DE2001863B2 - Elektronische aufladesteuerung fuer elektrische waermespeichersysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Aufladesteuerung für elektrische Wärmespeichersysteme mit Restwärmeerfassung.

Elektronische Aufladesteuerungen für elektrische Wärmespeichersysteme bestehen im allgemeinen aus einem Witterungsfühler, einem Restwärmefühler, einem zentralen Steuergerät und einem Zeitwerk. Bei einer bekannten Aufladesteuerung sind der Witterungs- und der Restwärmefühler temperaturabhängige Halbleiterelemente (NTC-Widerstände), die Zweige einer Meßbrückenschaltung sind, deren Meßdiagonalspannung durch einen Kipp-Verstärker ausgewertet wird, der ein Relais beeinflußt, welches die Heizung des Wärmespeichersystems schaltet. Das Zeilwerk besteht im wesentlichen aus einem durch einen Synchronmotor angetriebenen Potentiometer, welches in geeigneter Weise in die Meßbrückenschaltung eingeführt ist. Das Zeitwerk dient zur Verschiebung des Anfanges der Aufladung des Speicherkernes innerhalb der Niedertarifzeit (s. zum Beispiel Zeitschrift »elektrowärme international«, Band 26, September 1968, Nr. 9, S. 316 bis 322).

Zur Erfassung der Restwärme ist es auch bekannt, im Speicher einen spannungsgesteuerten Temperaturregler anzuordnen, der aus einem Fühlrohr mit in ihm angebrachten Fühldraht und zugeordnetem Bimetall mit Heizwiderstand besteht (s. zum Beispiel Zeitschrift »elektrowärme international«, Band 26, September 1968, Nr. 9, S. 325).

Bei Aufladesteuerung mit Halbleiterfühlern (NTC-Widerstände) sowohl für die Messung der Außentemperatur als auch für die Restwärmeerfassung ergeben sich beträchtliche Rechenschwierigkeiten durch deren nichtlineare Kennlinie. Bei Wärmespeicheröfen treten Temperaturen von etwa 600° C auf, die mit Halbleiterfühlern nicht meßbar sind, so daß ein solcher Halbleiterfühler für die Erfassung der Restwärme beispielsweise auf dem den Speicherkern und die Kernisolation umgebenden Gehäuse angeordnet wird. Temperaturänderungen werden so jedoch erst mit relativ großer Zeitverzögerung erfaßt, wodurch sich falsche Einschaltzeitpunkte ergeben können.

Die Aufladesteuerung soll auch für Fußbodenspeicherheizung einsetzbar sein, wobei sich Temperaö türen ergeben, die etwa zwischen 5 und 75° C liegen Die Fußbodenspeicherheizung benutzt als Speichermedium einen unter dem jeweiligen Fußboden isolieit eingebrachten Speicherestrich. Dieser wird nachts auf eine bestimmte Ubertemperatur gebracht, die tagsüber durch Wärmeabgabe an den zu beheizenden Raum verlorengeht. Die Höhe dieser Übertemperatur des Speicherestrichs wird durch die Witterung bestimmt. Ist der Restwärmefühler nun ein Halbleiterelement mit seinen geometrisch relativ kleinen Abmessungen, so können starke Verfälschungen des Meßergebnisses auftreten, die beispielsweise daher rühren, daß über der Meßstelle auf der Oberfläche des Speicherestrichs Gegenstände aufgestellt sind. Ist der Fühler zur Restwärmeerfassung ein Bimetall, so ergeben sich bei den geringen Temperaturen der Fußbodenspeicherheizung erhebliche Schaltfehler und damit eine schlechte Ansprechgenauigkeit.

Die Verwendung einer Meßbrückenschaltung im Eingangskreis ergibt weiterhin den Nachteil, daß bei Verstimmung derselben durch die Fühler die Diagonalspannung keinen linearen Zusammenhang mit der Fühlerwiderstandsänderung aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Aufladesteuerung zu schaffen, die an die verschiedensten Wärmespeichersysteme (Wärmespeicheröfen, Fußbodenspeicherheizung usw.) ohne große Umrüstung anschaltbar ist. Die Ermittlung der Außentemperatur und der Restwärme durch die entsprechenden Fühler soll so genau sein, daß sich eine fehlerfreie Stromkostenverrechnung ergibt. Die Aufladesteuerung soll auch in ihrer Ansteuerbarkeit universell sein, beispielsweise auch ohne eine die Witterungs- und Zeitinformation enthaltende zentrale Steuerspannung verwendbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Restwärmeerfassung ein oder mehrere Temperaturfühler mit linearer Charakteristik (Metallwiderstände) vorgesehen sind, die von einer Konstantstrom- oder Konstantspannungsquelle gespeist sind.

Einer weiteren Ausbildung entsprechend ist eine zweite Konstantstrom- oder Konstantspannungsquelle vorgesehen, die einen Drehwiderstand für eine handeinstellbare Sollwertvorgabe der Speichertemperatur oder einen Witterungsfühler speist. Zweckmäßig ist der oder sind die Fühler für die Restwärmeerfassung so weiträumig ausgebildet, daß ein Temperaturmittelwert über das gesamte Speichervolumen gebildet wird.

Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Figuren tragen gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen. Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung für die Aufladesteuerung,

F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Aufladesteuerung,

Fig. 3 den Betrieb der Aufladesteuerung mit einer zentralen Steuerspannung,

F i g. 4 den gleichen Anlageteil, jedoch ohne zentrale Stcuerspannung,

Fig. 5 den gleichen Anlageteil mit Handeingabe eines Sollwertes für die Speichertemperatur.

Die Schaltungsanordnung nach der Fig. 1 umfaßt

einen Meßkreis 1, einen Meßverstärker 2 und einen Relaiskreis 3.

Der Meßkreis 1 besteht aus einem ersten Konstantstromsystem 4 mit einem Transistors, in dessen Kollektorstromkreis ein die Restwärme erfassender Metallwiderstandsfühler 6 angeordnet ist. Der Fühler 6 kann beispielsweise ein Platin- oder Kupferdraht sein. Die den Konstantstrom erzeugende Quelle umfaßt die Elemente 5, 7, 8, 9, 10 und 11. Bei der Erfassung der Restwärme eines Kernspeicherofens kann der Fühler konstruktiv in Form eines an sich bekannten Heizstabes ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, daß der Fühler unmittelbar zwischen die Steine des Speichers gelegt werden kann. Im Rohr des Stabes ist zweckmäßig eine Platinwendel angeordnet. Mit einem derartig ausgebildeten Fühler lassen sich ohne weiteres die Temperaturen von etwa 600° C direkt messen. Liegt eine Fußbodenheizung vor, so kann der Fühler 6 als Metalldraht im Speicherestrich angeordnet sein. Der Fühldraht wird dabei zweckmäßig derart verlegt, daß die Speichertemperatur des Estrichs über möglichst große Bezirke gemittelt wird. Es können aber auch Reihenschaltungen von mehreren geometrisch kleinen, aber an verschiedenen Stellen des Speichers angebrachten Metalldrahtspulen verwendet werden.

Im Emitterkreis des Transistors 5 ist ein fester Widerstand 7 angeordnet. Die Basis des Transistors 5 ist an einen aus den Widerständen 8, 9, 10 und einer Diode 11 bestehenden Spannungsteiler geführt.

Es ist ferner ein zweites identisch aufgebautes Konstantstromsystem 12 verwendet. Die den Konstantstrom erzeugende Quelle umfaßt die Elemente 13, 14, 17, 18 und 11. Der Transistor 13 hat einen festen Emitterwiderstand 14. Im Kollektorkreis sind zwei feste, in Reihe geschaltete Widerstände 15, 16 angeordnet, wobei der Widerstand 16 als Meßwiderstand wirkt, wie weiter unten ausgeführt ist. Die Basis des Transistors 13 ist an einen aus den Widerständen 17, 18 und der Diode 11 bestehenden Spannungsteiler geführt.

Die Drehwiderstände 10, 18 dienen zur Arbeitspunkteinstellung der Transistoren 5, 13. Die Diode 11 wirkt dem Einfluß der Umgebungstemperatur auf die Größe der Basis-Emitterspannung der Transistoren 5, 13 sowie auf die Spannung einer Zenerdiode 19 entgegen. Mit dem Drehwiderstand 9 kann vom Benutzer eine Bewertungsverschiebung (Heizzeiteinstellung) vorgenommen werden.

Durch den konstanten Kollektorstrom des Transistors 13 tritt auch an der Reihenschaltung der Widerstände 15, 16 ein konstanter Spannungsabfall auf. Der Spannungsabfall am Restwärmefühler 6 wird sich trotz konstantem Kollektorstrom des Transistors 5 ändern, da mit auftretender Temperaturänderung sich auch der Widerstand des Restwärmefühlers 6 ändert. Durch die Verwendung des Metallfühlers 6 mit seiner linearen Kennlinie tritt an den Kollektorpunkten a, b eine Spannungsdifferenz auf, die mit der zu messenden Temperatur linear zusammenhängt.

An die Klemmen 20, 21 wird vom nicht weiter dargestellten zentralen Steuergerät eine Ausgangsspannung geschaltet, die eine Information über die Außentemperatur und/oder die Zeit enthält. Diese Steuerspannung ist eine Wechselspannung, deren arithmetischer Mittelwert zeitlinear von einem Maximal- auf einen Minimalwert abfällt, wobei diese beiden Grenzwerte durch die bestehenden Witterungsverhältnisse bestimmt werden können. Der Einschaltzeitpunkt des Wärmespeichersystems wird aus der Differenz dieser Steuerspannung und der der im System noch enthaltenen Restwärme proportionalen Spannung des Restwärmefühlers 6 bestimmt.

Die an den Klemmen 20, 21 liegende Steuerspannung wird durch eine Diode 22 gleichgerichtet und mittels eines Spannungsteilers 23, 24 auf den der maximalen Restwärmespannung entsprechenden Wert gebracht. Der Kondensator 25 wird für die Mittelwertbildung benötigt.

Zur Steuerspannung 20, 21 wird mit inverser Polarität die der Restwärme proportionale Fühlerspannung 6 addiert, die zwischen den Kollektorpunkten a, b anliegt.

Die am Widerstand 24 bzw. Kondensator 25 auftretende negative Spannung ist der durch die Temperatur^ änderung am Fühler 6 auftretenden Spannung entgegengeschaltet und die Differenz wirkt auf den Verstärkereingang 26 eines Meßverstärkers 27, der das Verhalten eines Schmitt-Triggers hat. Beim Überschreiten einer bestimmten positiven Eingangsspannung ändert sich die Spannung am Ausgang 28 des Verstärkers 27 sprungartig. An den Ausgang 28 des Verstärkers 27 ist ein Transistor 29 in Kollektor-Basisschaltung angeschaltet. Im Emitterkreis dieses Transistors ist ein Relais 30 angeordnet, dessen Kontakt 31 entweder zum direkten Schalten der Heizung herangezogen ist oder zum Ansteuern eines Thermoschützes. Die mit + und — angedeutete Spannungsversorgung besteht aus einem nicht weiter dargestellten Netztransformator, einem Gleichrichter und einem Siebkondensator. Die Aufladesteuerung ist auch voll einsatzfähig, wenn eine zentrale Steuerspannung, wie sie an den Klemmen 20, 21 wirkt, nicht vorhanden ist.
Die in dieser zentralen Steuerspannung vorhandene Information Außentemperatur wird vom Benutzer der Anlage beispielsweise von einem meist vorhandenen Außenthermometer abgelesen. Im Meßkreis 1 ist der Widerstand 16 dann beispielsweise als Stufenwiderstand ausgebildet, an welchem der Benutzer bestimmte Temperaturwerte vorgeben kann. Entsprechend ändert sich die Bezugsspannung im Kollektorstromkreis des zweiten Konstantstromsystems 12. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, parallel zum Festwiderstand 16 einen Außentemperaturfühler zu schalten, so daß sich die Bezugsspannung ständig nach Maßgabe der Außentemperatur ändert (s. auch F i g. 4 und 5).

Sollte eine zeitliche VerschieDung des Einschalt-Zeitpunktes erwünscht sein, so kann zusätzlich ein Zeitgeber an die Klemmen 20, 21 angeschlossen werden.

Es ist für den Einsatz der Aufladesteuerung bei Fußbodenspeicherheizung eine Sic'ierheitsschaltung vorgesehen, die bewirkt, daß der Fußbodengrenzwert nicht überschritten wird. Diese Sicherheitsschaltung besteht aus einem temperaturabhängigen Halbleiterelement 35, einem Festwiderstand 36 und einer Diode 37.

Diese Sicherheitsschaltung sorgt dafür, daß die Speichertemperatur bei einer Fußbodenheizung nicht über 75° C ansteigt, auch wenn der Benutzer mittels des Widerstandes 9 eine Bewertungsänderung stark zu positiven Werten hin vornimmt.

Das Halbleiterelement 35 ist beispielsweise ein PTC-Widerstand. Der steil ansteigende Ast der Kennlinie dieses Halbleiterelementes liegt in diesem Falle bei etwa 75° C, so daß hier die größte Widerstandsände-

rung auftritt, die zum Schütze der Anlage herangezogen ist. Das Halbleiterelement 35 ist im Estrich angeordnet.

Die Wirkungsweise der Sicherheitsschaltung ist folgende: Im Normalfall, d. h. bei Fußbodentemperaturen unter 75° C ist das Halbleiterelement 35 niederohmig. Damit liegt der Verbindungspunkt von Halbleiterelement 35 und Widerstand 36 praktisch am positiven Pol der Spannungsversorgung. Die Diode 37 ist dadurch gesperrt.

Wird der 75° C-Grenzwert erreicht, so wird das Halbleiterelement 35 sehr schnell hochohmiger und das Potential am Verbindungspunkt von Halbleiterelement 35 und Widerstand 36 sinkt stark ab. Die Diode 37 wird leitend und da diese über den Widerstand 24 mit dem Eingang 26 des Meßverstärkers 27 verbunden ist, wird auch das Eingangspotential dieses Verstärkers entsprechend negativ. Dadurch kippt der Verstärker 27 unabhängig von den anderen Meßwerten in den Aus-Zustand, das Relais 30 wird betätigt und über dessen Kontakt 31 beispielsweise die Heizung abgeschaltet. Sinkt daraufhin die Temperatur am Halbleiter 35, so ändert sich entsprechend das Potential am Verbindungspunkt von Halbleiter und Festwiderstand 36, so daß die Diode 37 wieder gesperrt wird. Damit wird auch wieder der Meßkreis 1 wirksam.

F i g. 2 zeigt eine Ausbildung, bei welcher der bzw. die Meßkreise aus Konstantspannungssystemen bestehen. Die eine Konstantspannung wird durch die Elemente 19, 9 und die mit 9 in Reihe geschalteten Dioden erzeugt und die andere Konstantspannung durch die Elemente 19, 18 und die mit 18 in Reihe geschalteten Dioden. Der Fühler 6 liegt an einer am Widerstand 9 einstellbaren Konstantspannung. Der durch den Fühler 6 fließende Strom wird also vom Fühlerwiderstand und damit von der zu messenden Temperatur abhängig. Dieser Strom ist die Eingangsgröße des in Emitter-Basis-Schaltung betriebenen Transistors 5, an dessen Kollektor-Arbeitswiderstand 46 eine der zu messenden Temperatur proportionale Spannung entsteht. Zur Kompensation aller Temperatureinflüsse auf die Anordnung wird diese Spannung mit einer auf die gleiche Weise gewonnenen Festspannung verglichen, die am Kollektor-Arbeitswiderstand 47 des Transistors 13 entsteht. Die Verarbeitung der an den Kollektor auftretenden Differenzspannung erfolgt in der gleichen Weise, wie bei der Ausbildung nach der Fig. 1.

ίο F i g. 3 zeigt den Betrieb mit einer zentralen Steuerspannung, welche die Witterungs- und Zeitinformation enthält.

Ein oder mehrere Restwärmefühler 6 sind in einem Hauptheizkörper 40 angebracht, der über ein Thermoschütz 41 vom nach der F i g. 1 ausgebildeten Steuergerät 42 an das Netz geschaltet wird. Vom selben Steuergerät können weitere Thermoschütze 41', 41" angesteuert werden, die nun parallel zum Hauptheizkörper 40 weitere Heizkörper 40', 40" an das Netz schalten. Diese Nebenheizkörper sind beispielsweise über Handschalter 43 stufig an den jeweiligen Wärmebedarf des entsprechenden Raumes anpaßbar. Von der zentralen Steuerspannung können nahezu beliebig viele derartige Anlageteile angesteuert werden.

Fig.4 zeigt den gleichen Anlageteil, dem jedoch keine zentrale Steuerspannung zur Verfügung steht. Um auch eine solche Anlage vollautomatisch betreiben zu können, weist das Steuergerät 42 die Möglichkeit auf, parallel zum Widerstand 16 der Ausbildung nach der F i g. 1 beispielsweise einen NTC-Widerstand als Witterungsfühler 44 anzubringen. Der Einschaltzeitpunkt kann dadurch zwar nicht in die Morgenstunden verschoben werden, jedoch wird der Sollwert für die Speicherkerntemperatur durch den Witte- rungsfühler 44 bestimmt.

F i g. 5 zeigt ein Anlageteil, bei welchem der Benutzer den voraussichtlichen Wärmebedarf abschätzt und in Form eines Sollwertes für die Speichertemperatur an einem Potentiometer 45 von Hand in die Anlage eingibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektronische Aufladesteuerung für elektrische Wärmespeichersysteme mit Restwärmeerfassung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Restwärmeerfassung ein oder mehrere Temperaturfühler (6) mit gegenüber Halbleiter-Temperaturfühlern linearer Charakteristik (Metallwiderstände) vorgesehen sind, die von einer Konstantstrom- oder Konstantspannungsquelle (4) gespeist sind.

2. Elektronische Aufladesteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Konstantstrom- oder Konstantspannungsquelle (1?.) vorgesehen ist, die einen Drehwiderstand für eine handeinstellbare Sollwert-Vorgabe der Speichertemperatur oder einen Witterungsfühler (16) speist.

3. Elektronische Aufladesteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Fühler (6) für die Restwärmeerfassung so weiträumig ausgebildet sind, daß ein Temperaturmittelwert über das gesamte Speichervolumen gebildet ist.