DE2146349A1

DE2146349A1 - Verfahren und vorrichtung zum elektrischen heizen von raeumen mittels einer kombination aus direkt- und speicherheizung

Info

Publication number: DE2146349A1
Application number: DE2146349A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Trebuth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-09-13
Filing date: 1971-09-13
Publication date: 1973-03-22

Description

Verfahren und Vorrichtung zum elektrischen Heizen von Räumen mittels einer Kombination aus Direkt- und Speicherhe izung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrischen Heizen von Räumen mittels einer Kombination aus Direkt- und Speicherheizung, wobei der Speicherheizung nur während einer vom Energie-Versorgungs-Unternehmen (im folgenden EVU abgekdrzt) aufgrund der Lastverhältnisse im Netz festgelegten Freigabe-zeit in der Nacht elektrische Energie zur Verfügung steht.
Bei einem Elektro-Heizungssystem, das sowohl fUr das EVU als auch für den Kunden im wirtschaftlichen Optimum betrieben werden kann, muß das Nachtspeichergerät erheblich verkleinert werden, und die fehlende Wärmeenergie wird dann am Tage mittels Direkt-Heizgeräten, die während der Spitzenlastzeiten ausgeschaltet sind, nachgeliefert.
Die etwas erhöhten Betriebskosten durch den Tages-Hochtarif für die Direktheizgeräte werden mehr als aufgewogen durch die geringeren Investitionen für dieses Heizungssystem.
Erst durch eine erhebliche Verkleinerung der Nachtspeichergeräte, doh. einer Verkleinerung der vom EVU vorzuhaltenden Leistung einerseits und den Mehreinnahmen durch die Tages-Direktheizung andererseits werden Investitionen im Netz für das EVU lohnend. Als Elektro-Heizung hat bisher besonders die Nachtspeicherheizung Verbreitung gefunden. Der Gebrauchswert der Speichergeräte der Bauart III mit der steuerbaren Entladung durch Lüfter ist mit ihrer automatischen Raumtemperatur-Regelung aus der Sicht des Anwenders kaum mehr zu steigern.
Bei der bekannten Nachtspeicherheizung mit 8 Stunden-Aufladung muß das Speichergerät so groß gewählt werden, daß der gespeicherte Wärmevorrat für den zu erwartenden kältesten Tag der entsprechenden Klimazone ausreicht. Nachteile des Nachtspeichergrätes sind somit seine Baugröße, sein ungünstiges Gewicht (sie werden deshalb von manchen Architekten abgelehnt) und damit auch sein Preis und für das EVU sein hoher Anschlußwert.
Um das Nachtlasttal aus verschiedenen Gründen auffüllen zu können, propagierten die EVU die Nachtspeicherheizung zu einem besonders niedrigen Tarif (NT 5 Niedrig-Tarif). Voraussetzung war, daß wegen der Heizlast keinerlei zusätzliche Investitionen erforderlich wurden.
Die Nachfrage an Elektro-Heizungsanlagen ist aber in den letzten Jahren derart gestiegen, daß der Rahmen, der anfangs für die Nachtspeicherheizung abgesteckt war, dadurch gesprengt wird. Immer mehr EVU sehen sich darum gezwungen, Neuzulassungen von Speicherheizungsanlagen abzulehnen, weil die Reserven im Netz weitgehend aufgebraucht sind.
Es sind schon verschiedene Wege beschritten worden, um die Nachteile der ausschließlichen Nachtspeicherheizung abzuschwächen. Aber jede Verringerung des Anschlußwertes ist gleichbedeutend mit einer Verlängerung der Einschaltdauer huber 8 Stunden hinaus, d.h., es ist am Tage entweder eine Nachladung des verkleinerten Speichergerätes oder ein zusätzlicher Einsatz von Direktheizgeräten in irgend einer Form erforderlich.
Die Größe des Speichergerätes kann auf 80* reduziert werden bei der Speicherheizung mit 2-stündiger Tagesnachladung (Aufladung (8+2) h). Die Nachladung erfolgt im Mittags-Lasttal. Da bei verschiedenen EVU das Mittags-Lasttal sich zunehmend mit Allgemeinlast ausfüllt, können auch hier Neuzulassungen vielfach nicht mehr genehmigt werden.
Die Größe des Speichergerätes kann ebenfalls auf etwa 85% reduziert werden, wenn in seinem Luftkanal ein Heizstab als Direkt-Zusatzheizung zum Hoch-Tarif eingebaut wird.
Da dieser Direktheizstab keinen eigenen Lüfter besitzt, kann er erst in Betrieb genommen werden, wenn die aus dem Speicher mit Lüfter geförderte Wärmemenge nicht mehr zur Aufrechterhaltung der Raumtemperatur ausreicht. Da diese Zusatzheizung praktisch nur in der Nachmittags-Lastspitze und abends eingeschaltet werden kann1 sind bei einem EW auch diese Speichergeräte mit Zusatzheizung nicht mehr zugelassen.
Die Größe des Speichergerätes könnte erheblich reduziert werden, wenn das Speichergerät auch am Tage erheblich länger als nur 2 Stunden nachgeladen werden könnte bei Ausklammerung der Tageszeiten mit LastspitzenO Bei der bekannten Teilspeicher - oder Pendelspeicherheizung wird das Heizgerät am Tage abwechselnd als Speichergerät und als Direktheizgerät benutzt (Sonderanfertigungen). In den Sperrzeiten des Direktheizgerätes soll das Gerät die gespeicherte Wärme liefern, in den Freigabezeiten soll das Gerät gleichzeitig Wärme in den Raum liefern und wieder Wärme für die nächste Sperrzeit speichern Diese Konzeption hat ebenfalls erhebliche Nachteile. Sie fordert ztB. die Festlegung der Sperrzeiten und der Länge der dazwischen liegenden Freigabezeiten. Die Änderung des einmal festgelegten Ablaufes würde auch eine Änderung des Gerätes nach sich ziehen.
Wieder einen anderen Weg versucht ein süddeutsches EVU zu gehen. Das Speichergerät wird erheblich verkleinert und der fehlende Anteil wird durch Direktheizgeräte gedeckt, die ebenfalls hauptsächlich des Nachts eingeschaltet werden0 Am Tage ist für die wenigen sehr kalten Tage ein Einschalten der Direktheizgeräte von maximal 2 Stunden vorgesehen, alles zum Nieder-Tarif. Die Einschaltdauer der Speicher- und Direktheizgeräte des Nachts wird witterungsabhängig vom EVU mittels TR-Signal gesteuert. Aus der Sicht des EVU ist diese Betriebsweise sehr ähnlich einer Speicherheizung mit Tages-Nachladung.
Diese Heizungsanlage kann wirtschaftlich für das EVU ebenfalls nur dort betrieben werden, wo im Netz noch Reserven vorhanden sind. Das Heizen des Nachts mit Direktheizgeräten steht ferner im Gegensatz zu den Lebensgewohnheiten der meisten Menschen und der allgemeinen Auffassung, daß es am angenehmsten ist, wenn die Zimmertemperatur des Nachts abgesenkt wird. Dieser Auffassung bedient sich auch die Propaganda für die zahlreichen automatischen Aufladesteuerungen mit Witterungsfühler.
Da besonders bei der Speicherheizung mit 8-Stunden-Aufladung in der Mehrzahl der Heiztage die erforderliche Ladeenergie kaum 50% des Speichervermögens ausmacht, sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Betriebsweisen möglich: a) entweder das stets am Morgen voll aufgeladene Gerät wird am Tage kaum zur Hälfte entladens Wegen der unnötig hohen Kerntemperatur wird hier vom wAufschaukeln n des Speichergerätes gesprochen; ferner ist durch die hohe Kerntemperatur die statische Entladung des Gerätes über seine Oberfläche des Nachts größer als zur Aufrechterhaltung der des Nachts gewünschten abgesenkten Raumtemperatur erforderlich wäre. Man spricht in diesem Zusammenhang von Verlustwärme.
b) oder durch eine irgendwie gestaltete Aufladesteuerung wird der Speicher immer nur soviel aufgeladen, daß der Wärmebedarf des kommenden Tages gedeckt ist. Im Speichergerät verbleibt abends immer nur ein nicht verwertbarer Restbetrag an Wärme der meßtechnisch durch einen Restwärmefühler erfaßt wird. Die Lademenge für den kommenden Tag, welche gleichbedeutend ist mit der Ladezeit in der Nacht, wird im Zusammenwirken mit einem außen am Haus angebrachten Witterungsfühler bestimmt0 Die meisten automatischen Aufladesteuerungen haben einen Korrekturschalter, der vom Kunden von Hand "nach Gefühl" höher gestellt werden muß, wenn aufgrund eines Kälteeinbruches die aufgespeicherte Wärmemenge nicht ausreichte, denn mittels Witterungsfühler ist noch keine Wettervorhersage möglich. Der Kunde glaubt, den Korrekturschalter dann richtig eingestellt zu haben, wenn die Lademenge stets einen entsprechend großen Sicherheitsbetrag beinhaltet (teilaufgeschaukelt), so daß auch bei plötzlichen größeren Kälteeinbrüchen eine zusätzliche Wärmemenge aus der Reserve beigesteuert werden kann. Die Propaganda sagt, eine Aufladeautomatik rentiere sich wegen der Vermeidung der Verlustwärme.
Die Rentabilität verringert sich aber durch den ständig emitgeschleppten Sicherheitsbetrag." Ein Nachteil der automatischen Aufladesteuerungen im allgemeinen ist durch die Vielzahl der unterschiedlichen Systeme gegeben. Da die Speichergeräte durch Zusatzeinrichtungen dem jeweiligen System angepaßt wurden, sind die Geräte verschiedener Systeme nicht austauschbar, was im Störungsfalle eine schnelle Reparatur durch den örtlichen Installateur sehr erschwert.
Wird die Ladezeit von Speichergeräten aufgrund einer Wettervorhersage vom Metereologischen Institut mittels TR-Signal vom EVU vorgegeben, dann wird die genaue Ladezeit um etwa 20> verlängert. Dies ist erforderlich, um sowohl unterschiedliches Kleinklima, als auch differierende Kundenwünsche voll zu berücksichtigen; dadurch wird aber ein Teil der Speichergeräte aufgeschaukelt, was wieder entsprechende Verlustwärme bedeutet.
Aus der geordneten Jahres-Dauerlinie der mittleren Tages-Außentemperatur ist zu entnehmen, daß für 90% bis 95 % der in einer Heizperiode benötigen elektrischen Arbeit bereits ein Speichergerät von etwa halber Leistung (bezogen auf ein Speichergerät bei maximal 8-Stunden-Aufladung) ausreichen würde, Für die obigen 9 4 und einen auf den Nieder-Tarif bezogenen, doppelt so hohen Tages-oder Hoch-Tarif ergäbe das eine Steigerung der Betriebskosten von 10% ( für obige 95 % eine Erhöhung von 5 %).
In dem BuchsAktivierung und Planung von Netzen für allelektrische Versorgung", herausgegeben von der VDEW (1970), teilt eine Arbeitsgruppe das Ergebnis ihrer wirtschaftlichen Berechnungen mit; sie kommt, unter der Voraussetzung, daß auch in Küche und Bad eine Kombination aus Speicher- und Direktheizung eingebaut werden1 zu einem wirtschaftlich optimalen Leistungsverhältnis von 3 ki Speicher- zu 2,7 kW Direktheizung. Dieses Verhältnis kann aber wegen unterschiedlicher Gegebenheiten bei den einzelnen EVU etwas differieren0 Für die Zusammenarbeit von Speicher-und Direktheizgeräten ist eine automatisch wirkende Entladeregelung erforderlich.
Der Aufwand für eine denkbare und von der Arbeitsgruppe im Prinzip angegebene automatische Entladeregelung ist so erheblich, daß die Wirtschaftlichkeit des Heizungssystems für den Kunden zumindest stark gefährdet ist.
Eine Entladeautomatik muß stets so regeln, daß abends zum Ladebeginn des Speichergerätes (nicht früher oder später) dieses leer ist und zwar unabhängig von der Witterung und unabhängig von der am Raumthermostaten eingestellten Raumtemperatur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelungssystem zu schaffen, das es ermöglicht, eine kombinierte Speicher-Direktheizung auch ftir den Kunden wirtschaftlich und bequem zu betreiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein aufgrund der Wettervorhersage für den nächsten Tag angegebener Heizgradwert am Regler der kombinierten Heizung etwa zu Beginn der Freigabezeit eingestellt wird, wobei dieser Heizgradwert die Aufladedauer der Speicherheizung in der Nacht und gegebenenfalls die Dauer der ge samten Energieaufnahme der mit der Speicherheizung verriegelten und zu dieser in einem festen Leistungsaufnahmeverhältnis stehenden Direktheizung am folgenden Tag derart festlegt, daß der bei Beginn einer dieser Aufladedauer folgenden Aufladedauer gemessene, dem Wärmeinhalt der Speicherheizung entsprechende Rest-Heizgradwert etwa Null beträgt.
Bei Einhaltung der Nebenbedingung, daß die Summe der täglichen Sperrzeiten fllr die Direktheizgeräte 5 Stunden beträgt, die von dem EVU einzuhalten ist, ergibt sich ein für alle EVU konstantes, d.h. unabhängig von der Klimazone betriebstechnisch optimales Leistungsverhältnis von 3kW Speicher- zu 1,59 kW Direktheizung. Gegenüber einem den Wärmebedarf des Raumes genau angepaßten,theoretisch denkbaren Speichergerät für 8-Stunden Aufladung beträgt der verwertbare Wärmeinhalt des Speichergerätes dieser kombinierten Heizung nur noch 53 *. Da aber das Ergebnis einer Wärmebedarfsrechnung nach DIN 4701 sehr selten mit einer vorhandenen Typengröße des Speichers übereinstimmt, muß das nächst-größere Gerät gewählt werden. Um sowohl die Thermorelais der Speichergeräte als auch die Regler der Direktheizgeräte mit einheitlichen Heizgradwert-Skalen bestücken zu können (zumindest innerhalb der gleichen Klimazone), ist unter Einbeziehung der schon vorhandenen Speichergrößen von 2,3 und 4,5 kW der Anschlußwert der Speichergeräte so gestaffelt, daß der nächste Wert immer um etwa 10% größer als der vorhergehende, kleinere ist.
Der prozentuale Anteil des Speichergerätes schwankt dann zwischen 53% bis 60%, bezogen auf den theoretisch denkbaren Wert eines passenden Speichergerätes für 8-Stunden-Aufladung.
Ausgangspunkt für die Umrechnung sind 17000 kcal verwertbare Wärmemenge für ein 3 kW Speichergerät. Un die Typenreihe nicht zu groß zu machen, erhält jeder Speicher Anschlüsse für zwei benachbarte Anschlußwerte. Es ergibt sich folgende Reihenfolge:

kcal 8 500 1 10 300 12 500 15 100 18 700 22 600

b) kW 1,5 1,82 2,2 2,66 3,3 4,0

c) koal 9 400 11 400 13 700 17 000 20 600 25 000

d) kW 1,65 2,0 2,42 3,0 3,63 4,5

Die schon vorhandenen Größen von 2,0 ; 3,0 und 4,5 kW erhalten die zugehörigen Anzapfungen von 1,82 kW; 2,66 kW und 4kW (Zeile b). Die übrigen Werte der Zeile d) sind die zu schaffenden Zwischengrößen mit den entsprechenden Anzapfungen der Zeile b). Die Speichergeräte von 3ki und größer sind wärmeisoliert nach Gruppe A. Um den prozentualen Anteil der statischen Ladung, bezogen auf die Gesamtlademeng. gleichzuhalten, sind die kleineren Typen (2,42 kW und kleiner) in der Wärmeisolation entsprechend besser auszuführen, jedoch höchstens nach Gruppe B.
Der Wärmeinhalt des Speichergerätes wird mittels Thermoelement und Milliampèremeter derart in Heizgradwerten angezeigt, daß bei ordnungsgemäßer Aufladung morgens die Instrumenten-Anzeige mit dem abends am Thermorelais eingestellten Heizgradwert HW übereinstimmt. Die Anzeige: OHW gehört zu der niedrigen Kerntemperatur, die der nicht verwertbaren Restwärme entspricht. Ist zum Ladebeginn, d.h. etwa um 2200 Uhr, noch eine Anzeige von z.B, 1,5 HW vorhanden, dann ist dies der individuelle Korrekturwert, um den der zugehörende Regler künftig niedriger gestellt wird als der "amtliche" Heizgradwert.
In den Monaten der Übergangszeiten, wenn die zu erwartende mittlere Tagesaußentemperatur höher als +1 bis 20C ist, werden die Direktheizgeräte nicht mehr eingeschaltet und für den entsprechend kleinen Heizgradwert werden auch die Speichergeräte in der Freigabezeit weniger als 8 Stunden aufgeladen. Mit der Verstellung der Ansprechtemperatur des Thermorelais entsprechend dem Heisgradwert, kann in einfacher Weise ein Zeitglied derart gekoppelt sein, daß die Ladedauer automatisch richtig entweder an den Anfang, an das Ende,oder in die Mitte der Freigabezeit gelegt wird.

Aus dem betriebs technisch optimalen Leistungsverhältnis von ) kW Speicher- zu 1,59 Direktheizung ergeben sich folgende zu den Speichergeräten obiger Tabelle passende Anschlußwerte der Direktheizgeräte:

Speicher-Nenn- kW 1,5 1,82 2,2 Ó, 3 t 14t

Ans chlußwert 1,65 2,0 2,42 3 w O | 13 , 63

v

Direkthe iz-

064 0,71 0

gerät (Halb- kW 0t 0,7t, °.t 0,53 °§t 1

- /0,4 ' /o, fi3 B

lastwert

Halblastwert bedeutet, daß der Anschlußwert der Direktheizgeräte in 2 Hälften aufgeteilt ist und daß jede Hälfte noch entsprechend den Werten obiger Tabelle gestuft ist, d.h. das Direktheizgerät hat 5 Anschlußenden. Diese Mittelanzapfung wurde erforderlich wegen der "regeltechnischen Halbierung der Anschlußwerte, um in der Umgebung keine störenden Lichtschwankungen zu verursachen, wenn statt eines mechanischen Reglers mit seiner Spieldauer von 1 Minute in Zukunft auch Thyristoren mit Schwingungspaket-Steuerung mit einer Spieldauer von 2 bis 4 Sekunden verwendet werden.

Es ist völlig belanglost welcher Art die Direktheizgeräte sind. Sind es n.B. Heizlüfter, so erscheint es am zweckmäßigsten, diese gemeinsam mit dem Speichergerät in einem Gehäuse unterzubringen, zusammen mit dem Regler und dem Schaltrelais.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch den diesem pseudo-automatischen Regelungssystem innewohnenden Zwang zur technischen Optimierung die Speichergeräte um das größtmögliche Maß verkleinert werden können. Da außerdem die Speicher-und die Direktheizgeräte gegeneinander elektrisch verriegelt sind, d.h. die Direktheizgeräte nur einschaltbar sind, wenn die Speichergeräte ausgeschaltet sind, und umgekehrt, werden die Investitionen für eine allelektrische Versorgung für das EVU auf ein nicht mehr unterschreitbares Minimum gesenkt.
Für den Kunden werden die Ersparnisse durch die Verkleinerung der Speichergeräte zwar wieder geschmälert wegen der Kosten für die Direktheizgeräte, Regler und zusätzlicher Installation, trotzdem hat dieses Heizungssystem auch filr den Kunden Vorteile, obwohl ihm zugemutet wird, abends den Wetterbericht zu hören und die Regler zu stellen.
Weiter, mit der Erfindung erzielbare Vorteile sind: a) Die Heizgeräte sind in Baugröße und Gewicht wesentlich verkleinert.
b) FUr die pseudo-automatische Regelung ist weder eine Aufladeautomatik noch eine Entladeautomatik erforderlich.
c) Der Regler für die Direktheizgeräe ist einheitlich für jede Typengroße und einheitlich mit den gleichen Heizgrad wert-Skalen bestückt (allerdings abhängig von der jeweiligen Klimazone) Die Speichergeräte haben deshalb ebenfalls einheitliche Heizgradwert-Skalen.
d) Sämtliche Fabrikate sind einheitlich, d.h. gegeneinander austauschbar.
e) Die Einstellung der Raumtemperatur am Regler ist unabhängig von der Einstellung des Heizgradwertes, sie m<iß aber mit der Temperatureinstellung am Raumthermostaten für das Speichergerät übereinstimmen.
Die Übereinstimmung ist durch das Aufleuchten von Kontrollampen gekennzeichnet.
f) Der individuelle Korrekturfaktor für die Heizgradwert-Einstellung muß nicht erraten werden, sondern ergibt sich aufgrund einer einzigen fehlerhaften Einstellung abends als Anzeigewert des Instrumentes für die Messung der Restwärme g) Der Kunde braucht sich um die Sperrstunden der Direktheizgeräte nicht zu kümmern.
h) Wegen der regeltechnischen Halbierung der Anschlußwerte der im aussetzenden Betrieb arbeitenden Direktheizgeräte treten keine bemerkbaren Lichtschwankungen bei Glühlampen auf.
Außer der erheblichen Senkung der Investitionen für dieses Heizungssystem ergeben sich für das EVU noch folgende spezielle Vorteile: a) Wegen der relativ langen Sperrzeit der Direktheizgeräte von etwa 5 Stunden, die aber verschiedentlich im Dezember benötigt werden, ist dieses psæ do-automatische Regelungssystem auch in ländlichen Bezirken, wo eine Steuerung mit TR-Signal technisch schwer möglich ist, mit Schaltuhren zu betreiben.
b) Werden bei entsprechend kleinen Heizgradwerten die Speichergeräte nicht mehr 8 Stunden aufgeladen sondern kürzer, dann kann mit einem Zeitglied, das mit der Heisgradwert-Einstellung des Thermorelais gekoppelt ist, die Ladedauer auch an das Ende oder in die Mitte der 8 Stunden-Freigabezeit gerückt werden.
Unabhängig von dieser Verschiebung innerhalb der Freigabezeit berücksichtigt das Zeitglied noch den Restwärmebetrag. Bei einem ausnutzbaren Restwärmebetrag von z.B. 1 Grad HW ergäbe sich eine zusätzliche Einschaltverzögerung von etwa 20 Minuten.
Tritt während der Ladezeit eine Störung mit Abschaltung auf, dann würden beim Wiedereinschalten des Leitungsabschnittes sämtliche Speichergeräte sofort einschalten. Um diesen Laststoß zu vermeiden, ist durch eine kleine Zusatzeinrichtung zu erreichen, daß die Speichergeräte zeitlich nach einander statistisch verteilt innerhalb von z.B. 5 Minuten wiedereinschalten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Bekchnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltung für die regeltechnische Halbierung des Anschlußwertes der Direkt-Heizgeräte Fig. 2 einen Schnitt eines Konstruktionsentwurfes eines mechanischen Reglers mit regeltechnischer Halbierung, Fig. 3 eine Rückansicht des Reglers nach Fig. 2, Fig. 4 eine Draufsicht des Reglers nach Fig. 2, Fig. 5 ein Prinzip-Scllaltbild für die Raumtemperatur-Einstellung, Fig. () ein weiteres Prinzip-Schaltbild für die Raumtemperatur-Einstel 1 ung, Fig. 7 ein Prinzip-Schaltbild fllr das Zeitglied, Fig. 8 ein weiteres Prinzip-Schaltbild für das Zeitglied.
Bild 1 zeigt, wie die Aufteilung des Anschlußwertes eines Direktheizgerätes 29 möglich ist. Dabei sind 30 und 31 die beiden Hälften des Direktheizgerätes mit den beiden Anschlußmöglichkeiten 30a, 30b und 31a, 31b, 5 der umlaufende Kontaktarm mit den beiden Nocken 32 (EIN) und 33 (AUS) und 34 das Kipprelais zum-Schalten des Direkt-Heizgerätes 29 mit einer Quecksilber-Schaltröhre.
Der Standort der Nocke 33 ist mit Hilfe der Heizgradwerteinstellung veränderlich. In geringem Maße ist auch die Nocke 32 zwecks Einstellung der gewünschten Raumtemperatur um den Mittelwert + 200C veränderlich.
Für Klimazone zwei (z.B. Berlin) gelten folgende Heizgradwert-Skalen Speichergerät von O bis 18,6 HW Direktheizgerät von 18,6 bis 35 HW.
Ist das Direktheizgerät 29 ausgeschaltet, dann steht die Nocke 33 sehr dicht bei der Nocke 32 (Heizgradwert etwa 18,6 HW). Wird der Heizgradwert höher gestellt, dann wird sofort das Direktheizgerät und das Regel organ 35 mittels Schalter 1 eingeschaltet. Es brennt die rote Kontrollampe 36 und der Motor 37 mit Untersetzungsgetriebe bewegt den Kontaktarm 5. Schon bei etwa Skalenmitte (d.h. 3518.6 + 18,6 = 26,8 EN) nähert sich die Nocke 33 wieder der Nocke 332 (Einschaltdauer ED fast 100 %) und dem Schalter 2, der die Quecksilber-Schaltröhre überbrückt (jetzt beträgt ED = 100 top für Hälfte 30 des Direktheizgerätes 29). Bei Verstellung nach höheren Heizgradwerten als 11W 2fJ,8 wird die Nocke 33 an Nocke 32 vorbeigeführt und der Umschalter 3 betätigt.
Über das Kipprelais j4 ist jetzt Hälfte 31 des Direktheizgerätes 29 eingeschaltetb wieder bei kleiner ED beginnend.
Nähert sich die Nocke 33 zum zweiten Mal der Nocke 32, dann wird bei etwa HW 35 der Schalter 4 eingeschaltet und die Quecksilber-Schaltröhre wird abermals überbrückt.
In Fig. 2, 3 und 4 ist der Konstruktionsentwurf eines Reglers mit Nockenscheiben in verschiedenen Ansichten dargestellt, der die Bedingungen des soeben beschriebenen Schaltbildes nach Fig. 1 erfüllt. Sämtliche Thyristor-Regler mit Schwingungspaket-Steuerung müssen dieselben Bedingungen erfüllen.
Um den Bedienungsknopf 38 für Raumtemperatur und den Bedienungsknopf 39 für den Heizgradwert verstellen zu können, müssen sie gegen die Kraft der Federn 12 eingedrückt werden. Dadurch kommt der feingeriffelte Konus 11 außer Eingriff zu seinem Gegenstück. Diese Anordnung ist erforderlich, um ein unbeabsichtigtes Verstellen der Skalenwerte beim Betätigen der Schalter 1 bis 4 (vergl. Fig. 1) zu verhindern.
Das Potential der Nocke 33 ist nach außen über eine feindrSlEge Litze geführt, die in der Buchse des Zahnrades 14 zu einer Spirale 40 gewickelt ist, die sich beim Verstellen der Nocke 33 entsprechend auf- oder zuwickelt. Außen am Schwenkhebel der Nocke 33 sitzt die Nase 7, mit der werden über Zwischenglieder und Federn die Schalter 1 bis 4 geschaltet.
Es sind z. B. sogenannte Mikro-Schalter, die als einpolige Wechsler bis 10A und 259V gebaut werden.
Die Stößel der Schalter 2 und 3 werden mittels der Federn 16 und 17 (Fig. 3) und z.B. der Schalter 1 mit der Feder 10 (in Fig. 4 angedeutet) betätigt. Die Federn der Schalter 1 und 4 werden ihrerseits mittels des Schaltbägels 9 (Fig.4) bewegt, der mit der Schraube 21 (Fig.2) zentral etwas beweglich gehalten wird. Die Federn 16 und 17 der Schalter 2 und 3 werden mittels der speziell geformten Schaltnocken 15a und 8a in zwei definierten Raststellungen gehalten. Damit sind auch die beiden Grenzlagen der mit diesen Schaltnocken starr verbundenen ungleichschenkeligen Winkelhebel 15 und 8 festgelegt (gestrichelt angedeutet in Fig.3). Die Nocke 8a und der Winkelhebel 8 z.B. sind mittels der Hülse 22 und dem Bolzen 23 fest miteinander auf einen bestimmten Abstand verbunden (Fig.4).
Die Hülse 22 ist in einer Bohrung der Schwenkplatte 24 drehbar gelagert und der Abstand des Winkelhebels 8 bzw.
der Schaltnocke 8a zur Schwenkplatte 24 ist durch die Distanzhülsen 25 und 26 festgelegt. Um ein Verkanten und damigS chwergängigkeit zu verhindern, ist der Bolzen 23 noch in einer Bohrung der die Stehbolzen 19 verbindenden Platte 27 geführt.
Mittels der Buchse 28 (Fig.4) ist ein Stufenschalten 41a (Fig.5) gekoppelt, wie er für die Übereinstimmung der Einstellung des Reglers 42 für das Direktheizgerät mit dem Raumthermostaten 43 des Speichergerätes 44 nach Fig.5 oder aber ein Potentiometer 45a nach Fig.6 erforderlich ist.
Wird das Kipprelais 34 durch einen Triacs ersetzt, dann ist für die Steuerelektronik des Triacs eine Kleinspannung ( z.B.l2V) erforderlich, mit der auch noch eine Brückenanordnung, bestehend aus dem Potentiometer 45a am Regler 42, das über die Buchse 28 bewegt wird und von einem mit dem Verstellknopf des Raumthermostaten gekoppelten Potentiometer 43b gespeist wird. Ist bei übereinstimmender Einstellung beider Potentiometer 45a, 45b die BrUcken-abgleichspannung zwischen den Potentiometerschleifen gleich Null, dann brennen die beiden brühen Kontrollampen 46,47.
Fig.7 zeigt das Prinzip-Schaltbild für ein Zeitglied mit folgenden Eigenschaften: a) Selbst wenn alle am Netz angeschlossenen Speichergeräte 44 auf den höchsten Heizgradwert eingestellt sind, werden zu Beginn der Freigabezeit nicht alle Speichergeräte schlagartig eingeschaltet, sondern unterschiedlich mit Zeitverzögerung, die proportional der verwer -baren Restwärme ist. FUr das gewählte Beispiel mit einer höchsten Heizgradwerteinstellung von 18,6 H ergibt sich je Heizgradwert Restwärme eine Einschaltverzögerung von etwa 20 bis 25 Minuten. Zusätzlich ergibt sich noch eine weitere Einschaltverzögerung von (z.B.) maximal 5 Minuten nach Punkt c).
b) Bei Heizgradwerten unter dem Höchstwert, d.h.
z.B. unter 18,6 Hw, kann das Zeitglied so eingestellt werden, daß die Ladedauer des Speichers entweder an das Ende,(Kontakt 50), in die Mitte (Kontakt 49), oder an den Anfang (Kontakt 48) der Freigabezeit gerückt wird. Diese Einstellung ist dem Kunden entzogen.
Ijnabhängig davon erheben sich noch zusätzliche Einscilaltverzögeruncen nach Punkt a) und c).
c) Tritt etwa in der Mitte der Freigabezeit eine Störung von vielleicht ein bis zwei Stunden auf, z.B. Ringkabelfehler, der eine Verlegung der Ring-Trennstelle erfordert, dann würden nach Wiederkehr der Spannung sämtliche am Netz angeschlossene Speichergeräte 44 sofort einschalten. Dies wird aber verhindert durch einen Kontakt 51, der in Abständen von z.B.
5 Minuten nur für wenige Sekunden geschlossen ist.Da kein Synchronlauf zwischen den Zeitgliedern der einzelnen Speichergeräte besteht, werden somit die Speichergeräte nacheinander innerhalb von 5 Minuten (statistisch verteilt) wieder eingeschaltet.
Die Wirkungseise des Zeitgliedes im einzelnen ist folgende: Die Widerstände 52; 53; 54 und 55; 56; 57 sind Glieder einer Brückenanordnung, die an einer kleinen Gleichspannung von etwa 12 oder 24V liegt. Die Widerstände 58 und 59 bleiben zuerst noch unberücksichtigt (Lasche liegt auf "Anfang!'). Die Brückenabgleichspannung herrscht zwischen den Punkten 60 und 61. Der Widerstand 56 ist ein Motorpotentiometer für ständigen Umlauf in der Freigabezeit. Ein Umlauf des Motor-Potentiometerschleifers und des mit diesem synchron umlaufenden Kontaktarmes 62 erfolgt in etwa 7,5 Stunden. Der zweite Kontaktarm 51 ist an einem aus dem Untersetzungsgetriebe 63 herausgeführten Zwischenwert angeschlossen und führt einen Umlauf in etwa 5 Minuten aus.
Der Synchronmotor 64 mit seinem Untersetzungsgetriebe 63 wird zwangsläufig zu Beginn der Freigabe zeit huber den Ruhekontakt 67a eingeschaltet. Durch den sich langsam bewegenden Motor-Potentiometerschleifer von Punkt 68 nach Punkt 69 wird das Potential des Punktes 61 erhöht und überholt das Potential des Punktes 60. Überschreitet die Potentialdifferenz in der Richtung von Punkt 61 nach Punkt 60 einen gewissen kleinen Schwellwert, dann regelt der Verstärker 70 spontan hoch, so daß das Relais 66 anziehen könnte. Das Relais 66 kann aber erst anziehen, wenn kurz nach der Freigabe zeit der Kontaktarm 62 die Überbrückung des Relais 65 aufhebt und dieses anzieht, und wenn ferner der Kontaktarm 51 für wenige Sekunden mittels geschlossenem Kontakt 65b den Selbsthaltekontakt 66a überbrückt. Mittels Kontakt 66b wird das Relais 67 erregt. Sein Kontakt 67b schaltet über den Thermorelais-Kontakt 71 das Schütz 72 und damit das Speichergerät 44 ein. Das Öffnen von Kontakt 67a spielt für den Synchronmotor 64 jetzt keine Rolle, da der Kontakt 65a geschlossen ist. Der Synchronmotor 64 wird stillgesetzt, wenn auch der Kontakt 65a öffnet, d.h. wenn das Relais 65 abfällt, weil es durch den Kontaktarm 62 überbrückt wird, also etwa 30 Minuten vor Beendigung der Freigabezeit überbrückt wird. Der Schleifer des Motor-Potentiometers 56 hat ebenfalls einen Umlauf ausgeführt und steht wieder in der Ausgangsstellung (Punkt 68). Daß der Schleifer kurz vor her in der Stellung zwischen den Punkten 69 und 68 keinen Kontakt mit 56 hatte, ist für die Arbeitsweise des Verstärkers 70 ohne Belang, da nach seinem Durchschalten der Ausgang nicht mehr durch Spannungsänderungen am Eingang zu beeinflussen ist. Das Relais 66 fällt also erst am Ende der Freigabezeit ab,und damit auch das Relais 67, wenn die Zuleitung der Speichergeräte 44 spannungslos geworden ist.
Bei einem Restwärmebetrag von 0 Grad HW (Instrumentablesung) ist der temperaturabhängige und im Speicherkern an geeigneter Stelle eingebaute Widerstand 53 am größten, d.h. das Potential des Punktes 60 hat seinen betriebsmäßigen Tiefstwert. Die Brücke ist nun so abgeglichen, daß schon kurz nach Beginn der Freigabezeit die Potentialdifferenz vom Potential des Punktes 61 zum Potential des Punktes 60 den Schwellwert des Verstärkers 70 überschreitet. Je größer der Restwärmebetrag, um so kleiner wird der Widerstand 53 und um so höher rückt das Potential des Punktes 60 d.h., um so weiter muß der Schleifer des Potentiometers 56 sich von Punkt 68 fortbewegt haben, bis der Schwellwert berschritten wird, doh., um so größer ist die Einschaltverzögerung des Speichergerätes.
Mit der Heizgradwert-Einstellung des Thermorelais kann ein veränderlicher Widerstand derart gekoppelt sein (Widerstand 58, Lasche dabei auf "Ende), daß dieser um so größer wird, je kleiner der eingesrellte Heizgradwert ist. Bei größer werdendem Widerstand 58 wird das Potential des Punktes 60 kontinuierlich heraufgesetzt, wodurch eine solche Einschaltverzögerung entsteht, daß das Ende der Aufladung praktisch immer mit dem Ende der Freigabezeit zusammenfällt.
Wird dem Widerstand 58 ein gleich großer, veränderlicher Widerstand 59 parallelgeschaltet (Lasche auf "Mitte"), dann ist die jetzt erreichte Einschaltverzögerung nur noch halb so groß, d.h. um die zweite Hälfte der Zeitverzbgerung ist jetzt die Ladezeit vor dem Ende der Freigabezeit beendet Der Ladevorgang ist also unabhängig vom Heizgradwert stets zur Mitte der Freigabezeit gleichwäßig gespreizt.
Fallen einige Stunden innerhalb der Freigabezeit für den Ladevorgang aufgrund einer Störung aus, dann erreicht der Schleifer des Potentiometers 56 nicht mehr über Punkt 69 die Anfangsstellung Punkt 68, und an den betroffenen Speichergeräten stimmt morgens die Anzeige der Restwärme mit dem am Thermorelais eingestellten Heizgradwert nicht überein. Der Kunde kann das zum Teil ausgleichen, indem er um diesen Differenzbetrag den Regler des Direktheizgerätes für diesen einel Tag höher stellt als normal. Bei Beginn der nächsten Frsvgabezeit werden wie nach einer Störung sämtliche Speich£rgerät innerhalb von 5 Minuten nacheinander eingeschaltet. Da der Schleifer des Potentiometers 56 in seiner Stellung kurz vor Punkt 69 ein sehr hohespotential am Punkt 61 abgreift, ist dieses stets höher als eine maximal mögliche Erhöhung des Potentials am Punkt 60 durch Einschleifen des Viderstandes 58, d.h. eine Verlegung der Ladezeit an das Ende der Freigabezeit ist bezüglich einer Einschaltverzögerung jetzt unwirksam.
Selbst wenn schon nach etwa einer Stunde oder noch kürzer das Potentiometer 56 bereits seine Ausgangtsstellung, Punkt 68, erreicht hat, erfolgt die Aufladung wieder in dem gewünschten Umfang, wobei die Abschaltung des Speichers huber den Kontakt 71 des Thermo-Relais erfolgt. Der Synchronmotor 64 wird aber durch Kurzschließen des Relais 65 und Öffnen seines Kontaktes 65a stillgesetzt, da der Kontakt 67a geöffnet ist und es auch bleibt, bis am Ende der Freigabezeit durch Fortfall der Spannung, die auf die Direktheizgeräte umgeschaltet wird, sämtliche Relais abfallen.
Um einen Umlauf mit ordnungsgemäßer Stillsetzung des Synchronmotors 64 zu gewährleisten, wurde die Umlaufzeit des Potentiometers 56 auf etwa 7,5 Stunden verkürzt.
Versagt das Zeitglied einmal in der Form, daß das Speichergerät über den Kontakt 67b nicht eingeschaltet wird, kann es durch den den Kontakt 67b überbrückenden Notschalter 73 eingeschaltet werden0 Dies sollte aber nur dem Installateur als zeitliche Überbrückungsmaßnahme bis zur Behebung der Störung im Zeitglied möglich sein. Fig.8 zeigt ein weiteres Zeitglied, das gegenüber dem Zeitglied nach Fig07 folgende Besonderheiten aufweist: 1) Die generelle Einschaltverzögerung von maximal 5 Minuten durch Kontaktarm 51 (Fig.7) entfällt.
2) In Fig.8 erhält das Zeitglied ein Fernwirkteil, bestehend aus den Relais 74,75, und dem Thermorelais 76, wodurch es möglich ist, z.H. nach einer Netzstörung bei wiederkehrender Spannung die Last der Speichergeräte ohne TR-Signal nochmals für eine gewisse Zeit auszuschalten und eventuell wieder einzuschalten.
Durch das Fernwirkteil wäre es z.B. möglich, jeden 6 kY -Halbring gle-ichmäßig statt mit 1,2 MW, mit 1,6 MW -bei entsprechendem Anteil von Speicherlast - zu betreiben.
Tritt zaBo des Nachts ein Kabelfehler in einem Halbring auf, am ungünstigsten zwischen Stützpunkt und einer Kopfstation, dann muß durch Verlegen der Solltrennstelle zum Fehlerort die Last des 2. Halbringes mit über den ersten Halbring geleitet werden. Die erforderliche Umschaltzeit, d.h.
Spannungslosigkeit, beträgt etwa 1 bis 2 Stunden. Die Gesamtlast darf dann aber nur 2,4 MW betragen. Durch gezieltes, kurzzeitiges Aus-und Wiedereinschalten der 6 kV-Spannung, kann der erforderliche Anteil von Heizlast für den Rest der Freigabezeit abgeworfen werden.
Die Wirkungsweise des Fernwirkteiles im einzelnen ist folgende: Bei Beginn der Freigabezeit bekommt das Relais 4 Spannung und zieht an. tber den Kontakt 74b bekommt das Thermo-Relais 76 ebenfalls Spannung und sein Bimetall berührt schon nach etwa 15 bis 20 Sekunden einen federnden Gegenkontakt. Der Gegenkontakt ist für einen entsprechend großen Hub ausgelegt, damit der Bimetall sich nach der Kontaktgabe noch erheblich weiter durchbiegen kann, weil die Beharrungstemperatur und damit seine Endsbilung erst nach etwa 1 Minute eintritt. Dadurch wird erreicht, daß nach Fortfall der Spannung und beginnender Wiederabkühlung des Bimetall der Kontakt noch mindestens 20 Sekunden bestehen bleibt. Kommt innerhalb dieser Zeit die Spannung wieder, dann wird außer dem etwas anzugverzögerten Relais 74 huber den geschlossenen Thermo-Kontakt 77 und den noch geschlossenen Kontakt 74a auch das Relais 75 erregt, das sich dann über seinen Kontakt 75a selbst hält und mit seinem Kontakt 75b das Relais 66 und damit auch das Relais o7 zum Abfall bringt, so daß über den Kontakt 67b das Speichergerät ausgeschaltet wird.
Sollen Speichergeräte mit diesem Fernwirkteil ausgeschaltet werden, dann ist nach dem Einschalten der Spannung etwa 1 Minute zu warten, dann wird nochmals ausnach geschaltet und/etwa 10 Sekunden wieder eingeschaltet.
Sollen ausgeschaltete Speiohergeräte wieder eingeschaltet werden, dann ist nach dem Ausschalten bis zum Wiedereinschalten mindestens eine Minute zu warten. Daraus geht hervor, daß zu Beginn der Freigabezeit die Speichergeräte stets einschaltbereit sind.
Auch das Zeitglied (Fig.7 und Figo8) kann weitgehend in bekannter Technik mit elektronischen Bauteilen aufgebaut werden. Es sei bemerkt, daß der Heizgradwert auch durch eine Fernübermittlung von einer Zentrale aus übertragen werden kann.
Patentansprüche:

Claims

Patent a n 8 p r ü c h es le Verfahren zum elektrischen Heizen von Räumen mittels einer Kombination aus Direkt-und Speicherheizung,wobei der Speicherheizung nur während einer vom EVU aufgrund der Lastverhältnisse im Netz festgelegten Freigabezeit in der Nacht elektrische Energie zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, daß ein aufgrund der Wettervorhersage für den nächsten Tag angegebener Heizgradwert am Regler der kombinierten Heizung etwa zu Beginn der Freigabezeit eingestellt wird, wobei dieser Heizgradwert die Aufladedauer der Speicherheizung in der Nacht und gegebenenfalls die Dauer der gesamten Energieaufnahme der mit der Speicherheizung verriegelten und zu dieser in einem festen Leistungsaufnahmeverhältnis stehenden Dlfektheizung am folgenden Tag derart festlegt, daß der bei Beginn einer dieser Aufladedauer folgenden Aufladedauer gemessene, dem Wärmeinhalt der Speicherheizung entsprechende Rest-Heizgradwert etwa Null beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei von Null verschiedenem Rest-Heizgradwert der Regler unter Berücksichtigung dieses Rest-Heizgradwertes entsprechend dem aufgrund der Wettervorhersage für den übeinächsten Tag ermittelten Heizgradwert eingestellt wird, wobei unterhalb eines gewissen Grenzheizgradwertes allein die Speicher}leizung eingeschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Direktheizung während einer Betriebsdauer von etwa elf Stunden konstant mit einer dem eingestellten Heizgradwert proportionalen Einschaltdauer periodisch unterbrochen arbeitet.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Aufladedauer der Speicherheizung bestimmende Abschaltetemperatur eines Thermorelais auf eine dem vorhergesagten Heizgradwert entsprechende Temperatur eingestellt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine individuell gewünschte Raumtemperatur dadurch erreicht wird, daß die Aufladedauer der Speicherheizung, gegebenenfalls zusammen mit der Einschaltdauer der Direktheizung, entsprechend eingestellt wird.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Aufladedauer, die kürzer als die Freigabezeit ist, die Aufladedauer innerhalb der Freigabezeit entsprechend dem Lastverhältnissen im Netz gelegt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine die Einschaltdauer der Direktheizung festlegende Regelvorrichtung mit einem oberhalb des Grenzheizwertes im Speichergerät während der gesamten Betriebsdauer der Direktheizung geschlossenem, im Heizkreis liegenden Schalter (1), einem periodisch umlaufenden Kontaktarm(5), einem diesem zugeordneten, entsprechend der gewünschten Raumtemperatur geringfügig verstellbaren Einschaltekontakt (32), und einem entsprechend dem einzustellenden Heizgradwert in seinem Abstand zum Einschaltekontakt verstellbaren Ausschaltekontakt (33), durch eine im Heizkreis liegende Schaltvorrichtung, die durch die Kontaktgabe des sich am Einschaltekontakt und am Ausschaltekontakt vorbeibewegenden Kontaktarmes steuerbar ist, und durch ein den Beginn und das Ende der Aufladedauer der Speicherheizung festlegendes Zeitglied mit einem zusammen mit dem Ausschaltekontakt entsprechend dem Heizgradwert einstellbaren Thermorelaisausschaltekontakt (71), und einem von einer Viderstandsbrückenschaltung über einen Verstärker (70) und ein etwa zu Beginn der Freigabezeit anziehendes und sich selbst haltendes Relais (66) angesteuerten Einschaltekontakt (67b), wobei im ersten Brückenzweig ein die Restwärme erfassender , temperaturabhängiger Widerstand (53), im zweiten Brückenzweig zwei entsprechend dem Heizgradwert verstellbare Widerstände (58,59) , und im dritten und vierten BrUckenzweig in innerhalb der Freigabezeit etwa einen Umlauf ausführendes Motorpotentiometer (56) angeordnet sind, wobei die Mittelanzapfung des Motorpotentiometers und der dem ersten und dem zweiten Brdckenzweig gemeinsame Brückenpunkt (60) mit dem Verstärker verbunden ist.

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