DE202011101087U1

DE202011101087U1 - Thermostat für Heizkörperventile mit 2 Funktionen

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Publication number: DE202011101087U1
Application number: DE202011101087U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2021-05-26

Abstract

Der neuartige Thermostatkopf ist dadurch gekennzeichnet, daß 2 Regelgrößen – nämlich die Raumtemperatur und die Rücklauftemperatur des Heizwassers – elektronisch erfaßt und zeitabhängig und ohne Kopplung oder gegenseitige Einflußnahme ausgewertet werden. Das (einzige) Stellglied ist das (meist vorhandene) Ventil. Mit einem Stellglied werden also 2 Regelgrößen gemäß Tabelle 1 nachgeführt. Weitere Vorteile ergeben sich durch die Vielzahl der möglichen Regelalgorhythmen.

Description

Stand der Technik
Die Aufgabe von thermostatischen Heizkörperventilen besteht bislang darin, daß über einen Temperaturfühler (er kann im Thermostatkopf integriert oder aber als Fernfühler sich außerhalb befinden) die Raumtemperatur erfaßt und über einen Steilmechanismus das Ventil betätigt wird zum Zweck der Erhöhung oder Verringerung der Durchflußmenge vom Heizwasser. Somit wird die Heizleistung dem Bedarf angepaßt. Speziell für Fußbodenheizungen gibt es aber auch Ventile die nicht unmittelbar die Raumtemperatur regeln, sondern nur die Temperatur des abgekühlten Rücklaufwassers. Beiden Regelcharakteristiken (meist mit reinem Proportionalregelverhalten) ist gemeinsam, daß nur ein Temperaturfühlerelement vorhanden ist.
Ventile bzw. Thermostaten die sowohl die Raumtemperatur als auch die Rücklauftemperatur gleichzeitig regeln sind am Markt nicht erhältlich.
Mängel am Stand der Technik
Beide oben genannte Ausführungen für Thermostaten haben entscheidende Nachteile:
Heutige Heizungsanlagen sollten eigentlich alle hydraulisch abgeglichen* sein und somit im gesamten Heizungssystem eine niedrige Rücklauftemperatur ermöglichen. Aus Zeit- und Kostengründen unterbleibt dieser Abgleich in der Praxis fast immer. Im Altbau ist er nachträglich nur mit einem wirtschaftlich unverhältnismäßig hohen Aufwand durchführbar. Nur über niedrige Rücklauftemperaturen kann aber bei Öl und Gasbrennern (und sogar bei Pelletanlagen!) der Brennwert (= kondensierender Betrieb eines Heizungskessels) genutzt werden. Diese niedrige Rücklauftemperatur kann ohne den hydr. Abgleich nur von den Ventilen mit Erfassung der Rücklauftemperatur gewährleistet werden. Letztere regeln aber nicht die Raumtemperatur.
Die Recherche ergab, daß es zwar eine Patentanmeldung gibt, die über 2 Temperaturfühler verfügt. Allerdings sind die Fühler über unhandliche Kapillarrohre angeschlossen und sie arbeiten rein mechanisch. Eine zeitabhängige (Fern-)Programmierung z. B. zum Zwecke einer Nachabsenkung ist so z. B. nicht möglich. (vgl. DE19856009A1 und DE19855926A1 ) Jene Konstruktion ist aufgrund ihrer Konzeption nur in der Lage eine Addition der Temperatursignale durchzuführen. Für eine optimale Regelung sollte jedoch unabhängig von der eingestellten Raumtemperatur die Rücklauftemperatur auf einen getrennt festlegbaren Temperaturwert begrenzt werden.

Vgl. Text „Patentrecherche” im Anhang

Anm.: Der Anmelder ist Klempner → [http://www.krüger-klempner-dachdecker.de/about.htm]
Zusammenfassung der Vorteile des neuartigen elektronischen Thermostatkopfes für Heizkörperventile für 2 Regelgrößen bzw. mit 2 Funktionen
Es werden folgende Funktionen vereint in einem nachrüstbaren Bauteil und ohne Eingriffe in den Wasserkreis:

1.) Regelung der Raumtemperatur auf einen einstellbaren Wert.
2.) Regelung der maximalen Rücklauftemperatur des Heizwassers auf einen voreinstellbaren Wert.
3.) Somit Verzicht auf einen hydraulischen Abgleich möglich (Näheres s. u.).
4.) Zeitabhängige Programmierung einer Nacht- oder Wochenendabsenkung möglich.
5.) Fernsteuerung über Funkverbindung realisierbar.
6.) Die Regelelektronik kann einen selbstlernenden Regelalgorhythmus implementieren, damit der Thermostat in Verbindung mit verschieden großen Heizkörpern (– je nach Wasserinhalt ergeben sich unterschiedliche „Totzeiten” der Regelstrecke –) und mit unterschiedlichen Ventilkennlinien ein brauchbares Regelverhalten ohne Überschwingen erzeugt.
7.) Der Regelalgorhythmus kann und sollte so beschaffen sein, daß beim Aufheizen eines Raumes die Heizleistung erhöht wird und im Beharrungszustand (also beim Erreichen der eingestellten Temperatur) wieder zurückgenommen. Dieser zusätzliche Komfort beeinträchtigt nicht die gesamte Rücklauftemperatur einer Heizungsanlage, da selten alle Personen eines Mietshauses gleichzeitig nach Hause kommen und alle gleichzeitig ihre Heizkörper aufdrehen. So könnte der Heizkörper bei einer Raumtemperatur von unter 16°C beispielsweise automatisch die zulässige Rücklauftemperatur um 10 K erhöhen ohne daß dies den Wirkungsgrad einer Brennwertheizung nennenswert beeinflußt. Dieses Regelverhalten ist damit sogar besser als in einem konventionell hydraulisch abgeglichenen Heizungssystem. Dies entspricht einem bedarfsorientierten dynamischen statt einem herkömmlich statischen System! Es paßt sich fortlaufend den Erfordernissen an.
8.) Die hydraulische Leistungsfähigkeit einer gegebenen Heizungsanlage bleibt voll erhalten, da keine Rücklaufverschraubungen und sonstige Bauteile zur Anwendung kommen, die zusätzliche Strömungswiderstände darstellen. Alle diese Drosselverluste müßten letztlich durch Pumpleistung und somit weiteren Energieaufwand überwunden werden. Das hier beschriebene neuartige Ventil ist somit dem herkömmlichen hydraulischen Abgleich (der ja als Stand der Technik bezeichnet wird) in jeder Hinsicht überlegen.
9.) Man könnte sogar daran denken in der Elektronik einen einfachen Wärmemengenzähler zu implementieren, der dann sicherlich auch nicht ungenauer arbeitet als die üblichen Geräte der großen Heizkostenabrechnungsfirmen. Man hätte dann nur noch ein Gerät am Heizkörper statt 2 separate Geräte.

Der Verzicht auf einen hydraulischen Abgleich* bewirkt nicht nur eine enorme Kosteneinsparung bei der Installation einer neuen Heizungsanlage, sondern erfüllt mit diesem Regelungs-Prinzip gleichzeitig auch gesetzliche Forderungen im Bereich der Altanlagensanierung. Auch wird der Einsatz sehr sparsamer Hocheffizienzpumpen damit erst sinnvoll. Die zu bewegenden Wasservolumina sinken auf ein Minimum. Damit sinken auch die hydraulischen Druckverluste durch Reibung an der Rohrwandung.
Niedrige Rücklauftemperaturen im Heizkreis bewirken, daß der Wärmeerzeuger im kondensierenden Betrieb arbeitet und somit Brennwertnutzung ermöglicht.
Dies könnte allein in Deutschland Millionen Tonnen CO₂-Emissionen einsparen.
Außerdem bewirkt eine niedrige Rücklauftemperatur, daß in der Kombination mit solarthermischen Anlagen die Erträge der Solaranlagen bei Heizungsunterstützung enorm (2-stelliger %-Bereich) gesteigert werden können.

* weitere Erläuterung zum Thema Hydraulischer Abgleich:
Üblicherweise sind Heizungsanlagen nicht „hydraulisch abgeglichen”. Dies hat zur Folge, daß diejenigen Heizkörper die der Umwälzpumpe am nächsten liegen bei geöffnetem Ventil mehr Wasser bekommen als Pumpenferne Heizkörper etwa im 5.OG. Damit nun der Heizkörper im 5. Stock (der am weitesten weg ist) auch noch warm wird muß man überdimensionierte Pumpen verwenden. Dies erhöht erstens den Stromverbrauch und zum zweiten werden die Heizkörper im EG starker durchströmt als notwendig. Es können sogar Strömungsgeräusche auftreten. Die stark durchströmten Heizkörper weisen schließlich nur noch eine geringe Spreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur auf. Das Wasser im Heizkörper hat keine Zeit mehr um ausreichend stark abzukühlen. Es geht also mit zu hoher Temperatur in den Rücklauf. Brennwertgeräte benötigen aber eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur um den Wasserdampf in den Verbrennungsgasen durch Unterschreitung des sog. Taupunkts vollständig zu kondensieren. Nur dann wird auch die volle Kondensationswärme frei. Zur Durchführung eines hydraulischen Abgleichs benötigt man Komponenten wie etwa Rücklaufverschraubungen oder aber voreinstellbare Ventilköpfe. Diese nachträglich zu montieren und fein abzugleichen erfordert viel Zeit und Erfahrung ist so kostenträchtig, daß es sich bei derzeitigen Energiepreisen praktisch nicht amortisiert.
Die Logik des Reglers muß grundsätzlich nach folgender Verknüpfung arbeiten: Reaktionstabelle für einen Thermostaten mit 2 Temperaturfühlern
Tabelle 1
Patentrecherche
Folgende Patente habe ich mir genauer angesehen:
Nummer, Bemerkung
DE19856009 A1 , Krüger Joachim 1998 – 2 Balgen; rein mechanisch
DE19855926 A1 , Krüger Joachim 1998 – 2 Balgen; rein mechanisch, Ventil sitzt nicht wie vorstehend im Vorlauf, sondern im Rücklauf; ansonsten äquivalent
Weitere Anmerkungen untenstehend*)
DE10303828 A1 , Danfoss 2003 nimmt Bezug auf J. Krüger und behauptet mit 2 verschiedenen Thermostatelementen (mechanisch) kleiner zu bauen als Krüger; verwendet Wachspatrone die eine wärmeleitende Verbindung mit dem Rücklauf benötigt!; Ventil-Anordung im Rücklauf! Entspricht somit nicht meiner Anordnung und Lösung; sehr aufwendige Mechanik
DE10118338 A1 , Bosch 2001; bezieht sich auf ein zusätzliches Rücklaufventil! = Eingriff in die Hydraulik!
DE29805466 U1 – nicht zutreffend
DE20013130 U1 , Honeywell 2000 – Dehnstoffelement, nur Rücklauftemperatur! Wärmeleitende Verbindung notwendig um die Rücklauftemperatur zu erfassen!
WO 2002/10875 A1 , Honeywell 2000 – wie vor
DE3814519 A1 – nicht zutreffend

Ad *) Krüger:
Regelabweichungen wirken nicht entkoppelt sondern additiv gekoppelt auf den Stift am Ventil.
Für jeden Balgen liegt eine proportionale Regelcharakteristik von Wenn der eine Balgen sich wegen Erhöhung der Temperatur um delta t = 1 K ausdehnt und der andere Balgen sich um delta t = –1 K zusammenzieht, dann ist der Weg des Stifts gleich null. Es tritt Kompensation bzw. Auslöschung ein.
Angenommen man möchte eine Raumtemperatur von 20°C und gleichzeitig eine Rücklauftemperatur von 25°C haben. Das System erlaube dem Heizwasser eine Vorlauftemperatur von 60°C. Dann kann das Heizwasser nach Öffnen des Ventils mit bis zu 60°C ankommen. Die Balgenausdehnung wird also ungleich stärker sein als im anderen Balgen, der nur die Lufttemperatur erfaßt. Im Beharrungsszustand von 20/25 für Luft/Wasser hat der Stift eine bestimmte Stellung. Die gleiche Stellung nimmt er aber ein, wenn die Luft nur 19°C statt eingestellter 20°C hat und dafür der Rücklauf 1°C wärmer ist. Die Summe der Balgenausdehnungen ist identisch! D. h., daß der Thermostat nicht in der Lage ist die richtige Raumtemperatur zu gewährleisten! (Bei 18/27 genau das Gleiche usw.)
Nette Idee mit den 2 Balgen, aber Ideen kann man nicht patentieren. Sie müssen auch realisierbar sein und funktionieren.

Anm.: Der Anmelder ist Klempner → [http://www.krüger-klempner-dachdecker.de/about.htm]
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19856009 A1 [0004, 0011]
DE 19855926 A1 [0004, 0011]
DE 10303828 A1 [0011]
DE 10118338 A1 [0011]
DE 29805466 U1 [0011]
DE 20012130 U1 [0011]
WO 2002/10875 A1 [0011]
DE 3814519 A1 [0011]

Claims

Der neuartige Thermostatkopf ist dadurch gekennzeichnet, daß 2 Regelgrößen – nämlich die Raumtemperatur und die Rücklauftemperatur des Heizwassers – elektronisch erfaßt und zeitabhängig und ohne Kopplung oder gegenseitige Einflußnahme ausgewertet werden. Das (einzige) Stellglied ist das (meist vorhandene) Ventil. Mit einem Stellglied werden also 2 Regelgrößen gemäß Tabelle 1 nachgeführt. Weitere Vorteile ergeben sich durch die Vielzahl der möglichen Regelalgorhythmen.
Thermostat nach Anspruch 1: Ferner ist der elektronische Thermostatkopf grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, daß er an bereits vorhandene Heizkörperventile mit herkömmlichen Thermostatköpfen angebracht werden kann ohne daß die Hydraulik (also der Wasserkreis) in irgendeiner Weise geöffnet oder angetastet werden muß. (Die elektromechanische Adaption an handelsübliche Ventile ist hier ausdrücklich nicht Gegenstand der Betrachtungen, denn dafür gibt es bereits ausreichend viele Lösungen.) Der 2. Temperaturfühler muß an/in der Rücklaufleitung angebracht werden.
Thermostat nach Anspruch 1 und 2: Die Funktionalität der Regelelektronik ist dadurch gekennzeichnet, daß bei Heizungsanlagen ein hydraulischer Abgleich nicht mehr notwendig sein wird.