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Die
Erfindung betrifft eine Schaltung mit zwei oder mehr Heizelementen,
insbesondere Glasflächen-Heizelementen,
an einem zweipoligen Versorgungsnetz zur steuerbaren Beheizung eines
Gebäuderaumes.
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In
der
DE 36 90 439 C2 ist
ein Gebäudefenster
mit einer Isolierverglasung beschrieben. Die an der Zimmerseite
liegende Fensterscheibe ist zur Raumerwärmung als elektrisches Heizelement
ausgebildet. Eine Schaltung zur gemeinsamen Steuerung mehrerer solcher
Heizelemente ist nicht beschrieben.
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Aus
der
DE 195 33 761
A1 ist eine zur Raumheizung elektrisch beheizbare Fensterscheibe
bekannt. Eine Beschichtung aus elektrisch leitfähigem, transparentem Material
bildet das Heizelement. Mittels einer Steuerschaltung ist die Heizleistung
regelbar. Eine elektrische Zusammenschaltung mehrerer solcher Fensterscheiben
ist nicht beschrieben.
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Aus
der
DE 43 36 973 A1 ist
eine Schaltungsanordnung mit zwei oder mehr Widerständen bekannt, wobei
diese Widerstände
in Reihe schaltbar sind und beide Anschlüsse wenigstens eines Widerstandes
der Reihenschaltung jeweils mit gleichen Schaltelementen an eine
gleiche Stromversorgungsleitung schaltbar sind. Auch an den Endanschlüssen der
Widerstände
sind jeweils Schalter vorgesehen. Durch diese Schaltungsanordnung
wird über
die gezielte Auswahl von einzelnen Widerständen oder Reihenschaltungen
eine kontinuierliche Leistungsbereitstellung erreicht. Eine gleichzeitige
Beschaltbarkeit der Endanschlüsse
an den einen oder den anderen der beiden Pole eines Versorgungsnetzes
und des Zwischenanschlusses an den einen oder anderen Pol ist jedoch
nicht beschrieben.
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Aus
der
DE 197 36 066
A1 geht eine elektrische Heizeinrichtung mit zwei oder
mehr Heizelementen hervor, die Schaltmittel aufweisen, mittels derer
einzelne Heizelemente abschaltbar oder die Heizelemente in Reihe
oder parallel miteinander verschaltbar sind. Durch gezielte Variation
der Schaltmittel lässt
sich die Heizleistung in verschiedenen Stufen einstellen. Eine gleichzeitige
Beschaltbarkeit der Endanschlüsse
an den einen oder den anderen der beiden Pole eines Versorgungsnetzes
und eines Zwischenanschlusses an den einen oder anderen Pol ist
jedoch auch hier nicht beschrieben.
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Soll
ein Gebäuderaum
mit zwei oder mehr Fenstern über
die Glasflächen
elektrisch beheizt werden, dann ist es wünschenswert, dass alle Fensterscheiben
beheizbar sind, weil dann der Raum durch einen hohen Strahlungswärmeanteil
für den
Bewohner angenehm beheizt wird. In einem solchen Fall wäre es möglich, alle Fensterglasflächen mittels
eines Schaltreglers gleichzeitig zu takten, d.h. elektrisch ein-
und auszuschalten. Eine solche Schaltung hätte jedoch den Nachteil, dass
beträchtliche
Schwankungen der abgestrahlten Wärme entstünden, was
für den
Bewohner wenig angenehm ist. Darüber
hinaus ergäben
sich elektrische Probleme, wie Flickerprobleme, Funkschutzprobleme
und Probleme hinsichtlich der Schaltrelaislebensdauer, wegen des dann
häufigen
Taktens der gesamten Summenleistung der Heizelemente.
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Es
könnte
auch eine Proportionalregelung vorgesehen sein. Diese wäre jedoch
teuer und würde
ebenfalls zu elektrischen Problemen führen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs genannten Art
vorzuschlagen, mit der die Summen-Leistungsabgabe der zwei oder mehr Heizelemente
ohne große
Leistungssprünge
steuerbar ist.
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Erfindungsgemäß ist obige
Aufgabe bei einer Schaltung der eingangs genannten Art durch die
Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
ein entsprechendes Schalten der Wechselschalter und der Schalter
ist es möglich,
zahlreiche Leistungsstufen zu schalten, ohne dass immer alle Heizelemente
gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden. Es ergibt sich ein weitgehend
gleichmäßige Abgabe
der Strahlungswärme
je nach den Erfordernissen.
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Die
Schaltung ist vergleichsweise einfach aufgebaut und einfach steuerbar.
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Eine
Raumbeheizung über
die Fensterglasflächen
hat auch den Vorteil, dass sie platzsparend ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch
den Grundriss eines Raumes, der über
die Fensterglasflächen
beheizt ist,
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2 ein
Blockschaltbild einer Schaltung mit zwei Heizelementen,
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3 ein
Blockschaltbild einer Schaltung mit drei Heizelementen,
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4 ein
Blockschaltbild einer Schaltung mit vier Heizelementen und
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5 ein
Blockschaltbild einer Schaltung mit fünf Heizelementen.
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Ein
Zimmer 1 weist beispielsweise zwei Fenster 2 mit
einer zweischeibigen Isolierverglasung auf. Die zimmernahe Scheibe
trägt eine
Beschichtung 3, die durchsichtig ist und elektrisch leitfähig ist.
Die Beschichtung 3 bildet das jeweilige Heizelement. Die
Heizelemente 3a, 3b sind über Kabel 4, 5 an
eine Steuereinrichtung 6 angeschlossen, die am elektrischen
Versorgungsnetz LN (230 V) liegt. Die Steuereinrichtung 6 ist
mit einem im Zimmer 1 angeordneten Isttemperaturfühler 7 und
einem Solltemperatursteller 8 verbunden.
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Die 2 zeigt
die Schaltung der Heizelemente 3a und 3b in dem
der 1 entsprechenden Fall. Die 3, 4 und 5 zeigen
Blockschaltbilder für
die Fälle,
bei denen drei, vier oder fünf
Heizelemente bzw. beheizte Fensterscheiben vorgesehen sind. Sind
noch mehr Heizelemente vorgesehen, dann lässt sich die Schaltung entsprechend
erweitern.
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Die
Heizelemente 3a bis 3e sind alle elektrisch in
Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung kann in der Steuereinrichtung 6 vorgenommen
werden. Sie kann auch durch eine entsprechende elektrische Verbindung
zwischen den Fenstern erfolgen.
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Die
Reihenschaltung weist Endanschlüsse 9, 10 auf,
die an Wechselschaltern 11, 12 liegen. Die Wechselschalter 11, 12 sind
vorzugsweise in der Steuereinrichtung 6 angeordnet. Mittels
der Wechselschalter 11, 12 lassen sich die Endanschlüsse 9, 10 an
den Pol L oder den Pol N des Netzes LN legen.
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Zwischen
jedem Paar von Heizelementen besteht ein Zwischenanschluss. Da nach 2 nur
zwei Heizelemente 3a, 3b vorgesehen sind, besteht
nur ein Zwischenanschluss 13a. Entsprechend der drei Heizelemente 3a, 3b, 3c der 3 bestehen
dort zwei Zwischenanschlüsse 13a und 13b.
Bei der Ausführung
nach 4 bestehen entsprechend drei Zwischenanschlüsse 13a, 13b, 13c.
Wenn fünf
Heizelemente 3a bis 3e (vgl. 5)
vorgesehen sind, bestehen vier Zwischenanschlüsse 13a bis 13d.
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An
jedem Zwischenanschluss 13a bis 13d liegt ein
Schalter 14a bis 14d gegen einen der Pole L oder N
des Netzes. Die Schalter 14a bis 14d sind Ein-Ausschalter.
Im Falle der 2, bei der nur ein Schalter 14a vorgesehen
ist, liegt dieser gegen den Pol N oder den Pol L. Bei den 3 bis 5,
bei denen zwei oder mehr Schalter 14a bis 14d vorgesehen
sind, liegen die Schalter 14a bis 14d wechselweise
an den Polen L und N, wodurch aufeinanderfolgende Zwischenanschlüsse 13a ... 13d an
den jeweils anderen Pol M oder L schaltbar sind.
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Die
Wechselschalter 11, 12 und die Schalter 14a ...
können
in die Steuereinrichtung 6 integriert sein. Sie können elektromechanische
oder elektronische Schalter sein.
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Durch
entsprechende Schalterstellungen lassen sich verschiedene Reihen-
und/oder Parallelschaltungen einstellen, was der Leistungssteuerung
dient.
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Im
folgenden ist davon ausgegangen, dass die Nennleistung der Heizelemente 3a ... 3e im
wesentlichen gleich ist und etwa 1,0 kW beträgt.
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In
der folgenden Tabelle 1 sind die möglichen Leistungsstufen der
Schaltung der
2 gezeigt. Tabelle
1 2
Heizelemente
| Heizelemente: | Summenleistung: |
| 1)
alle aus | 0
kW |
| 2)
2 in Reihe | 0,5
kW |
| 3)
2 ein | 1,0
kW |
| 4)
alle ein | 2,0
kW. |
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Sei
der in 2 dargestellten Schalterstellung ist die Leistung
0 kW (vgl. Zeile 1). Ist der eine Wechselschalter 11 auf
den Pol L und der andere Wechselschalter 12 auf den Pol
M geschaltet und der Schalter 14a offen, dann liegt die
Reihenschaltung zwischen den Polen L und M, was eine Summenleistung
von 0,5 kW ergibt (vgl. Zeile 2). Ist der Schalter 14a geschlossen
und der Wechselschalter 11 an den Pol L und der Wechselschalter 12 an
den Pol M geschaltet, dann ist nur das Heizelement 3a stromdurchflossen,
so dass sich eine Summenleistung von 1 kW ergibt. Eine Summenleistung von
1 kW ergibt sich auch, wenn der Schalter 14 geschlossen
ist und der Wechselschalter 12 an den Pol L und der Wechselschalter 11 an
den Pol N geschaltet ist. In diesem Fall liefert das Heizelement 3b die
Summenleistung von 1,0 kW (vgl. Zeile 3).
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Sind
beide Wechselschalter 11, 12 an den Pol L geschaltet
und ist der Schalter 14a geschlossen, dann liegen die Heizelemente 3a und 3b parallel
am Netz L, N, wodurch eine Summenleistung von 2,0 kW auftritt (vgl.
Zeile 4).
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Die
Tabelle 2 zeigt mögliche
Leistungsstufen bei der Schaltung nach
3. Tabelle
2 3
Heizelemente
| Heizelemente: | Summenleistung: |
| 1)
alle aus | 0
kW |
| 2)
3 in Reihe | 0,33
kW |
| 3)
2 in Reihe | 0,5
kW |
| 4)
1 ein | 1,0
kW |
| 5)
1 ein + 2 in Reihe | 1,5
kW |
| 6)
2 ein | 2,0
kW |
| 7)
3 ein | 3,0
kW. |
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In
der Tabelle 2 entsprechen die Zeilen 1, 3, 4, 6 den Zeilen 1 bis
4 der Tabelle 1. Sind die Schalter 14a und 14b offen
und liegt der eine Wechselschalter 11 am Pol L und der
andere Wechselschalter 12 am Pol N, dann sind alle drei
Heizelemente 3a, 3b, 3c in Reihe stromdurchflossen,
was eine Summenleistung von 0,33 kW ergibt (vgl. Zeile 2).
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Liegt
der Wechselschalter 11 an dem Pol N, wenn der Schalter 14a offen
und der Schalter 14b geschlossen ist, und der Wechselschalter 12 am
Pol L liegt, dann sind die Heizelemente 3a und 3b in
Reihe stromdurchflossen, wobei das Heizelement 3c abgeschaltet
ist. Es ergibt sich die Summenleistung von 0,5 kW (vgl. Zeile 3).
Diese Summenleistung lässt
sich auch erreichen, indem die beiden Heizelemente 3b und 3c in Reihe
stromdurchflossen sind und das Heizelement 3a abgeschaltet
ist.
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Die
Summenleistung 1,0 kW (vgl. Zeile 4) ergibt sich, wenn eines der
Heizelemente 3a oder 3b oder 3c zwischen
die Pole L, N geschaltet ist und die beiden anderen Heizelemente
beiderseits am gleichen Pol liegen, also abgeschaltet sind (vgl.
Zeile 4).
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Wenn
der Wechselschalter 11 am Pol L liegt, der Schalter 14a geöffnet, der
Schalter 14b geöffnet
und der Wechselschalter 12 an den Pol N geschaltet ist,
sind die Heizelemente 3a und 3b in Reihe stromdurchflossen
und das Heizelement 3c liegt zwischen den Polen L, N. Es
ergibt sich dabei eine Summenleistung von 1,5 kW (vgl. Zeile 5).
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Wenn
zwei der Heizelemente 3a, 3b, 3c parallel
zwischen die Pole L, N geschaltet sind und falls eines der Heizelemente
wirkungslos geschaltet ist, dann ergibt sich die Summenleistung
von 2 kW (vgl. Zeile 6). Beispielsweise ist dies der Fall, wenn:
Wechselschalter 11 an L, Schalter 14a und 14b geschlossen
und Wechselschalter 12 an L.
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Die
Summenleistung von 3 kW ergibt sich, wenn alle drei Heizelemente
parallel zwischen den Polen L, N liegen.
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Die
folgende Tabelle 3 stellt bei der Schaltung nach
4 mögliche Summenleistungen
in Abhängigkeit
von den Schaltzuständen
dar. Die Schaltzustände
werden durch ein obiger Beschreibung entsprechendes Schalten der
Wechselschalter
11 und
12 und der Schalter
14a bis
14c erreicht. Tabelle
3 4
Heizelemente
| Heizelemente: | Summenleistung: |
| 1)
alle aus | 0
kW |
| 2)
alle in Reihe | 0,25
kW |
| 3)
3 in Reihe | 0,33
kW |
| 4)
2 in Reihe | 0,5
kW |
| 5)
2 + 2 in Reihe | 1,0
kW |
| 6)
1 ein + 3 in Reihe | 1,33
kE |
| 7)
1 ein + 2 in Reihe | 1,5
kW |
| 8)
2 ein | 2,0
kW |
| 9)
2 ein + 2 in Reihe | 2,5
kE |
| 10)
3 ein | 3,0
kW |
| 11)
4 ein | 4,0
kW |
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In
der Tabelle 3 entsprechen die Zeilen 1, 3, 4, 5, 7, 8, 10 den Zeilen
1 bis 7 der Tabelle 2, wobei nach Zeile 5 der Tabelle 3 die Summenleistung
von 1,0 kW dadurch erreicht wird, dass jeweils die Heizelemente 3a, 3b und 3c, 3d in
Reihe zwischen die Pole L, N dadurch geschaltet sind, dass die Wechselschalter 11, 12 am Pol
N liegen und der Schalter 14b geschlossen sowie die Schalter 14a und 14c offen
sind.
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Die
Summenleistung von 1,33 kW wird beispielsweise dadurch erreicht,
dass das Heizelement 3a zwischen die Pole L, N geschaltet
ist und die drei Heizelemente 3b, 3c und 3d in
Reihe zwischen den Polen L, N liegen. Dies ist dann der Fall, wenn
die Wechselschalter 11, 12 am Pol L liegen und
der Schalter 14a geschlossen ist und die Schalter 14b und 14c offen
sind. Die gleiche Summenleistung lässt sich erreichen, wenn die Wechselschalter 11, 12 am
Pol L liegen und der Schalter 14c geschlossen und die Schalter 14a und 14b offen sind.
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Für die Summenleistung
nach Zeile 9 (2,5 kW) liegen beispielsweise der Wechselschalter 11 am
Pol N und der Wechselschalter 12 am Pol L, wobei die Schalter 14a und 14b geschlossen
und der Schalter 14c offen ist.
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Die
Summenleistung von 3,0 kW (Zeile 10) wird beispielsweise erreicht,
wenn der Wechselschalter 11 am Pol L und der Wechselschalter 12 am
Pol N liegt und die Schalter 14a, 14b und 14c geschlossen
sind. Das Heizelement 3d ist dabei wirkungslos, weil es
beidendig am Pol N liegt.
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Um
die Summenleistung von 4 kW (Zeile 11) zu erreichen, wird aus dem
vorherigen Zustand nur der Wechselschalter 12 an den Pol
L geschaltet. Es liegen dann alle vier Heizelemente parallel am
Netz LN.
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In
der nachfolgenden Tabelle 4 sind die bei der Schaltung nach
5 möglichen
Summenleistungen gezeigt. Diese werden in der oben beschriebenen
Weise erreicht, wobei zusätzlich
noch das fünfte
Heizelement
3e und der vierte Schalter
14d vorgesehen
ist. Tabelle
4 5
Heizelemente
| Heizelemente: | Summenleistung: |
| 1)
alle aus | 0
kW |
| 2)
5 in Reihe | 0,2
kW |
| 3)
4 in Reihe | 0,25
kW |
| 4)
3 in Reihe | 0,33
kW |
| 5)
2 in Reihe | 0,5
kW |
| 6)
2 in Reihe + 3 in Reihe | 0,85
kW |
| 7)
2 in Reihe + 2 in Reihe | 1,0
kW |
| 8)
1 ein + 4 in Reihe | 1,25
kW |
| 9)
1 ein + 3 in Reihe | 1,33
kW |
| 10)
1 ein + 2 in Reihe | 1,5
kW |
| 11)
2 ein (oder 2 + 2 in Reihe + 1 ein) | 2,0
kW |
| 12)
2 ein + 3 in Reihe | 2,33
kW |
| 13)
2 ein + 2 in Reihe | 2,5
kW |
| 14)
3 ein | 3,0
kW |
| 15)
3 ein + 2 in Reihe | 3,5
kW |
| 16)
4 ein | 4,0
kW |
| 17)
5 ein | 5,0
kW. |
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In
den obigen Tabellen bedeutet "1
ein", "2 ein", "3 ein", "4 ein", "5 ein", dass ein oder zwei
oder drei oder vier oder fünf
der Heizelemente jeweils für
sich zwischen die Pole L, N geschaltet sind.
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"2 in Reihe", "3 in Reihe", "4 in Reihe", "5 in Reihe" bedeutet, dass zwei
oder drei oder vier oder fünf der
Heizelemente in Reihe zwischen die Pole L, N geschaltet sind. Die
zur Summenleistung nichts beitragenden Heizelemente sind in den
Tabellen nicht genannt. Diese Heizelemente sind dadurch wirkungslos
geschaltet, dass sie beidendig an den gleichen Pol L oder N geschaltet,
also kurzgeschlossen sind.
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Bei
weiteren Ausführungen
lassen sich in entsprechender Weise auch mehr als fünf Heizelemente
vorsehen.
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Wie
ein Vergleich der möglichen
Schalterstellungen zeigt, ist es nicht notwendig, um von der einen Leistungsstufe
in die nächste
Leistungsstufe zu kommen, viele der Schalter (Wechselschalter 11, 12 und Schalter 14a ... 14d)
gleichzeitig umzuschalten. In vielen Fällen genügt es, nur einen der Schalter
umzuschalten.
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In
einem elektronischen Speicher der Steuereinrichtung 6 ist
eine Tabelle abgelegt, die je nach der Anzahl der zu steuernden
Heizelemente einer der oben genannten Tabellen entspricht. In Abhängigkeit
von der Wärmeanforderung
und der Tabelle betätigt
die Steuereinrichtung 6 die Wechselschalter 11, 12 und
die Schalter 14a ... 4d, wobei diese in ihr integriert
sein können
oder bei den Fenstern 2 angeordnet sein können und dann
durch drahtgebundene oder drahtlose Signale der Steuereinrichtung 6 angesprochen
werden können.
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Die
Steuereinrichtung 6 schaltet bei einer hohen Wärmebedarfsänderung
die möglichen
Leistungsstufen der Summenleistung vorzugsweise nacheinander. Erkennt
die Steuereinrichtung 6, dass sie zur Wärmebedarfsdeckung auf 2,0 kW
einschalten muss, dann tut sie dies, indem sie nach Tabelle 1 nacheinander die Stufen
0,5 kW, 1,0 kW, 2 kW einschaltet. Im Falle der Tabelle 2 stellt
sie nacheinander die Summenleistungen der Zeilen 2 bis 6 ein. Gleiches
gilt für
das Zurückschalten
bei verringertem Wärmebedarf.
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Wie
sich aus Obigem ergibt, sind in manchen Fällen gleiche Summenleistungen
durch unterschiedliche Schalterstellungen erreichbar. Ist dies der
Fall, dann verwendet die Steuereinrichtung 6 die zum Erreichen der
gleichen Summenleistung möglichen
Schalterstellungen abwechselnd nacheinander. Insbesondere wählt die
Steuereinrichtung 6, wenn mehrere Schalterstellungen zum
Erreichen der gleichen Summenleistung möglich sind, diejenigen aus,
bei denen möglichst
viele Heizelemente 3a bis 3e eingeschaltet sind,
weil dadurch bei der genannten Gasflächenheizung eine für den Bewohner
angenehme Verteilung der von den Fenstern ausgehenden Strahlungswärme entsteht.
Es wird also nicht eine Glasfläche
besonders stark erwärmt
und die anderen Glasflächen
bleiben kalt. Vielmehr geben möglichst
viele der Glasflächen-Heizelemente
des Gebäuderaums
Strahlungswärme
ab.