DE202022106303U1

DE202022106303U1 - Raumtemperatur-Regelung der Warmwasser-Fußbodenheizung als Input-Regelung

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Publication number: DE202022106303U1
Application number: DE202022106303.6U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2022-11-09
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2032-11-10
Also published as: DE102023131207A1

Abstract

System zur raumweisen Input-Regelung für einer Fußbodenheizung oder Flächenheizung umfassend eine Regeleinheit bestehend aus Mischventil (7), Heizkreispumpe (8), Volumenstrommesser (9), Temperaturfühler für Vorlauf (10) und Rücklauf (12), gekennzeichnet durch ein Steuergerät (14), welches die an den Raum abzugebende Wärme des Heizwassers bzw. Heizmediums, die der errechneten Raumheizlast (Wärmebedarf) entspricht, vor dem Raumeintritt des Heizwassers bzw. Heizmediums in den Fußbodenheizkreis regelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Regelung der Raumtemperatur bei Fußbodenheizungen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme zur Raumtemperatur-Regelung insbesondere Systeme zur Regelung träger Warmwasser-Fußbodenheizungen oder Flächenheizungen sind nicht Energieeffizient und bedürfen dringend einer Verbeserung.
Bestehende Regel-Systeme der Flächenheizung entsprechen nicht der DIN 19226 mit geschlossenem Wirkkreis und Rückkopplung, sondern sind lediglich eine Steuerung. Aus Mangel an Alternativen werden bis heute besagte Steuerungen eingebaut.
Die derzeitige Raumtemperatur-Regelung der Warmwasser-Fußbodenheizung (Stand der Technik) ist eine Drossel-Regelung, die vor vierzig Jahren von der Heizkörperheizung übernommen wurde. Beide Heizungs-Systeme verhalten sich in Bezug auf die Wärmeabgabe an den Raum absolut unterschiedlich.
Weil die Begriffe „Steuerung“ und „Regelung“ in der deutschen Sprache Synonyme sind, erklärt sich auch folgende Tatsache: Die Drossel-Regelung (Stand der Technik) für Heizkörperheizung ist eine echte Regelung nach DIN 19226, die gleiche Regelung bei Fußbodenheizung ist eine Steuerung nach DIN 19226.
Für die Warmwasser-Fußbodenheizung ist bisher keine bessere Lösung auf dem Markt. Diese Tatsache verhindert eine Energie-Einsparung von über 30% bei allen Warmwasser-Fußbodenheizungen im Neubau und Bestand.
Die Drossel-Regelung (Stand der Technik) ist aus folgendem Grund nicht effizient:

A. Die Drossel-Regelung ist keine Regelung nach DIN 19226 mit geschlossenem Wirkkreis mit Rückkopplung.
- Die extreme Trägheit des Speicherestrichs von mehreren Stunden zwischen Actio und Reactio, schließt die folgende Voraussetzung einer Regelung aus:
- Die Regelgröße, also die zu regelnde Größe, muss laufend gemessen und mit der Führungsgröße verglichen werden, um die Regelgröße an die Führungsgröße anzupassen. Das ist auch wegen der Trägheit des Estrichs und des Bodenbelages nicht möglich.
- Auszug aus dem Text der DIN 19226:
  - „Das Regeln, die Regelung, ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße (die zu regelnde Größe), erfasst und mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungskreis des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst.“
B. Die systembedingt geforderte Regelgröße „Raum-Temperatur“ die aus Raumluft-Temperatur und Temperatur der Raumumschließungsflächen besteht, kann nicht gemessen werden. Der Raumfühler (Raumthermostat) kann nur die Luft-Temperatur des Raumes, also nur etwa 20% der geforderten Raum-Temperatur, messen. Die restlichen 80% der Raum-Temperatur betreffen die Strahlungs-Temperatur der Raum-Umschließungsflächen, die nicht gemessen werden können.
- Die über Strahlung an den Raum abgegebene Wärme kann nicht gemessen oder quantifiziert und deswegen in den Regelprozess nicht eingebunden werden.
- Die Fußbodenheizung mit Drossel-Regelung (Stand der Technik) ist eine „Angebotsheizung“.
- Definition Angebotsheizung: Wärme wird dem Heizkörper angeboten.
- Bei der Angebotsheizung wird das Heizwasser mit dem Wärmeinhalt des errechneten Wärmebedarfs aller Räume des Hauses über das Rohrnetz zu den Heizkörpern/Heizflächen gepumpt. Jedem Heizkörper/Heizfläche soll mit Hilfe des hydraulischen Abgleichs die Wassermenge zugeführt werden, die der errechneten Raumheizlast entspricht. Die Raumtemperatur-Regelung sollen die Raumthermostate übernehmen.
- Die einwandfreie Funktion der Angebotsheizung setzt eine perfekte Berechnung, Auslegung und Einregulierung der Heizungsanlage voraus.

Zusammenfassung der Erfindung:
Um die systembedingte Energievergeudung zu verhindern, muss die Fußbodenheizung in Zukunft mit einer zeitgemäßen „intelligenten“ Regelung mit geschlossenem Wirkkreis mit Rückkopplung ausgestattet werden. Das setzt auch eine zu 100% mess- und darstellbare Regelgröße, die Heizwassertemperatur voraus, die aus der im einem Steuergerät hinterlegten nutzerspezifischen Raumklima-Kennlinie abgeleitet wird.
Die Heizwassertemperatur ist von der jeweiligen Außentemperatur abhängig.
Statt der bisher gemessenen Luft-Temperatur wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem erfindungsgemäßen System zur Raumtemperatur-Regelung das vom Nutzer eingestellte Raumklima zur Führungsgröße. Diese Führungsgröße kann wegen ihrer Komplexität physikalisch nicht gemessen werden. Sie wird vom Nutzer beurteilt und vorgegeben.
Definition „Raumtemperatur“:
„Die Raumtemperatur oder Innentemperatur, ist eine zusammenfassende Temperaturgröße aus der örtlichen Lufttemperatur und den Strahlungstemperaturen der einzelnen Umgebungsflächen“.
Das Raumklima hat einen entscheidenden Einfluss auf das Wohlbefinden, die Gesundheit und Leistungsfähigkeit des Nutzers. Die thermischen Bedingungen im Raum sind maßgeblich dafür verantwortlich, dass ein hoher thermischer Komfort im Raum erreicht wird. Die wichtigsten, das Raumklima bestimmenden physikalischen Parameter sind: Die Lufttemperatur, die Wärmestrahlung der Raum-Umschließungsflächen wie Wände, Decken, Fußboden, Fenster, die Luftfeuchte, sowie die Luftgeschwindigkeit.
Alle Warmwasser-Fußbodenheizungen können mit der neuen Input-Regelung und der aus dem nutzerspezifischen Raumklima als Führungsgröße abgeleiteten Heizwassertemperatur als Regelgröße ausgestattet werden.
Für die Drossel-Regelung (Stand der Technik) ist der systembedingte technische Aufwand einer Input Regelung im Vergleich zum Nutzen zu groß.
Eine Alternative zur Drossel-Regelung als „Angebotsheizung“ (Stand der Technik) ist die Beimisch-Regelung wie in EP 2 950 006 B1 beschrieben, welche eine „Bedarfsheizung“ ist. Ein solches System zur Regelung einer Fußbodenheizung regelt die Temperatur des Heizwassers statt der Durchflussmenge, bzw. den Volumenstrom.
Jeder Raum der „Bedarfsheizung“ ist ein eigener Regelkreis mit Mischventil und Minipumpe, Durchflussmengenmesser und Temperaturfühlern. Dem Raum wird über das Heizwasser nur die Wärmemenge zugeführt, die tatsächlich gebraucht wird.
Definition Bedarfsheizung: Wärme wird vom Heizkörper angefordert.
Die Bedarfsheizung führt jedem einzelnen Raum über das Heizwasser nur die Wärmemenge zu, die tatsächlich gebraucht wird und vorher ermittelt wurde. Jeder Raum ist ein eigener Regelkreis mit Mischventil und Minipumpe. Das garantiert eine reaktionsschnelle Regelung mit geschlossenem Wirkungskreis (DIN 19226).
Nicht mehr notwendig sind systembedingt eine exakte Berechnung und Auslegung der Fußbodenheizung, hydraulischer Abgleich und die zentrale witterungsgeführte Gebäude-Regelung. Menschliche Unzulänglichkeiten werden durch diese neue Technik ersetzt. Statt den Räumen laufend Wärme über das Heizwasser zuzuführen, wird dem Wärmeverteilnetz des Gebäudes nur bei Bedarf einzelner Räume Wärme entnommen.
Die Beimisch-Regelung garantiert eine laufende Anpassung der Regelgröße an die Führungsgröße und ist somit eine echte Regelung mit geschlossenem Wirkkreis.
Der Kern der Erfindung beruht darauf, die dem Raum zuzuführende Wärme vor dem Raumeintritt zu regeln.
Erfindungsgemäß besitzt das System zur Raumtemperatur-Regelung ein Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, die Wärme im Heizungswasser jeden Heizkreises, so zu regeln, dass diese dem errechneten Raum-Wärmebedarf (Raumheizlast) entspricht, bevor sie in den Fußbodenheizkreis geschickt wird.
Dabei ist das Steuergerät dazu ausgebildet, den Raum-Wärmebedarf (Raumheizlast), der dem Raum zugeführt werden muss rechnerisch genau zu ermitteln. Dieser Wärmebedarf entspricht der vom Raum nach draußen abfließenden Wärme. Dieses Gleichgewicht hält die geforderte Raumtemperatur und somit die Raumtemperatur im Raumklima konstant.
Die dem Heizwasser zugeführte Wärme wird über den Kreis-Volumenstrom (kg/h) und die Temperaturdifferenz (K) zwischen Vor- und Rücklauf-Temperatur (°C) genau definiert und geregelt.
Die „Input-Regelung“ regelt die dem Raum-Wärmebedarf entsprechende Wärmemenge im Heizwasser direkt in Abhängigkeit der Außentemperatur, bevor das Heizwasser in den Fußbodenheizkreis des Raumes geschickt wird.
Der Raum-Wärmebedarf verändert sich systembedingt laufend in Abhängigkeit der Außentemperatur. Die Heizwassertemperatur, welche die zu regelnde Größe, also die Regelgröße darstellt, wird laufend in Abhängigkeit der Außentemperatur mit Werten der Heizkennlinie verglichen, welche in einem Steuergerät hinterlegt sind, sodass die Heizwassertemperatur laufend angepasst wird.
Diese laufende verzögerungsfreie Messung und Anpassung von Messgröße und Regelgröße definieren die Regelung mit geschlossenen Wirkkreis und Rückkopplung nach DIN 19226.
Die spätere Wärmeverteilung im Raum zwischen Konvektion und Strahlung ist von vielen Faktoren abhängig, für diese energieeffiziente Regelung jedoch nicht relevant.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.
Dabei zeigt:

1 das Prinzip Fußboden-Heizkreis am Wohnungsverteiler und
2 das Funktions-Diagramm der Heizkennlinien.

Bezugszeichenliste-.

1.: Rücklauf-Sammler
2.: Rücklauf-Absperrventil
3.: Rücklauf-Leitung zum Sammler
4.: Rücklauf-Bypass
5.: Vorlauf-Verteiler
6.: Vorlauf-Leitung vom Verteiler
7.: Mischventil
8.: Heizkreis-Pumpe
9.: Volumenstrommesser
10.: Temperaturfühler Vorlauf
11.: Vorlauf Heizkreis
12.: Temperaturfühler Rücklauf
13.: Rücklauf Heizkreis
14.: Steuergerät zur Info-Verarbeitung
15.: Signalleitungen Regelkreis
15`.: Signalleitungen Externe Informationen
16.: Heizschlange Fußbodenheizung
17.: Heizestrich
18.: Bodenoberfläche wärmeabgebend
19.: Wärmestrahlung
20.: Konvektion (Luftwalze)
21.: Raumluft
22.: Raum-Umschließungsflächen
23.: Außentemperatur-Fühler / Information
24.: Komfort-individuelle Wohlfühleinstellung

1 stellt einen Abschnitt eines typischen Wohnungsverteilers mit den entsprechenden Armaturen (1-6) dar.
Ein vom Verteiler (1) / Sammler (5) abzweigender Heizkreis (Raum), hier in Form einer Beimisch-Regelung besteht im Wesentlichen aus Mischventil (7), Minipumpe (8), Volumenstrommesser (9) und den Temperaturfühlern im Vor- und Rücklauf (10, 12).
Über die Signalleitungen (15`), die auch wlan- oder Funk-Verbindungen usw. sein können, wird dem Steuergerät (14) von draußen die aktuelle Außentemperatur, ggf. der Wetterbericht und andere Informationen wie Abwesenheitskennung usw. zugeführt.
Über die Signalleitungen (15) (auch wlan usw.) fließen die aktuellen Informationen der Regelung wie Heizwasserstrom vom Volumenstrommesser (9) und die Temperaturen von Vor- und Rücklauf (10, 12) in das Steuergerät (14) ein.
Alternativ zum Volumenstrommesser (9) kann die mess- und steuerbare Drehzahl der Minipumpe (8) auch eine genaue Angabe zum Volumenstrom (kg/h) geben und diese über die Signalleitung (15) an das Steuergerät (14) weitergeben.
Durch die Zuleitungen, Vorlauf (11) und Rücklauf (13) fließt bereits geregeltes Heizungswasser (Volumenstrom und Temperatur) in die Heizschlange (16) der Fußbodenheizung. Das Rohr ist die Heizfläche, die die Wärme durch den Estrich (17) an die Bodenoberfläche (18) leitet. Diese gibt die Wärme über Strahlung (19) und Konvektion (20) an die Raumluft (21) und die Raumumschließungsflächen (22) ab.
2 stellt im Wesentlichen das in dem Steuergerät (14) hinterlegte Funktionsdiagramm für jeden einzelnen Raum dar.
Neben spezifischen Raumdaten wie Raumnutzung, DIN-Raumtemperatur und Raumfläche fließt auch die aktuelle Außentemperatur AT (23), ggf. der Wetterbericht, Einstellungen zu Absenkbetrieb bei Abwesenheit und die individuell einstellbare, dem Raumklima entsprechende Komforteinstellung KO (24) ein.
Im Diagramm sind die Außentemperatur (ta min) auf der Y-Achse und die spezifische Heizlast des Raumes (W/m²) auf der X-Achse dargestellt. Parallel zu der unteren X-Achse ist in der oberen waagerechten Achse die mittlere Heizwassertemperatur (tm °C) dargestellt, der in diesem Beispiel der spezifischen Heizlast (W/m²) entspricht und in dem Steuergerät (14) hinterlegt ist.
Die zwei Heizkennlinien haben unterschiedliche Funktionen. Die Heizkreiskennlinie 1 entspricht der errechneten spezifischen Raumheizlast für die der Klimazone entsprechende Auslegungstemperatur ta min -16°C, oder einer anderen spezifischen Größe, wie Gebäudeheizlast aus dem Wärmeschutznachweis.
Für den hier mit 50 W/m² angenommen Wert ist in dem Steuergerät (14) eine mittlere Heizwassertemperatur von 37°C bei Auslegungstemperatur -16°C hinterlegt. Die Heizkennlinie 1 wird auch Basiskennlinie oder Referenzkennlinie genannt.
Die Heizkreiskennlinie 2 ist die Komfort- oder Raumklima-Kennlinie.
Da das Raumklima insgesamt nicht gemessen werden kann, stellt der Nutzer seine individuelle Kennlinie ein. In dem Beispiel aus 2 wünscht der Nutzer einen höheren Wärmeeinsatz und wählt einen höheren Wert, der der spezifischen Raumheizlast von 65 W/m² entspricht. Im Steuergerät (14) ist die dazugehörige mittlere Heizwassertemperatur von 41,5°C hinterlegt. Diese Werte sind für das Regelventil (7) relevant. Die raumweise Temperaturspreizung delta t (K) und der Volumenstrom des Heizkreises (kg/h) sind bekannt und in dem Steuergerät (14) hinterlegt. Die Vorlauf-Temperatur, die hier der mittleren Heizwassertemperatur von 41,5°C entspricht, wird zur Messgröße und von dem Steuergerät (14) mit der Regelgröße „Vorlauf-Temperatur“ über den Temperaturfühler (10) laufend gemessen, verglichen und angepasst.
Den Unterschied zwischen den beiden Kennlinien kann der Nutzer laufend abfragen. So kann er nicht nur den absoluten momentanen Raum-Wärmeverbrauch erkennen, sondern auch den Heizmehr- oder Minderverbrauch der durch die Wahl seiner individuellen Komfort- oder Raumklima-Kennlinie entsteht.
Bei der Wahl einer Komfortkennlinie mit einer niedrigeren spezifischen Raumheizlast wird die Höhe des Minderverbrauchs und der Energieeinsparung durch die Differenz zwischen den beiden Kennlinien dargestellt.
Ein psychologischer Energiespareffekt ist die Tatsache, dass der Nutzer nach einer Ausführung laufend den absoluten Wärmeverbrauch, den Unterschied zwischen der Referenz-Kennlinie 1 und der von ihm gewählten Komfort-Kennlinie 2 für jeden Raum mitgeteilt bekommt. Es kann z.B. der Mehrverbrauch, der sich aus der Differenz aus der spezifischen Heizlast 50 W/m² und 65 W/m² ergibt, sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2950006 B1 [0015]

Claims

System zur raumweisen Input-Regelung für einer Fußbodenheizung oder Flächenheizung umfassend eine Regeleinheit bestehend aus Mischventil (7), Heizkreispumpe (8), Volumenstrommesser (9), Temperaturfühler für Vorlauf (10) und Rücklauf (12), gekennzeichnet durch ein Steuergerät (14), welches die an den Raum abzugebende Wärme des Heizwassers bzw. Heizmediums, die der errechneten Raumheizlast (Wärmebedarf) entspricht, vor dem Raumeintritt des Heizwassers bzw. Heizmediums in den Fußbodenheizkreis regelt.
System nach Anspruch 1, wobei die Regelgröße die Raumtemperatur aus Temperatur der Raumluft und der Raumumschließungsflächen, als Teil des individuellen Raumklimas ist, das dem subjektiven Nutzerempfinden entspricht und von diesem über eine Eingabe steuerbar ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät (14) dazu ausgebildet ist, die Außentemperatur in die Raumtemperatur-Regelung mit einzubeziehen, wobei die Heizungsanlage mit nicht vorgeregeltem Heizwasser betrieben werden kann, um somit die Kosten auch bei haustechnischen Anlagen mit dezentraler Brauchwarmwasser-Bereitung zu reduzieren.
System nach Anspruch 1, zur raumweisen Regelung, dadurch gekennzeichnet, dass die Input-Regelung eine Regelung nach DIN19226 mit geschlossenem Wirkkreis und Rückmeldung entspricht, die Außentemperatur mit einbezieht und somit auch die Forderungen der GEG 2020 §61 und §63 erfüllt.
System zur Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (14) die sich in Abhängigkeit der Außentemperatur laufend verändernden Werte der beiden Heizungskennlinien, der Basis- oder Referenzkennlinie und der Raumklima- oder Komfortkennlinie im Betriebszustand laufend vergleicht, und die Unterschiede zu Mehrverbrauch und Energieeinsparung als transparente Verbrauchsinformation raumweise ausgibt.
System zur Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das Steuergerät (14) dazu ausgebildet ist, neben der spezifischen Raumheizlast aus der Heizlast-Berechnung nach DIN EN 12831 auch die Gebäudeheizlast aus dem Wärmeschutznachweis oder der Effizienzhaus-Stufe (kfw) anzunehmen.