DE2617154A1 - Klimakontrolleinheit - Google Patents

Klimakontrolleinheit

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DE2617154A1 DE19762617154 DE2617154A DE2617154A1 DE 2617154 A1 DE2617154 A1 DE 2617154A1 DE 19762617154 DE19762617154 DE 19762617154 DE 2617154 A DE2617154 A DE 2617154A DE 2617154 A1 DE2617154 A1 DE 2617154A1
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    • G05D23/00—Control of temperature
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Description

1 1 1
PATENTANWÄLTE Z O I / I PROF. DR. DR. J. REITSTÖTTER DR.-ING. WOLFRAM BUNTE DR. WERNER KINZEBACH
D-BOOO MÜNCHEN AO. BAUERSTNASSE 22 - FERNRUF (Οββ) 37 05 83 · TELEX S21B208 ISAR D POSTANSCHRIFT: D-βΟΟΟ MÜNCHEN 43. POSTFACH 78Ο
München, 20. April 1976 M/17 096
J0rn üffe Christiansen
Hvidovre Strandvej 48
DK - 2650 Hvidovre
Klimakontrolleinheit
Die Erfindung betrifft eine Klimakontrolleinheit für einen oder mehrere Räume, die so beschaffen ist, daß sie eine Klimaanlage oder ein anderes Wärme abgebendes Organ so rechtzeitig einschaltet, daß in den Räumen zu einem bestimmten Zeitpunkt eine gewünschte Temperatur, herrscht, wobei diese Kontrolleinheit von einer Kontaktuhr eingeschaltet wird.
In Gebäuden, welche nicht alle Stunden des Tages oder an allen Tagen der Woche benutzt werden, ist es manchmal möglich, die Temperatur in der unbenutzten Zwischenzeit zu senken, um Energie zu sparen.
Es können Einsparungen erzielt werden, wenn die Heiz-, Venti-
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lations- und Pumpanlage teilweise abgeschaltet wird, vorausgesetzt, man hat Vorkehrungen gegen allzu tiefe Temperaturen und zu grosse Feuchtigkeit getroffen.
Eine solche Drosselung einer Klimaanlage erfordert die Inbetriebsetzung der Klimaanlage einige Zeit bevor das Gebäude wieder benutzt wird.
Die Aufheizungszeit variiert auf Grund des Zustandes der Umgebung., Aussentemperatur, Wind, Sonneneinstrahlung, Innentemperatur, Luftfeuchtigkeit und der Konstanten des Gebäudes, wie Isolierung, spezifische Wärme, externe und interne Wärmeleitung, Luftwechsel, Temperatur der Wände, Kapazität der Klimaanlage usw, sehr.
Es sind verschiedene Kontrolleinheiten vorgeschlagen worden, welche diese Parameter bei der Inbetriebsetzung der Klimaanlage teilweise berücksichtigen, so dass die Klimaanlage so spät wie möglich in Betrieb gesetzt wird, um möglichst viel Energie zu sparen, wobei dennoch gewährleistet ist, dass der klimatische Zustand des Gebäudes zu einem festgesetzten Zeitpunkt, z.B. Arbeitsbeginn, zufriedenstellend ist.
Es gibt bereits Anlagen zum Inbetriebsetzen einer Klimaanlage, welche einen Teil der obenerwähnten Verhältnisse berücksichtigen, auf dem Markt.
Die meisten Anlagen dieses Typs arbeiten nach linearen Prinzipien oder "eingelegten" Kurven mit Abbiegungen, wo eine Spannung, von gemessenen Temperaturen ausgehend, aufgebaut und mit einer elektronischen oder mechanischen "Rampenfunktion", die während einer Zeitspanne vorgenommen wird, welche dem frühest nötigen Inbetriebsetzungszeitpunkt, z.B. 4-Ö Stunden bevor das Gebäude klimatisch "auf der Höhe" sein soll, verglichen wird.
Im englischen Patent Kr. 1 193 711 ist eine solche Klimakontrollanlage besprochen. Die Funktion dieser Anlage beruht darauf, dass der Einschaltzeitpunkt auf der Grundlage der
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Innen- und Aussentemperatur bestimmt wird, während die oben erwähnten Verhältnisse bezüglich der Konstanten des Gebäudes und der Räume, sowie die Temperatur der Gebäudeelemente nicht berücksichtigt werden.
Eine solche Funktion bedingt, dass eine solche Anlage bei grösseren Temperaturschwankungen falsch rechnet, besonders bei Gebäuden, bei denen die Bauelemente mehrere verschiedene, bedeutende thermische Zeitkonstanten aufweisen.
Diese Anlage kann zum Teil zufriedenstellend arbeiten, wenn die periodischen Unterbrechungen, während denen das Gebäude viel-, leicht nicht bis auf die "Nachttemperatur" abgekühlt wird, im wesentlichen gleich lang sind. Wenn hingegen längere Unterbrechungen auftreten, z.B. am Wochenende, kühlen sich die Wände des Gebäudes und das Inventar im Gebäude noch mehr ab, so dass das Erwärmen des Gebäudes auf die gewünschte Temperatur noch mehr Zeit braucht. Deshalb lässt sich der Zeitpunkt für das Einschalten nicht auf der Grundlage der Innen- und Aussentemperatur allein berechnen. Dieses Verhältnis ist ein so verbreitetes Phänomen der bisher bekannten Kontrollanlagen, dass es in der Alltagssprache der Fachleute "Montagsphänomen" genannt wird. Wird die Kontrollanlage justiert, so dass sie unter bestimmten Verhältnissen stimmt, dann wirkt das System unter anderen Verhältnissen nicht, weil es falsch rechnet, wenn die Wände und andere Wärme absorbierende Teile an den Wochenenden, in den Ferien usw. noch weiter abkühlen können.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Klimakontrolleinheit, welche die erwähnten Nachteile eliminiert, weil beim Berechnen des Inbetriebsetzungszeitpunktes nicht nur die Aussen- und Innentemperatur, sondern auch die Konstanten des Gebäudes und der Räume und die Temperatur der Bauelemente berücksichtigt v/erden, indem die Kontrolleinheit als Analogien zu diesen Grossen ein elektronisches Netzwerk benützt.
Das Prinzip ist, dass in einem Netzwerk der Kontrolleinheit wie in einer analogen Rechenmaschine Komponenten angebracht vierden,
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und dass die Grosse der Komponenten den Konstanten des Gebäudes entspricht, z.B. Kondensatoren entsprechend der Heizkapazität, elektrische Widerstände entsprechend thermischen Widerständen, Strom entsprechend Effekten, Spannungen entsprechend Temperaturen.
Die elektrischen Komponenten und damit Spannungen und Strom v/erden derart angepasst, dass die Zustandsänderungen in den dem Gebäude entsprechenden elektrischen Komponenten mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit als die entsprechenden Temperaturänderungen im Gebäude vor sich gehen.
Der Anfangszustand des Netzwerkes wird in der Kontrolleinheit über die mit der Kontrolleinheit verbundenen Sensoren für die Innentemperatur, Temperatur der Wände, innere Feuchtigkeit und Aussentemperatur, sowie gegebenenfalls Wind und Sonneneinstrahlung, bestimmt.
Der Zeitpunkt, zu welchem die Kontrolleinheit in Funktion tritt, wird über eine einstellbare Uhr festgesetzt, z.B. 6 Stunden bevor das Gebäude thermisch "auf der Höhe" sein soll.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Stellung einer oder mehrerer elektrischer oder mechanischer Einheiten geändert, so dass eine Spannung oder Stromquelle entsprechend der dem Gebäude zuzuführenden Wärme eingekuppelt wird.
Man kann dann dem elektrischen Kreislauf eine Spannung (oder Strom) entnehmen, welche der im Gebäude steigenden Temperatur entspricht, aber so, dass die Zustandsänderung im elektrischen Kreislauf wesentlich schneller vor sich geht als die wirkliche Aenderung der Innentemperatur im Gebäude unter entsprechenden Verhältnissen vor sich gegangen wäre.
In dieser V/eise löst das elektronische Netzwerk der Kontrolleinheit im Verlaufe einer kurzen Zeitspanne die der Erwärmung des Gebäudes entsprechenden Differentialgleichungen, welche die Steijp;crun;3 der Innenter.peratur des Gebäudes bestimmen.
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ORIGINAL INSPECTED
-5- 2617 ISA ·
Von jenem Zeitpunkt, zu dem die Zustandsänderung im elektronischen Netzwerk anfängt, bis zu jenem Zeitpunkt, wo eine Spannung oder Strom einen der gewünschten Temperatur im Gebäude (z.B. Luft 200C oder 10°C in einer Wand) entsprechenden Viert übersteigt, misst eine Einheit in der Kontrolleinheit diese kurze Zeitspanne.
Danach wird die gemessene Zeitspanne in "wirkliche Zeit" übertragen und die Kontrolleinheit setzt die Klimaanlage diese wirkliche Zeitspanne vor Anfang der Arbeitszeit in Betrieb.
Die erwähnte Transformation der Zeit kann vorgenommen v/erden, indem man einen Zähler mit einem Oszillator mit hoher Frequenz die erste Zeitspanne messen lässt. Wenn die der Innentemperatur entsprechende Spannung oder der der Innentemperatur entsprechende Strom den gewünschten Wert erreicht, entsprechend einer Innentemperatur von z.B. 200C, wechselt der Oszillator nach einer kleinen Verzögerung, welche als "Zeit-Offset" benutzt werden kann, über einen Kontrollkreislauf in eine niedrigere Frequenz und zählt weiter bis der Zähler abläuft (carry), wonach die Klimaanlage in Betrieb gesetzt wird.
Die Erfindung wird nachstehend mit Hinweis auf die Zeichnung näher erklärt.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm zum Erklären der elektrischen Analogien,
Fig. 2 ein Diagramm einer erfindungsgemässen Kontrolleinheit, Fig. 3 ein Funktionsdiagramm der Kontrolleinheit in Fig. 2 und
Fig. 4 ein Diagramm eines besser den wirklichen Verhältnissen entsprechenden Kreislaufes.
Von der zum Heizen eines Gebäudes zugeführten Energie dient ein Teil der Erwärmung und ein Teil geht verloren, weil sie z.B. durch die Wände des Gebäudes verschwindet.
Dies kann bei einer vereinfachten Darstellung durch dl.ο
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ORIGINAL INSPECTED
"6" 26171S4
Gleichung
P . dt = Q-UO1 + (O1-O11Jk.dt (1)
in der P die zugeführte Wärme, Q die Heizkapazität des Gebäudes, 0 die Aussenten~peratur und 0. die Innentemperatur darstellt, ausgedrückt werden.
Es geht aus dem Diagramm in Fig. 1 hervor, dass der Strom I beim Abschalten durch folgenden Ausdruck bestimmt ist
I = c£T + (V, - Vn) . I
dt x u R
welcher folgendermassen umschrieben werden kann
Idt = CdV + (V. - V1)- dt (2)
ι u R
Wie aus (1) und (2) hervorgeht, sind diese Ausdrücke gleichartig und man kann
I analog P
C 1 tt Q U
V R tt 0 0.
U
V. ti k
1
tt
betrachten.
Es ist somit möglich den Heizprozess mittels elektrischer Kreisläufe nachzuahmen, und.da diese zum schnelleren Wirken gebracht werden können, kann der Heizverlauf in kurzer Zeit berechnet werden, und diese Zeit kann nachher in wirkliche Zeitübertragen werden, so dass der Inbetriebsetzungszeitpunkt der Heiz- oder Klimaanlage bestimmt werden kann. In Fig. 2 ist ein Diagramm einer erfindungsgemassen Kontrolleinheit gezeigt. Sie besteht aus einem Taster 1 für die Aussentemperatur und einem Taster 2 für die Innentemperatur, sowie deren Verstärkern 3 und 4- Das Signal von der Aussentemperatur wird in einem dritten Verstärker 5 mit einer Spannung von
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B@AL INSPECTED
~7~ 2 617 f K a
einem Potentiometer addiert. Eine Serienverbindung 7 von zwei "Widerständen, von denen der eine regulierbar ist, ist mit dem Verstärker 5 und einem geerdeten Kondensator S verbunden. Zwischen dem Verstärker 4 des Innentemperatursignales und dem Kondensator S ist ein elektronischer Schalter 9 vorgesehen. Das bisher beschriebene Netzwerk entspricht dem Kreislauf in Fig.
Die Kontrolleinheit besteht des weiteren aus einem Hauptschalter 10, einem Uhrenkontakt 11, einem Smithtrigger 12, einem Zähler 13 und einem Oszillator 14· Ausserdem sind ein Spannungstaster 15 und eine Vergleichsschaltung 16 sowie verschiedene Steuerkreisläufe, welche nachstehend erklärt werden, vorgesehen.
Die Funktion und Wirkungsweise der Kontrolleinheitwerden nachstehend mit Hinweis auf das Funktionsschema in Fig. 3 erklärt.
Zum Zeitpunkt t, schliesst die nicht gezeigte Kontaktuhr ihren Kontakt 11, z.B. 6 Stunden vor Arbeitsbeginn, und der Smithtrigger 12 bewirkt über einen Steuerkreislauf 17, dass der elektrische Schalter 9 öffnet.
Werden die Differentialgleichungen! (1) und (2) im Hinblick auf 0. und V. gelöst, erhält man
O1-(E + O11)(I-."^) +O8..^ (3)
t t )(l-e") + V -e" (4)
wobei in (4) I*R durch die Spannung vom Potentiometer 6 im Netzwerk in Fig. ' ersetzt werden kann:
V1 = (Vp+VuMl-e T) + Vs-e T (5)
Q
wo τ - resp. R-C ist, während O^ und V die Temperatur von 0.
-δ- 2 61 7 1 S 4
resp. die Spannung von V. zum Zeitpunkt t« darstellen.
Die Spannung über dem Kondensator Ö, welche zum Zeitpunkt t. V ist, ändert sich gemäss der Formel (5), wobei das Potentiometer 6 den Viert von ^ darstellt. Diese Spannung wird über den Spannungstaster 15 mit einer im voraus eingestellten Spannung in der Vergleichsschaltung 16 verglichen, z.B. entsprechend einer Innentemperatur von 2O0C. Wenn diese Schwelle überschritten wird, wird zum Zeitpunkt tß in Fig. 3 über einen Steuerkreislauf 19 ein monostabiler Multivibrator in Betrieb gesetzt. Nach Ablauf des Multivibrators 13 zum Zeitpunkt to wechselt eine Flip-Flop-Schaltung 20.
Gleichzeitig damit, guss der elektronische Schalter 9 abschaltet, kuppelt der Smithtrigger den Zähler 13 ein, welcher vom Oszillator 14 wit einer verhältnismässig hohen Frequenz. z.B. 13 kHz, gespeist wird. Wenn die Flip-Flop-Schaltung sum Zeitpunkt tp wechselt, setzt der Oszillator 14 über einen Steuerkreislauf 21 mit einer wesentlich niedrigeren Frequenz, z.B. 1,3 Hz, fort. Der V/ert, welchen der Zähler 13 zum Zeitpunkt tg aufweist, ist somit ein Ausdruck für jene Zeit, welche es braucht, um das Gebäude auf die gewünschte Temperatur, z.B. 200C, zu erwärmen. Der monostabile Multivibrator 1Ö kann zum Zeit-Offset benützt werden, so dass der Zähler eine Zeitspanne fortsetzt.
Der Zähler 13 setzt auf der niedrigeren Frequenz fort, bis er zum Zeitpunkt t-Q, welcher die richtige Zeit von Arbeitsbeginn entsprechend dem Wert des Zählers zum Zeitpunkt tp ist, ein Signal erzeugt, wonach eine andere Flip-Flop-Schaltung 22 wechselt und über einen Steuerkreislauf 23 ein Relais 24 magnetisiert, welches die Klimaanlage einkuppelt.
Bei den als Beispiele angegebenen Frequenzen kann z.B. eine sechsstündige, 216C0 Sekunden entsprechende Aufheizungsscit in einer Mescperiode von nur 2,16 Sekunden übertrafen wordon.
Zum Zei t,pu::;-.L t-, 7..Y-. bei Arbeitsseil]uss, schall ι-I- ι·'·.> /'!τ
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BAD ORIGINAL
-9- 2617 1 S 4
ihren Kontakt 11 wieder aus, wobei die Flip-Flop-Schaltungen und 22 zurückstellen, das Relais 24 ausfällt und der Kondensator nach einer gewissen Zeit wieder ein der Innentemperatur des Gebäudes entsprechendes Potential hat.
Der Widerstand 7 (R) und der Kondensator Ö (C) sowie die Einstellung des Potentiometers 6 entsprechen den Konstanten des Gebäudes. Diese Komponenten ergeben einen vereinfachten Kreislauf, v/elcher lediglich zum Vereinfachen der Erklärung des Kreislaufes gezeigt ist. In Fig. 4 ist gezeigt, wie der Kreislauf erweitert werden kann, um besser den wirklichen Verhältnissen zu entsprechen.
Der Kreislauf in Fig. 4 kann noch verbessert werden, indem an den Kondensator C über einen Kontakt ein Tasterverstärker, dessen Ausgangsspannungen der Innentemperatur der Aussenwand entsprechen, angeschlossen wird.
Die erfindungsgemässe Kontrolleinheit kann auch derart ausgeführt werden, dass die Messperiode nach dem ersten Messen wiederholt wird, falls zwischen dem Einkuppeln der Einheit und dem Inbetriebsetzungszeitpunkt der Klimaanlage ein beträchtlicher Zeitraum liegt, während welchem sich die variablen Parameter, d.h. die Temperatur, wesentlich geändert haben können.
Die erfindungsgemässe Kontrolleinheit hat folgende Vorteile:
a Spannungen und Strom werden den wirklichen Verhältnissen entsprechend erhöht, jedoch in Zeit übersetzt, was mit sich führt, dass die Kontrolleinheit keine unlinearen Komponenten zu enthalten braucht, trotzdem der Temperaturanstieg als Funktion der Zeit unlinear ist.
b Die elektrischen Komponenten sind mit den thermischen "äquivalent". Dies führt mit sich, dass das Einstellen eines Teils des Systems keinen Einfluss auf einen andern Teil des Systems zu haben braucht.
c Die beiden obenerwähnten Verhältnisse bedingen, dass
das Einstellen der Kontrolleinhcit, von den Konstanten des 609845/0733
Gebäudes ausgehend, vereinfacht wird, wie auch die Kontrolleinheit besser verschiedenen Gebäudearten und Klimaverhältnissen angepasst werden kann. ·:
Das Transformieren der Zeit führt dazu, dass das Berechnen innerhalb kurzer Zeit vorgenommen werden kann, und dass die elektronischen Komponenten billig realisiert werden können und kleine Dimensionen aufweisen, wie auch die Temperaturabweichung in Verstärkern und ähnlichem wesentlich reduziert wird.
Spannungen können an verschiedenen Stellen des elektrischen Netzwerkes entnommen werden und somit einen der Temperatur an oder in Gebäudeelementen entsprechenden Wert angeben.
Somit kann die Einheit klimatisch "komfortable" Verhältnisse berücksichtigen, z.B. dass die Wände nicht kalt sein dürfen, da dies Zug usw. verursacht.
Spannungen der Temperaturtaster in den Gebäudeelementen
können dem Kreislauf zugeführt werden,wodurch die Temperaturen der Gebäudeelemente berücksichtigt werden können.
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Claims (5)

26171S4 P A TE N TA N SPRUECHE
1. J Klirvakcntrclleinheit für einen oder mehrere Räume,
bei der eine Klimaanlage oder ein anderes Wärme abgebendes Organ, das während einer Periode ausser Betrieb war, zu einem solchen Zeitpunkt eingeschaltet werden soll, dass der Raum zu einem bestirnten Zeitpunkt eine gewünschte Temperatur hat, dadurch gekennzeichnet, dass ein Taster 2 für die
Innentemperatur an ein Netzwerk mit einem Kondensator 8,C an- \ geschlossen ist, so dass der Kondensator 8,C von der Aussen-
teir.peratur, den. heiztechnischen Konstanten des Raumes und der Kapazität des Wärme abgebenden Organs abhängig aufgeladen wird, wobei der Kondensator S,C mit einem Spannungstaster 15 verbunden ist, der "mittels einer im voraus bestimmten, die gewünschte Temperatur darstellenden Spannung ein Netzwerk 13,14 einkuppelt, welches Netzwerk 13,14 dazu eingerichtet ist, die Zeit zu berechnen, während der das Wärme abgebende Organ in Betrieb sein muss, damit der Raum zu einem im voraus bestimmten Zeitpunkt die gewünschte Temperatur hat, wobei die Aufheizzeit in einen Bruchteil der v/irklichen Zeit übertragen wird.
2. Klimakontrolleinheit gemäss Anspruch 1, dadurch g e kennz eichnet, dass das die Zeit bestimmende Netzwerk ein Zähler 13 ist, welcher mit einer hohen Frequenz von einem Oszillator 14 gespeist wird, der durch die Funktion des Spannungstasters 15 auf eine sehr niedrige Frequenz umgeschaltet wird,wobei der Zähler 13 bei einem im voraus bestimmten Wert das Wärme abgebende Organ einkuppelt.
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3. Klimakontrolleinheit gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet, dass der Taster 2 für die Innentemperatur über eine oder mehrere Widerstandskapazitätsanordnungen, die je eine die Erwärmung des Raumes bestimmende Funktionskonstante darstellen, mit dem Kondensator verbunden ist.
4. Klimakontrolleinheit gemäss irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g ekennzei chnet, dass der Spannungstaster 15 eine Vergleichsschaltung ist, die, wenn die eingestellte Spannung überschritten wird, einen monostabilen Multivibrator IS einschaltet und wenn dieser in den stabilen Zustand zurückkehrt eine Flip-Flop-Schaltung 20 beeinflusst, welche die Frequenz des Oszillators I4 wesentlich senkt.
5. Klimakontrolleinheit gemäss irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet, dass eine Widerstandskapazitätsanordnung, welche die Konstante einei Gebäudeelementes darstellt, mit einem Verstärker eines in diesem Element angebrachten Tasters verbunden ist.
iU 5/0733
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