeitpunkt als Istwert gemessene Temperatur als vorübergehender Sollwert angenommen, welcher solange aktiv bleibt, bis die Regelabweichung zwischen diesem Sollwert und dem Istwert null ist, um erst danach wieder durch den vorgegebenen, ursprünglichen Sollwert ersetzt zu werden. Dadurch wird beispielsweise das unnötige Ein­ schalten einer weiteren Brennerstufe verhindert, wenn nach dem Zuschalten der zweiten Stufe der Istwert der Temperatur noch kurzzeitig durch die Aufheizträgheit der Gesamtan­ lage fällt. Genauso kommt es nicht zum Abschalten der ersten Stufe, nur weil der Istwert nach dem vorausgegangenen Abschalten der zweiten Stufe kurzzeitig überschwingt.

Wahlweise kann zur Bildung des Integrationswertes das Quadrat der Regelabweichung zwischen Sollwert und Istwert der Temperatur mit der Zeiteinheit multipliziert werden. Es wird damit ein Überschwingen verhindert, weil große Regelabweichungen stärker in das Regelverfahren einfließen als kleine.

Mit dem erfindungsgemäßen Regelverfahren ergibt sich somit insgesamt eine Verringe­ rung der Brenner-Schalthäufigkeit. Die Kesselleistung kann genauer an den sich ständig ändernden Wärmebedarf angepaßt werden.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt jeweils den Ver­ lauf der Kesselwassertemperatur innerhalb der vorgegebenen Schaltschwellen:

Fig. 1 Je eine Brenneraus- und -einschaltung am erreichten Integrationswert sowie eine Brennerabschaltung an der oberen Heizkurve der Schaltdifferenz

Fig. 2 die Bildung des Integrationswertes mit der Ausschaltung von Brennerstufen und

Fig. 3 das Einsetzen des Istwertes als vorübergehender Sollwert beim Ein- oder Aus­ schalten einer Brennerstufe.

Das Regelverfahren arbeitet mit einer Schaltdifferenz mit einer oberen Brennerausschalt­ temperatur A und einer unteren Brennereinschalttemperatur E, welche im wesentlichen symmetrisch zum Kesselwassertemperatursollwert S liegen. Um diesen Sollwert S pendelt der Istwert I. Zusätzlich fließt noch ein vorzugebender Integrationswert als Schaltschwelle in das Regelverfahren ein. Es wird ab gewissen Kriterien fortlaufend integriert, so daß sich der aktuelle Wert aus der Multiplikation von der Regelabweichung zwischen Sollwert S und Istwert I mit der Zeiteinheit ergibt und als Flächeninhalt in der Zeichnung dargestellt ist. Eine Brennerschaltung erfolgt, wenn der Vorgabewert erreicht ist.

Fig. 1 enthält eine Ausschaltung der Brennerstufe B1 am erreichten Integrationswert zum Zeitpunkt t2, nachdem die Integration bei schon laufender Brennerstufe B1 mit dem Über­ schreiten des Sollwertes S durch den Istwert I im Zeitpunkt t1 begonnen hat. Bei fallen­ dem Istwert I wird bis zum Erreichen des Sollwertes S nicht integriert, danach stellt aber wiederum der Flächeninhalt zum Zeitpunkt t3 das Einschaltkriterium für die Brennerstufe B1 dar. Weil sich beispielsweise die Kesselbelastung verringert hat, steigt der Istwert I nun sehr schnell, der vorgegebene Integrationswert kann über den Flächeninhalt nicht erreicht werden und die Ausschaltung erfolgt zum Zeitpunkt t4 an der Brennerausschalt­ temperatur A.

In Fig. 2 ist der Einfluß des Integrationswertes auf das Ausschalten von zwei Brennerstu­ fen B1, B2 gezeigt. Zuerst beginnt die Integration mit dem Überschreiten des Sollwertes S durch den Istwert I zum Zeitpunkt t1. Der Flächeninhalt ist zum Zeitpunkt t2'' groß genug, um die zweite Brennerstufe B2 abzuschalten. Anschließend fällt der Istwert I wie ge­ wünscht. Es findet bis zum Zeitpunkt t5 keine Integration statt, da für die Regelung kein Handlungsbedarf besteht. Erst mit der Erhöhung des Istwertes I wird wieder integriert, bis zum Zeitpunkt t2' der Flächeninhalt dem vorgegebenen Integrationswert entspricht und auch die Brennerstufe B1 abschaltet.

Insbesondere für die Anwendung bei mehrstufigen Brennern oder Mehrkesselanlagen zeigt Fig. 3 das Einsetzen des Istwertes I als vorübergehenden Sollwert S. Dies erfolgt immer beim Ein- oder Ausschalten von Brennerstufen B1, B2. Im Beispiel fällt der Istwert I bei laufender Brennerstufe B1. Zum Zeitpunkt t6 wird durch den erreichten Integrations­ wert die zweite Brennerstufe B2 eingeschaltet. Sollwert S und dazu parallel die Schaltdif­ ferenz A, E werden um den Abstand zum momentanen Istwert I nach unten verschoben. Dadurch wird verhindert, daß durch die Trägheit der Anlage bis zum Wirksamwerden der zugeschalteten Brennerstufe B2 die Brennereinschalttemperatur E mit dem Istwert er­ reicht wird. Es würde dann nämlich zur Anforderung einer weiteren Brennerstufe kommen, die aber nicht benötigt wird, da es sich nur um einen kurzzeitiges Überschwingen handelt. Mit der Wirkung der Brennerstufe B2 erhöht sich der Istwert I bis auf den vorübergehen­ den Sollwert S. Dieser wird dann zum Zeitpunkt t7 zurückgesetzt. Zum Zeitpunkt t8 schaltet die Brennerstufe B2 wegen des erreichten Integrationswertes aus. Sollwert S und die Schaltdifferenz A, E werden hier um den Abstand zum momentanen Istwert I parallel nach oben verschoben, um das Ausschalten der Brennerstufe B1 durch ein Überschwin­ gen in entgegengesetzter Richtung wegen der in der Anlage gespeicherten Wärme zu vermeiden. Anschließend ist ab dem Zeitpunkt t9 wieder der ursprüngliche Sollwert S für die Schaltdifferenz A, E maßgebend.

Claims (6)

1. Regelverfahren für Niedertemperaturheizkessel mit einem Zweipunktregler für die Brennersteuerung in Abhängigkeit vom vorgegebenen Wärmebedarf, nach Maßgabe von einer Heizkurve mit einer festen oder variablen Schaltdifferenz für Brennerein- und -aus­ schalttemperatur, welche im wesentlichen symmetrisch zu einem Kesselwassertem­ peratursollwert liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennersteuerung nach dem an sich bekannten Verfah­ ren gleichberechtigt und in Kombination mit einem vorzugebenden Integrationswert als Schaltschwelle erfolgt, der sich aus der Multiplikation von der Regelabweichung zwischen Sollwert (S) und Istwert (I) der Temperatur mit der Zeiteinheit ergibt.

2. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner bzw. Brennerstufen (B1, B2) ein- oder ausge­ schaltet werden, sobald entweder der entsprechende Wert der Schaltdifferenz (A, E) oder der vorgegebene Integrationswert erreicht ist.

3. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration beginnt, wenn Sollwert (S) und Istwert (1) der Temperatur gleich sind.

4. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß keine Integration erfolgt, wenn sich der Istwert (1) dem Soll­ wert (S) der Temperatur nähert.

5. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ein- oder Ausschalten einer Brennerstufe (B1, B2) die zu diesem Zeitpunkt als Istwert (I) gemessene Temperatur als vorübergehender Sollwert (S) angekommen wird, welcher solange aktiv bleibt, bis die Regelabweichung zwischen diesem Sollwert (S) und dem Istwert (I) null ist, um erst danach wieder durch den vorge­ gebenen Sollwert (S) ersetzt zu werden.

6. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Integrationswertes das Quadrat der Re­ gelabweichung zwischen Sollwert (S) und Istwert (I) der Temperatur mit der Zeiteinheit (t) multipliziert wird.