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Auch berücksichtigt die Erfindung sowohl das menschliche Wärmeempfinden
als auch den Umstand, daß ab Beginn der Schnellaufheizung bzw. Schnellabkühlung
zunächst der größte Teil der von der Energiequelle der den oder die betreffenden
Gebäuderäume heizenden oder kühlenden Anlage gelieferten Energie von dieser Anlage
selbst zu ihrer Erwärmung bzw. Abkühlung benötigt wird. Dieses sei für den Fall
des Heizens an Hand des Beispiels einer Wasserheizungsanlage noch näher erläutert.
Die Energiequelle der Heizungsanlage, beispielsweise der Kessel oder eine andere
Energiequelle, ist auf eine bestimmte maximale
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Wärmeleistung, die »Nennleistung« ausgelegt. Die Nennleistung ist
unter Berücksichtigung des Klimas des betreffenden Ortes des diese Anlage enthaltenden
Gebäudes so getroffen, daß sie bei der normalerweise während eines Jahres auftretenden
tiefsten Außentemperatur noch mit einem gewissen Sicherheitszuschlag die für das
menschliche Wohlempfinden notwendige, einstellbare Normaltemperatur des betreffenden
Raumes aufrechterhalten kann. Beispielsweise kann die Anlage so ausgelegt sein,
daß ihre Nennleistung bei einer Außentemperatur von - 200 C eine Normaltemperatur
von 20"C ergibt Die Normaltemperatur ist die in dem betreffenden Raum vorgesehene,
gegebenenfalls einstellbare Temperatur, welche während des Aufenthaltes von Personen
vorliegen soll, also beispielsweise während der Bürozeit, des Schulunterrichts usw.
und durch Regelung oder witterungsgeführte Steuerung der Raumtemperatur während
der ersten Zeitintervalle eingehalten wird.
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Wenn diese Heizungsanlage im ganzen oder nur ihr betreffender Heizkreis
mit Beginn eines Zwischenzeitintervalls ausgeschaltet wurde, kühlen sowohl die Heizungsanlage
bzw. der Heizkreis und damit auch der oder die ihr oder dem Heizkreis zugeordneten
Räume aus, und es nehmen dann sowohl die Raumlufttemperatur als auch die Temperaturen
der den Raum bildenden und im Raum befindlichen festen Massen, d. h. des »Raumkörpers«
ab. Da zu Beginn des an dieses Zwischenzeitintervall anschließenden ersten Zeitintervalls
die Normaltemperatur im Raum wieder ungefähr erreicht sein soll, muß rechtzeitig
mit der Schnellaufheizung begonnen werden. Nach Beginn der Schnellaufheizung geht
die von der Energiequelle dieser Heizungsanlage gelieferte Leistung zunächst im
wesentlichen in die »Massen« der Heizungsanlage, d. h. in das in ihr umgewälzte
Wasser und in ihre metallischen und sonstigen körperlichen Teile. In die Gebäuderaummasse,
d. h. die Masse des oder der beheizten Gebäuderäume und ihrer Einrichtungen liefert
die Heizungsanlage deshalb zunächst nur relativ wenig Wärmeenergie, sofern die Zeitkonstante
der Heizungsanlage erheblich kleiner als die der Massen des oder der betreffenden
Gebäuderäume einschließlich ihrer Einrichtungen ist.
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Unter Zeitkonstante wird folgendes verstanden: Wenn bei kalter Heizungsanlage
bzw. kaltem Heizkreis mit dem Schnellaufheizen begonnen wird, erwärmt sich zunächst
im wesentlichen nur die Heizungsanlage bzw.
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der betreffende Heizkreis, und erst mit zunehmender Erwärmung der
Heizungsanlage bzw. des Heizkreises geht mehr und mehr- Energie in die durch diese
Heizungsanlage bzw. den Heizkreis mit beheizte Masse des oder der betreffenden Gebäuderäume.
Die Zeitkonstante der Heizungsanlage bzw. ihres Heizkreises ist also umso größer,
je langsamer die Temperatur der Heizungsanlage bzw. des Heizkreises ab Beginn des
Aufheizens aus ihrem bzw. dessen kalten Zustand heraus ansteigt. Die Zeitkonstante
der durch die Heizungsanlage bzw. den Heizkreis beheizten Gebäuderaummasse, d. h.
die Masse des betreffenden Gebäuderaumes bzw. der betreffenden Gebäuderäume einschließlich
ihrer Einrichtungen ist umso größer, je langsamer die Temperatur dieser Masse bei
der der Nennleistung der Heizungsanlage entsprechenden Energiezufuhr ansteigt. Im
allgemeinen ist die Zeitkonstante der Heizungsanlage wesentlich kleiner als die
der beheizten Gebäuderaummasse.
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Wenn diese Heizungsanlage während eines Zwischenzeitintervalls zwecks
Schnellaufheizung auf volle
Nennleistung eingeschaltet wird, geht folglich zuerst
der weitaus überwiegende Teil der Leistung ihrer Energiequelle in die Speichermasse
der Heizungsanlage, und nur der restliche Prozentsatz steht für das Erwärmen der
Raumluft und der Gebäuderaummassen zur Verfügung. Sobald die Kesselvorlauftemperatur
oder die Vorlauftemperatur der sonstigen Energiequelle ihren maximalen, beispielsweise
auf 90"C begrenzten Wert erreicht hat, kann auch die maximale Heizungsvorlauftemperatur
nicht mehr weiter ansteigen. Das Wasser und die Metallmassen der Heizungsanlage
haben damit die während des Schnellaufheizens erreichbare, ungefähr stationäre,
Maximaltemperatur erreicht. Das Wasser überträgt dann praktisch nur noch Energie
vom Kessel in den oder die betreffenden Gebäuderäume und in die Raumluft Die vom
Kessel an das Wasser der Heizungsanlage abzugebende Energie wird nun nur noch durch
den oder die zu erwärmenden Gebäuderäume bestimmt Die Raumlufttemperatur steigt
folglich jetzt nur noch entsprechend der Erwärmung der Masse des oder der Gebäuderäume
und ihrer Einrichtungen. Es zeigte sich, daß, sobald die maximale Heizungsvorlauftemperatur
erreicht ist, beim weiteren Schnellaufheizen die Differenz zwischen der Raumlufttemperatur
und der Raumkörpertemperatur des betreffenden Raumes ungefähr konstant bleibt.
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Diese Differenz ist nur geringfügig von der Außentemperatur abhängig,
so daß sie mit guter Näherung als für den betreffenden Gebäuderaum konstant und
unabhängig von der Außentemperatur angesehen werden kann.
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Falls man genauer sein will, kann mit geringem Aufwand die Abhängigkeit
dieser Temperaturdifferenz von der Außentemperatur berücksichtigt werden.
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Auch die Erwärmung der Heizungsanlage bzw. des Heizkreises ist mit
zulässiger guter Näherung unabhängig von der Außentemperatur, da sie im wesentlichen
nur durch die Kesselleistung, die Speichermassen der Heizungsanlage und die maximale
Heizungsvorlauftemperatur bestimmt wird.
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Die soeben für den Fall einer Wasserheizungsanlage angestellten Betrachtungen
lassen sich entsprechend auf andere Heizungsanlagen und auch der Raumkühlung dienende
Kühlungsanlagen, einschließlich Klimaanlagen, übertragen, was für den Fachmann keiner
weiteren Erläuterung bedarf.
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Die Erfindung berücksichtigt den vorgenannten Sachverhalt und die
Gebäude- und Anlagenwerte durch die den beim Schnellaufheizen oder Schnellabkühlen
stattfindenden Verlauf der Raumkörper- und der Raumlufttemperatur berücksichtigende
Einschalttemperatur-Kennlinie, wobei diese Einschalttemperatur-Kennlinie eine nichtlineare
Kurve ist, die sich relativ einfach ermitteln und erzeugen läßt Zur Einstellung
der Einschalttemperatur-Kennlinie für das betreffende Gebäude bzw. die betreffende
Zone des Gebäudes genügen folgende Einstellmöglichkeiten (Eingaben): a) Einstellmöglichkeit
für eine Konstante p2 (Anm.: Am Ende der Beschreibung ist eine Erläuterung der meisten
nachfolgend verwendeten Symbole angefügt) der Heizungs- und/oder Kühlungsanlage
bzw.
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ihres betreffenden Heiz- oder Kühlungskreises, welche Konstante p2
auch die Wärmekapazität der durch diese Anlage oder ihren betreffenden Kreis zu
erwärmenden oder zu kühlenden Raumluft mit berücksichtigt Der reziproke Betrag dieser
Konstanten p2 kann beispielsweise proportional der
Zeitdauer sein,
die ab Beginn der Schnellaufheizung bzw. Schnellabkühlung verläuft, bis der Absolutwert
der Differenz zwischen Raumkörper- und Raumlufttemperatur auf 63% des erreichbaren
Maximalwertes dieser Differenz angestiegen ist Diese Konstante m ist in erster Näherung
unabhängig von der Außentemperatur und kann damit in die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
normalerweise als echte Konstante eingegeben werden. Falls erwünscht, kann jedoch
diese Zeitkonstante m auch als von der Außentemperatur abhängige Größe in die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung eingegeben werden.
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b) Eingabe der bei der Schnellaufheizung maximal erreichbaren Temperaturdifferenz
7LE- TwE zwischen der gemessenen Raumlufttemperatur TLE und der gemessenen Raumkörpertemperatur
TWE Diese Temperaturdifferenz ist nur geringfügig abhängig von der Außentemperatur
und kann demzufolge unter normalen Umständen fest eingestellt sein. Falls der geringe
Einfluß der Außentemperatur mit berücksichtigt werden soll, kann man diese Temperaturdifferenz
in Abhängigkeit der Außentemperatur variabel programmieren. Diese Temperaturdifferenz
ist auch praktisch unabhängig von den üblichen Normalwerten Tn der Raumtemperatur.
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c) Einstellmöglichkeit für eine Konstante pi der Masse des betreffenden
Gebäudes bzw. der betreffenden Gebäudezone: Diese Konstante kann vorzugsweise als
unabhängig von der Außentemperatur angenommen werden. Ihr Reziprokwert kann beispielsweise
proportional der Zeitdauer sein, die bei konstanter Außentemperatur während der
Schnellaufheizung bzw. der Schnell abkühlung ab dem Zeitpunkt 4, ab welchem die
Vorlauftemperatur der Heizungs-oder Kühlungsanlage bzw. des betreffenden Kreises
dieser Anlage ungefähr ihren Maximal- bzw.
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Minimalwert erreicht hat, verstreicht, bis 63% der Temperaturdifferenz
TWE- TW2 erreicht sind, wo TW2 die gemessene Raumkörpertemperatur zum Zeitpunkt
4 und TWE der mit Nennleistung der Anlage erreichbare Extremwert der Raumkörpertemperatur
ist.
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d) Überschußtemperatur TRE- Tn: Diese Überschußtemperatur ist abhängig
von der Außentemperatur und der Normaltemperatur.
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Unter Überschußtemperatur ist folgende Temperaturdifferenz verstanden:
Wenn die Schnellaufheizung oder -abkühlung bei konstant angenommener Außentemperatur
lange genug mit voller Nennleistung der betreffenden Heizungs- oder Kühlungsanlage
fortgesetzt wird, stellt sich schließlich eine hinreichend stationäre extreme Raumtemperatur
TRE ein. Die Differenz zwischen dieser von der Außentemperatur abhängigen Extremtemperatur
TRE und der jeweils eingestellten Normaltemperatur Tn entspricht der Überschußtemperatur.
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f) Zeitlicher Abstand des Beginns der Erzeugung der Einschalttemperatur-Kennlinie
vom programmierten Ende des Zwischenzeitintervalls.
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g) Zeitlicher Abstand des Zeitpunktes tb von dem programmierten Ende
t2 des Zwischenzeitintervalls.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von beispielsweisen Temperatur-Zeit-Diagrammen
näher
erläutert und ein Ausführungsbeispiel einer Heizungsanlage und einer Schaltungsanordnung
gebracht In der Zeichnung zeigen F i g. 1 bis 3 Temperatur-Zeit-Diagramme, Fig.4
ein Schemabild einer Heizungsanlage und einer Schaltungsanordnung zu ihrer Steuerung
und Regelung in Blockbilddarstellung.
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Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich auf den Fall des Heizens
des betreffenden Gebäuderaumes.
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Sie gelten jedoch auch für den Fall des Kühlens sinngemäß unter entsprechenden
Änderungen.
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In den Diagrammen der F i g. 1 bis 4 haben die eingezeichneten Kurven
jeweils folgende Bedeutungen: = Raumtemperatur TR, d. h. der aus der Raumkörpertemperatur
TW und der Lufttemperatur TL eines Testraumes eines Gebäudes gebildete Mittelwert,
der normalerweise der arithmetische Mittelwert 0,5 (TL-TW) ist jedoch auch ein gewichteter
Mittelwert sein kann.
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- . - . - = Stütztemperaturen, wobei die jeweils in der Schaltungsanordnung
nach F i g. 4 selbsttätig eingestellte Stütztemperatur abhängig von der Außentemperatur
ist - . - . - = zeitabhängigerVerlauf der in den Zwischenzeitintervallen in Abhängigkeit
von der Außentemperatur und der Zeit berechneten Einschalttemperatur Te. Der zeitliche
Verlauf dieser Einschalttemperatur bildet die Einschalttemperatur-Kennlinie.
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- - = Lufttemperatur TL des Raumes.
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- >c - x - = Es handelt sich um die von einem Temperaturfühler
im Testraum gemessene Lufttemperatur in dem Bereich, in dem sich Personen aufhalten
können, wobei diese Lufttemperatur entweder einige Zentimeter im Abstand von der
Wand gemessen wird oder zwischen diesem Temperaturfühler und der Wand eine die Wandtemperatur
gegen diesen Temperaturfühler abschirmende Temperaturisolation angeordnet ist.
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- - - - - - - = Raumkörpertemperatur Tw Es handelt sich hier um eine
Temperatur, welche einer Temperatur einer Begrenzungswand, Decke, Boden oder von
Einrichtungsgegenständen im Raum entspricht und durch einen oder mehrere Temperaturfühler
gefühlt wird, welche das humane Wärmeempfinden zusammen mit der Raumlufttemperatur
bestimmt Diese Temperatur kann in den meisten Fällen die Oberflächentemperatur einer
Wand des Testraumes oder, je nach auf der betreffenden Wand befindlichem Belag,
auch eine Temperatur
unterhalb dieses Belags oder eine Innentemperatur
der Wand sein.
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Es kommen auch andere Meßstellen für diese Raumkõrpertemperatur in
Frage.
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= - - - - = = zeitabhängig gleitender Sollwert der Raumtemperatur
TR während der Schnellaufheizung (nur für den Fall, daß die Raumtemperatur während
der Schnellaufheizung geregelt wird).
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Das Diagramm in F i g. 1 zeigt einen beispielsweisen Verlauf der
Raumtemperatur , Raumkörpertemperatur TW und Raumlufttemperatur TL eines beheizten
Gebäuderaumes während eines zwischen zwei ersten Zeitintervallen DTl zwischengeschalteten
Zwischenzeitintervalles DT2, welches mittels einer Zeitschaltuhr programmiert eingeschaltet
wird. Während der ersten Zeitintervalle Dtl herrscht von Anfang an in dem betreffenden
Gebäuderaum ungefähr die jeweils eingestellte Normaltemperatur Tn, welche entweder
geregelt oder durch witterungsgeführte Regelung der Heizungsvorlauftemperatur gesteuert
wird. Tn ist der Normalwert der Raumtemperatur TR, welcher dem Langzeitaufenthalt
von Personen in diesem Raum dient Da der betreffende Gebäuderaum in der Heizperiode
Wärme nach außen verliert, hat er in jedem Fall Wände, insbesondere eine Außenwand,
gegebenenfalls aber auch Decke oder Boden, deren Temperatur auch während der ersten
Zeitintervalle Dt 1 von der Raumlufttemperatur abweicht und sich auf das humane
Wärme empfinden mit auswirkt Eine solche »Raumkörpertemperatur TW« wird an einer
geeigneten Stelle mittels eines Temperaturfühlers gemessen, beispielsweise als Temperatur
der raumseitigen Oberfläche einer Innenwand des Raumes, wobei die Meßstelle vorzugsweise
nahe einer Außenwand dieses Raumes sein kann. Die Oberfläche dieser Innenwand, deren
Temperatur gemessen wird, ist dabei die an den Luftraum dieses Gebäuderaumes angrenzende
Fläche dieser Innenwand. Außer dieser Raumkörpertemperatur TW wird ferner die Raumlufttemperatur
TL gemessen. In dem Diagramm nach F i g. 1 ist die Raumtemperatur TR der arithmetische
Mittelwert zwischen TLund TWd. h. 7R = 0,5 (TL+ TW) In dem Diagramm nach Fig 1 wird
in den ersten Zeitintervallen Dt 1 und damit bis zum Zeitpunkt to die Normaltemperatur
7b eines Gebäuderaumes geregelt oder witterungsgeführt gesteuert Zum Zeitpunkt to
beginnt ein Zwischenzeitintervall Dt2, in dem die Zufuhr von Heizenergie zu diesem
Raum abgeschaltet wird, was auf unterschiedliche Weise erfolgen kann, beispielsweise
durch Abschalten des Heizkessels oder durch Abschalten der Zufuhr von Wärmeträgermedium
in den betreffenden Heizkreis mittels eines Mischventils, Absperrventils oder durch
Abschalten einer dem Fördern des Wärmeträgermediums dienenden Umwälzpumpe oder dergleichen.
Nunmehr kühlt dieser Raum langsam aus, wobei seine gemessene Lufttemperatur TL schneller
abnimmt als die gemessene Raumkörpertemperatur, da die Raumluft nur geringe Wärmekapazität
hat und demzufolge rascher abkühlt als die Begrenzungen (Wände, Decke, Fußboden)
dieses Raumes und dessen Einrichtungsgegenstände. Jedoch stellt sich nach einiger
Zeit eine nahezu konstante Temperaturdifferenz zwischen der gefühlten Raumkörpertemperatur
TNund der gefühlten Raumlufttemperatur TL ein. Diese
Temperaturdifferenz andert sich
beim weiteren Absinken der Raumtemperatur TR kaum noch Das Zwischenzeitintervall
Dt 2 kann beispielsweise eine Nachtabsenkungsperiode sein, die von Büroschluß bis
zum Burobeginn des nächsten Tages reicht Zum Zeitpunkt t2 ist das Zwischenzeitintervall
Dt 2 beendet, d. h, daß ab t2 die Normaltemperatur Tn im Raum wieder ungefähr vorliegt
Es wird deshalb innerhalb des Zwischenzeitintervalls in weiter unten noch näher
erläuterter Weise so rechtzeitig auf Schnellaufheizung umgeschaltet, daß durch die
maximal mögliche oder nahezu maximal mögliche Zufuhr von Wärmeenergie durch die
Heizungsanlage in den Gebäuderaum in diesem Raum zum Zeitpunkt t2 der Normalwert
Tn der Raumtemperatur TR wieder ungefähr erreicht ist Beispielsweise wird, falls
der Heizkessel der Heizungsanlage abgeschaltet war, dieser zwecks Beginn der Schnellaufheizung
wieder eingeschaltet, und sein Brenner brennt so lange mit maximaler Brennstoffzufuhr,
bis die eingestellte maximale Kesselvorlauftemperatur erreicht ist, welche dann
bis zum Ende der Schnellaufheizung beibehalten wird.
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Oder es kann die Kesselvorlauftemperatur ständig maximal eingestellt
und ein die Heizungsvorlauftemperatur steuerndes Mischventil vorgesehen sein, welches
zwecks Schnellaufheizung maximal geöffnet wird, so daß in die Heizungsvorlaufleitung
nur noch Kesselvorlaufmedium einströmt und die Beimischung von kühlerem Heizungsrücklaufmedium
zum Heizungsvorlaufmedium abgesperrt ist. Es bestehen auch andere Möglichkeiten,
das Schnellaufheizen durchzuführen.
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Es kann in manchen Fällen auch vorgesehen sein, das Schnellaufheizen
nicht mit ununterbrochen maximal möglicher Energiezufuhr in den betreffenden Gebäuderaum
vorzusehen, sondern einen zeitabhängig ansteigenden Sollwert der Raumtemperatur
für das Schnellaufheizen so zu berechnen und die Raumtemperatur gemäß diesem gleitenden
Sollwert bis zum programmierten Ende t2 des Zwischenzeitintervalls Dt 2 zu regeln,
daß die Normaltemperatur zum programmierten Zeitpunkt t2 erreicht wird.
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Falls dagegen die Schnellaufheizung mit ununterbrochen maximal möglicher
Energiezufuhr durch die Heizungsanlage durchgeführt wird, kann die Normaltemperatur
Tn auch etwas zu früh erreicht werden, so daß es zweckmäßig ist, auf die Steuerung
oder Regelung der Normaltemperatur Tn unabhängig vom programmierten Zeitpunkt t2
immer dann umzuschalten, wenn die Raumtemperatur die Normaltemperatur erreicht.
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Nach Beginn der zum Zeitpunkt tlo eingeschalteten Schnellaufheizung
steigt zunächst die Temperatur TL der Raumluft schneller als die Raumkörpertemperatur
TW wegen der viel größeren Wärmekapazität der Wände, der Decke, des Fußbodens und
der Einrichtungsgegenstände des Raumes. Es stellt sich jedoch nach einiger Zeit
(in F i g. 1 und 2 ist dieser Zeitpunkt mit t4 bezeichnet) eine beim weiteren Temperaturanstieg
dann ungefähr konstant bleibende Temperaturdifferenz zwischen der gefühlten Raumlufttemperatur
TL und der gefühlten Raumkörpertemperatur TW ein.
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Diese Differenz kann bis zu einige Grad Kelvin betragen und ist nahezu
unabhängig von der Außentemperatur Ta Deshalb verlaufen die Kurven für die Raumlufttemperatur
TL und die Raumkörpertemperatur TW ab dem Zeitpunkt t4 zueinander ungefähr parallel.
Dagegen ändert sich die Raumlufttemperatur TL im Bereich zwischen tlo und 4 anfänglich
viel rascher als die Raumkörpertemperatur. Der Raumlufttemperaturanstieg
verlangsamt
sich jedoch degressiv bis zum Zeitpunkt 4 und nimmt dann bis zum Zeitpunkt k ungefähr
parallel zur gefühlten Raumkörpertemperatur TWzu.
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Die voll ausgezogen dargestellte Raumtemperatur TR entspricht jeweils
einer dem humanen Wärmeempfinden entsprechenden Temperatur, welche selbst nicht
direkt gemessen wird, sondern aus der gemessenen Raumkörpertemperatur TW und der
gemessenen Raumlufttemperatur TL als arithmetischer oder in manchen Fällen auch
als gewichteter Mittelwert gebildet wird.
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Dem Diagramm nach F i g. 1 liegt eine angenommene konstante Außentemperatur
zugrunde.
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In F i g. 2 ist ein zeitgedehnter Ausschnitt aus F i g. 1 dargestellt,
in welchen zusätzlich eine für die bei diesem Diagramm angenommene konstante Außentemperatur
geltende, außentemperaturabhängige Einschalttemperatur-Kennlinie Te strichzweipunktiert
mit eingezeichnet ist, die mittels eines beispielsweise als Analog- oder Digitalrechner
ausgebildeten Funktionsgenerators erzeugt wird, d. h7 daß das Ausgangssignal dieses
Funktionsgenerators sich gemäß der Kennlinie Te zeitabhängig ändert Die Einschalttemperatur
Te ist also keine gemessene Temperatur, sondern eine berechnete bzw. experimentell
festgelegte zeitabhängige und außentemperaturabhängige Temperatur, deren zeitlicher
Verlauf durch einen Funktionsgenerator ab einer vorbestimmten Zeitspanne vor dem
Ende t2 jedes Zwischenintervalls Dt2 berechnet wird. Diese Einschalttemperatur Tewird
ständig mit der Raumtemperatur TR verglichen, und wenn die Einschalttemperatur Tr
die momentane Raumtemperatur TR erreicht, was in F i g. 2 zum Zeitpunkt tlo eintritt,
wird die Heizungsanlage auf Schnellaufheizung des Gebäuderaumes geschaltet. Der
die Einschalttemperatur Te liefernde Funktionsgenerator kann dann, falls die Schnellaufheizung
mit der maximal möglichen Energiezufuhr durch die Heizungsanlage zu dem Raum erfolgt,
abgeschaltet werden. Da die Einschalttemperatur-Kennlinie Te so getroffen ist, daß
bei der betreffenden Außentemperatur dann die Normaltemperatur Tn etwa zum Zeitpunkt
t2 erreicht ist, ist dies besonders vorteilhaft.
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Jedoch kann gegebenenfalls auch vorgesehen sein, die Schnellaufheizung
durch Regeln der Raumtemperatur gemäß einem gleitenden Sollwert der Raumtemperatur
durchzuführen. Eine für eine solche Regelung vorteilhafte Sollwert-Kennlinie 15
der Raumtemperatur ist in F i g. 2 punktiert dargestellt. Dieser Sollwert kann von
einem Funktionsgenerator erzeugt werden, der vorteilhaft ganz oder teilweise mit
dem die Einschalttemperatur-Kennlinie erzeugenden Funktionsgenerator identisch sein
kann oder auch ein gesonderter Funktionsgenerator sein kann. Diese Sollwert-Kennlinie
15 kann beispielsweise Tw 0,5 (TLE- TWE) entsprechen, wo TWder Verlauf der Raumkörpertemperatur
TW während der Schnellaufheizung im Falle ununterbrochener maximal möglicher Energiezufuhr
durch die Heizungsanlage zu dem Raum ist, so daß die Kurve 15 parallel zur Kurve
TWim Zeitraum von fio bis t2 verläuft Anstelle dieses Verlaufs kann sie auch ungefähr
den Verlauf der Raumtemperatur TR im Zeitraum von tto bis t2 haben, die sich bei
der Schnellaufheizung ergibt, wenn diese mit maximal möglicher oder nahezu maximal
möglicher Energiezu-
fuhr zu dem Raum durch die Heizungsanlage bei der betreffenden
Außentemperatur durchgeführt wird.
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Die Einschalttemperatur-Kennlinie Te hat folgenden Verlauf: Sie entspricht
in dem mit 19t bezeichneten, von t3 bis tb reichenden Bereich, der also vom programmierten
Beginn t3 ihrer Erzeugung bis zum Zeitpunkt tb reicht, demjenigen zeitlich ansteigenden
Verlauf der gefühlten Raumkörpertemperatur TWbei der betreffenden Außentemperatur,
welcher entsteht, wenn -ausgehend von vorangehend langzeitig abgeschalteter Heizungsanlage
bzw. langzeitig ausgeschaltetem Heizkreis (falls mit Beginn der Zwischenzeitintervalle
nur der betreffende Heizkreis und nicht die ganze Heizungsanlage abgeschaltet wird)
- die Raumkörpertemperatur TW durch maximal mögliche Zufuhr von Heizenergie durch
die Heizungsanlage in den betreffenden Gebäuderaum mit ungefähr konstanter Differenz
zur dabei vorliegenden Raumlufttemperatur TL ansteigen würde. Dieser Anstieg der
Raumlufttemperatur bei maximal möglicher Energiezufuhr zu dem Raum ist in F i g.
2 durch die aus abwechselnden Strichen und Kreuzen gebildeten Kurve 20 dargestellt
Der Bereich 19' der Kurve Te im Zeitraum von t3 bis tb entspricht also dem zeitlichen
Verlauf der gefühlten Raumkörpertemperatur TUN der sich ergibt oder ergeben würde,
wenn diese Raumkörpertemperatur TWden am Beginn t3 der Einschalttemperatur-Kennlinie
Te angenommenen niedrigen Wert hat und zum Zeitpunkt t3 die Raumlufttemperatur TL
bereits ihre ungefähre konstante Überhöhung zur Raumkörpertemperatur erreicht hat
und folglich auch die Heizungsanlage zum Zeitpunkt t3 bereits ihre maximale Heizungsvorlauftemperatur
hat und im weiteren der Raum mit maximal möglicher Energiezufuhr durch die Heizungsanlage
aufgeheizt wird.
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Der in der Zeitspanne zwischen tb und t2 liegende Bereich 21' der
Einschalttemperatur-Kennlinie Te hat dagegen die Gestalt der Raumtemperaturkurve
TR zwischen den Punkten 16 und 17, welcher Kurvenbereich mit 21 bezeichnet ist und
zur Bildung des Bereichs von Te zwischen tb und t2 so parallel zu sich selbst in
die Lage 21' verschoben wurde, daß sein Punkt 17 in die Stellung 17' verschoben
ist, d. h. zum Zeitpunkt t2 zumindest nahezu den Wert Tn hat, und sein Punkt 16
zum Zeitpunkt tb die Stellung 16' hat, d. h. am rechten Ende des von links bis zum
Zeitpunkt tb reichenden vorerwähnten Bereiches 19' der Einschalttemperatur-Kennlinie
liegt Dieser von 16 bis 17 reichende Kurvenbereich 21 der Raumtemperatur 7R ist
folgender: Am Punkt 16 beginnt im Falle der Schnellaufheizung die gefühlte Raumkörpertemperatur
anzusteigen. Bis zum Beginn der Schnellaufheizung war ferner die Heizungsanlage
bzw. ihr betreffender Heizkreis seit Beginn des Zwischenzeitintervalls ausgeschaltet.
Der Punkt 16 liegt ferner auf dem Bereich 19' der Kurve. Die Gestalt des Bereiches
21 ist praktisch unabhängig von der Lage des Punktes 16 auf dem Bereich 19' der
TeKurve. Der Punkt 16 muß jedoch vor dem Zeitpunkt tb liegen. Der Punkt 17 der gemessen
gedachten TR-Kurve ist so getroffen, daß der Bereich 21 der TR-Kurve ungefähr ihrem
anfänglichen Abschnitt entspricht, welcher seinen Abstand von der gemessen gedachten
Raumkörpertemperatur noch stetig vergrößert In diesem Ausführungsbeispiel ist der
Punkt 17 kurz vor 4 gelegt, d. h. kurz vor Beginn des Bereiches der Raumtemperatur
TR, welcher während der Schnellaufheizung ungefähr parallel zur Raumkörpertemperatur
TW verläuft Der Punkt 17
kann auch etwas weiter links oder rechts
als dargestellt liegen, und es kann die Zeitspanne t2- tb vorzugsweise 80 bis 110%
der Zeitspanne 4- ti6 betragen, wo t16 der Zeitpunkt des Beginns 16 des Anstiegs
der Raumtemperatur nach Einschalten der Schnellaufheizung ist.
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Dieser Kurvenbereich 21' der Einschalttemperatur-Kennlinie trägt
dem Umstand Rechnung, daß, falls sich Raumtemperatur und Einschalttemperatur-Kennlinie
erst zwischen tb und t2 treffen, die Heizungsvorlauftemperatur zum Zeitpunkt t2
noch nicht ihren maximalen Wert erreicht und damit auch die Raumlufttemperatur TL
bis zum Zeitpunkt t2 noch schneller ansteigt als die Raumkörpertemperatur Tw Der
Punkt 17' braucht nicht ganz genau Tn zu entsprechen. Es genügt für die praktischen
Bedürfnisse oft, wenn er Tn nur nahekommt, beispielsweise bis auf 0,2" K.
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Der Abstand des Zeitpunkts tb vor t2 entspricht dem zeitlichen Abstand
des Punktes 16 vom Punkt 17 in Fig.2, da der Bereich 21' durch Parallelverschiebung
des Bereiches 21 zu sich selbst entstanden ist.
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Im Diagramm der F i g. 2 sind rechts oben drei kurze horizontale
Kurvenabschnitte TLE, TRE und TWE eingetragen. TLE entspricht derjenigen Raumlufttemperatur,
die bei der vorliegenden Außentemperatur durch die Heizungsanlage maximal erreicht
werden kann, d. h. durch ununterbrochene maximale Zufuhr von Wärmeenergie zu dem
Gebäuderaum durch die Heizungsanlage, bis die Lufttemperatur ihren stationären Maximalwert
TLE erreicht, der sich also erst nach längerzeitiger ununterbrochener maximaler
Energiezufuhr als stationärer oder nahezu stationärer Endwert einstellt. Die Temperatur
TWEentspricht dem entspre-
chenden stationären Maximalwert der Raumkörpertemperatur,
und TRE ist der arithmetische Mittelwert, d. h. TRE = 0,5 (TLE + TWE).
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Die Einschalttemperatur-Kennlinie ändert sich zweckmäßig stetig in
Abhängigkeit der Außentemperatur. Doch kann gegebenenfalls auch sprungartige Änderung
der Einschalttemperatur-Kennlinie in Abhängigkeit der Außentemperatur vorgesehen
sein, d. h., daß in letzterem Falle nur eine diskrete Anzahl von Einschalttemperatur-Kennlinie
programmiert ist.
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Die Einschalttemperatur-Kennlinie und ihre Änderung in Abhängigkeit
der Außentemperatur läßt sich rein experimentell ermitteln.
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Es ist jedoch auch möglich und meist vorteilhafter, die Einschalttemperatur-Kennlinie
rechnerisch unter Einbeziehung je einer meßtechnisch leicht zu ermittelnden, mit
guter Näherung als unabhängig von der Außentemperatur angenommenen Konstanten für
das Gebäude und die Heizungsanlage sowie der ebenfalls leicht zu ermittelnden Maximaltemperaturen
TWE und TLE zu ermitteln. Letztere können meist als zueinander parallele Gerade,
die sich linear mit der Außentemperatur ändern, angenommen werden. Man kann dann
den der Erzeugung der Einschalttemperatur-Kennlinie dienenden Funktionsgenerator
so ausbilden, daß diese Konstanten und TWEund TLEsich von Hand einstellen lassen.
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Bevorzugt kann die Einschalttemperatur-Kennlinie den nachfolgenden
Gleichungen (1) und (2) entsprechen, wobei die Gleichung (1) für den Zeitraum vom
Beginn t3 ihrer Erzeugung bis zum Zeitpunkt tb und die Gleichung (2) für den Zeitraum
von tb bis t2 gilt.
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Te = Tn - G(ePl(t2 - t) - 1) - F + Fe~P2('2-'b) (1) Te = Tn - G(e(-
- - 1) - Fe1, - tb) + F e- Fe(tl - tb) (2) Alle in diesen Gleichungen verwendeten
Symbole sind in der als Anhang beigefügten Liste aufgeführt.
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Die Zeitspanne von tb bis t2 ist unabhängig von der Außentemperatur
konstant In F i g. 2 würde also Gleichung (1) für den Bereich 19' und Gleichung
(2) für den Bereich 21' der Kennlinie gelten.
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Der Funktionsgenerator (Te-Funktionsgenerator), der die Einschalttemperatur
Te in Abhängigkeit von der Zeit und der Außentemperatur analog oder digital berechnet,
kann manuell einstellbare Glieder für die Einstellung von pl. pi und die von der
Außentemperatur abhängigen Werte TLE und TWE enthalten. Da sich TLE und TWE normalerweise
als zueinander parallele Gerade ausreichend genau darstellen lassen, sind für ihre
Einstellung drei Einstellglieder notwendig, nämlich für ihre Differenz, für den
Wert von TLEoder TWEbei einer bestimmten Außentemperatur und für ihre Änderung pro
Grad Außentemperatur. Anstelle der genannten Differenz kann auch eine Einstellmöglichkeit
für den Wert der anderen dieser beiden Größen bei einer bestimmten Außentemperatur
vorgesehen sein.
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Die Ermittlung von TLE und TWE und der Konstanten pi, m bereitet
keine Schwierigkeiten. Es genügt normalerweise, wenn man bei zwei oder drei unterschiedlichen
Außentemperaturen die Temperaturen TLEund TWEmißt, wobei es im allgemeinen sogar
nicht einmal notwendig ist, so lange zu heizen, bis TLE und TWE im betreffenden
Raum erreicht sind, sondern man kann TL und TW beim Aufheizen des Raumes
mittels
eines Kurvenschreibers nur so lange aufzeichnen lassen, bis die Asymptoten, die
TLE und TWE entsprechen, erkennbar werden.
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Auch andere Möglichkeiten zur Ermittlung von TLE und TWE bestehen.
Pi und p2 lassen sich beispielsweise aus zwei experimentell aufgezeichneten Verläufen
von TWund TLmit Hilfe der Gleichung (1) und (2) ermitteln.
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Dem Te-Funktionsgenerator wird auch die einstellbare Normaltemperatur
Tn eingegeben.
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Nach einmal erfolgter Einstellung des Te-Funktionsgenerators auf
das betreffende Gebäude ist es dann nur noch notwendig, wenn man die Normaltemperatur
ändern will, das die Normaltemperatur einstellende Stellglied, beispielsweise einen
Drehknopf, zu verstellen.
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In bekannter Weise ist es zweckmäßig, in den Zwischenzeitintervallen
eine konstante oder von der Außentemperatur abhängige Stütztemperatur zu erzeugen,
welche einem Temperatur-Sollwert der Raumtemperatur entspricht, der von der Raumtemperatur
in dem Zwischenzeitintervall nicht oder nicht erheblich unterschritten werden darf.
Diese Stütztemperatur kann zweckmäßig so getroffen sein, daß es einerseits nicht
zu Schäden durch zu niedrigere Raumtemperatur kommen kann und andererseits die Zeitdauer
für die Schnellaufheizung nicht übermäßig lang dauert, vorzugsweise nicht länger
als 6 bis 12 Stunden. Die Stütztemperaturen können vorzugsweise gemäß der deutschen
Patentanmeldung 2640920 in Abhängigkeit von der Außentemperatur getroffen sein.
Doch kommen auch andere Abhängigkeiten der Stütztemperaturen in Frage, oder
in
einfachsten Fällen kann eine einzige konstante Stütztemperatur vorgesehen sein.
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Vorteilhaft ist beispielsweise in den Fällen Te 1, Te 2 und Te 3
der F i g. 3, diese Einschalttemperatur-Kennlinie zum Zeitpunkt t1 an dem zu diesem
Zeitpunkt jeweils vorliegenden Wert der Stütztemperatur für Ts zu beginnen, wie
es F i g. 3 zeigt.
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Ein Ausführungsbeispiel mit einigen gemäß der Anmeldung 2630920 vorgesehenen
Stütztemperaturen ist im Diagramm nach F i g. 3 dargestellt.
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In diesem Diagramm sind für vier verschiedene Außentemperaturen Ta
= 253°, 265°, 273° und 283° Kelvin vier sich im Zwischenzeitintervall Dt 2 ergebende
Raumtemperaturkurven 10 bis 13 und ihnen zugeordnete Stütztemperaturen Ts dargestellt.
Bevorzugt kann die Stütztemperatur Ts in dem dargestellten Bereich zwischen der
Normaltemperatur Tn, die hier als Beispiel auf 293"K eingestellt ist, und der in
diesem Beispiel niedrigsten angenommenen Stütztemperatur von 280° K stetig in Abhängigkeit
von der Außentemperatur selbsttätig verstellt werden. Diese Stütztemperaturen Ts
sind so getroffen, daß, falls es im Zwischenzeitintervall Dt 2 zum Stützen der Raumtemperatur
durch die jeweilige Stütztemperatur kommt, dann die für die Zeitspanne von tl bis
t2 programmierte Zeitlänge für das Schnellaufheizen stets konstant ist Als besonders
günstig für die Zeitspanne von t1 bis t2 haben sich etwa 4 bis 12 Stunden erwiesen.
Dies gilt für Bürogebäude und vergleichbare Gebäude, jedoch nicht für Wohngebäude.
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Für Wohngebäude kann diese Zeitspanne zweckmäßig weniger als vier
Stunden betragen.
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Zum Zeitpunkt t1 wird mit der Erzeugung der zeitlich ansteigenden
Einschalttemperatur-Kennlinie Te begonnen, sofern nicht bei der betreffenden Außentemperatur
mit der Erzeugung des zeitlichen Anstiegs erst nach t1 begonnen werden kann, wie
es in F i g. 3 als Beispiel für die Kennlinie Te 4 gilt.
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Die jeweilige Einschalttemperatur-Kennlinie hat einen Verlauf, wie
er anhand der F i g. 1 und 2 erläutert wurde und der von der Außentemperatur mit
abhängig ist In diesem Ausführungsbeispiel gilt die Kurve Te 1 für eine Außentemperatur
Ta von 258" K, Te 2 für Ta = 2650 K, Je3 für Ta = 273° K und Te 4 für Ta = 2830kr
Es wird immer dann mit dem Einschalten der Schnellaufheizung begonnen, wenn die
jeweils vom Funktionsgenerator berechnete Einschalttemperatur die jeweilige momentane
Raumtemperatur TR erreicht.
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Die Schnellaufheizung ist in diesem Ausführungsbeispiel mit maximal
möglicher Zufuhr von durch die Heizungsanlage gelieferter Wärmeenergie zu dem betreffenden
Gebäuderaum durchgeführt, und es wird von dieser Schnellaufheizung auf Steuerung
oder Regelung der Raumtemperatur jeweils dann selbsttätig umgeschaltet, sobald gefühlt
wird, daß die Raumtemperatur TR die Normaltemperatur Tn ungefähr erreicht Alle eingezeichneten
Kurven sind natürlich nur Beispiele. In diesem Diagramm kommt es nur für die Raumtemperaturkurve
11 bereits zum Zeitpunkt tt zum Einschalten der Schnellaufheizung, und die Raumtemperatur
erreicht ungefähr zum Zeitpunkt t2 die Normaltemperatur Tn.
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Im Falle der Raumtemperaturkurve 10 ist die ihr zugeordnete Stütztemperatur
Ts gleich der Normaltemperatur Tn, da die Nennleistung der Heizungsanlage hier als
für Ta = 253° K ausgelegt angenommen ist.
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Bei der Raumtemperaturkurve 11 wird die Stütztemperatur, welche hier
zu 289"K angenommen ist, erhebliche Zeit vor t1 erreicht, so daß die Raumtempera-
tur
ab Erreichen der Stütztemperatur geregelt und erst zum Zeitpunkt to von der Regelung
der Stütztemperatur selbsttätig auf Schnellaufheizung umgeschaltet wird.
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In dem Fall, daß es zum Stützen der Raumtemperatur vor dem Zeitpunkt
t1 kam, kann in manchen Fällen auch vorgesehen sein, den Zeitpunkt der Einschaltung
der Schnellaufheizung nicht auf t1 zu legen, sondern ihn um einen konstanten Betrag
oder um einen von der Stütztemperatur abhängigen Betrag vor dem Zeitpunkt t1 vorzusehen,
weil bei längerzeitiger Regelung der Raumtemperatur gemäß der Stütztemperatur die
Raumlufttemperatur TL zum Zeitpunkt des Einschaltens der Schnellaufheizung nicht
wie beispielsweise in F i g. 2 unterhalb der Raumkörpertemperatur TW sondern über
der Raumkörpertemperatur TW liegen kann, so daß in diesem Fall TW unterhalb der
Stütztemperatur liegt und das Schnellaufheizen bis zum Erreichen der Normaltemperatur
deshalb etwas länger dauert, wenn es zum Stützen der Raumtemperatur kam.
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Beispielsweise könnte in Fig. 3 für die Kurve 11 der Einschaltzeitpunkt
der Schnellaufheizung von t1 nach t12 vorverlegt werden. Dies läßt sich schaltungstechnisch
einfach realisieren, indem zum Zeitpunkt t12 gefühlt wird, ob die Raumtemperatur
vor dem Zeitpunkt t12 gestützt wurde oder nicht und, falls die Raumtemperatur nicht
gestützt wurde, wird mit der Schnellaufheizung erst zum Zeitpunkt ti begonnen. Falls
es dagegen zum Stützen der Raumtemperatur gekommen war, wird mit der Schnellaufheizung
zum Zeitpunkt ti2 begonnen. Falls die Stütztemperatur erst zwischen t12 und t1 von
der Raumtemperatur erreicht wurde, kann beispielsweise mit der Schnellaufheizung
am einfachsten erst zum Zeitpunkt t1 begonnen werden, denn dann wurde durch die
Regelung der Stütztemperatur die Raumkörpertemperatur bis zum Zeitpunkt tl noch
nicht nennenswert beeinflußt Es sind natürlich auch Einschaltzeitpunkte der Schnellaufheizung
zwischen t12 und b realisierbar, falls dies erwünscht ist F i g. 4 zeigt schematisch
eine ausschnittsweise dargestellte Heizungsanlage 24 eines Gebäudes oder einer Zone
eines Gebäudes, von dem zwei Räume 25, 25' dargestellt sind und eine ihr zugeordnete
Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Von allen durch
diese Heizungsanlage 24 beheizten Räumen ist ein Raum, hier der Raum 25, als sogenannter
Testraum ausgewählt, d. h daß in ihm die Fühler 26, 27 zum Fühlen der Raumlufttemperatur
TL und einer Raumkörpertemperatur TWangeordnet sind.
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Dieser Testraum 25 ist ein für das betreffende Gebäude oder die betreffende
Gebäudezone bezüglich der durch die Heizungsanlage 24 bewirkten Raumtemperaturen
typischer Raum.
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Die Schalter der Schaltungsanordnung sind in den den ersten Zeitintervallen
Dt 1 entsprechenden Schaltstellungen dargestellt Diese Schaltungsanordnung arbeitet
völlig selbsttätig.
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Die Heizungsanlage 24 weist einen öl- oder gasbefeuerten Heizkessel
29 auf, dessen Kesselvorlaufleitung 30 das Kesselvorlaufwasser zu dem einen Eingang
eines Dreiwegmischers 31 führt, dessen anderer Eingang mittels der Leitung 32 an
die Heizungsrücklaufleitung 33 angeschlossen ist Die an den Ausgang des Mischers
31 angeschlossene Heizungsvorlaufleitung 36 ist über die betreffenden Räume beheizende
Wärmetauscher 34 aufweisende Verbindungsleitungen 37 mit der Heizungsrücklaufleitung
33 verbunden, an die auch die zum Eingang des Heizkessels 29 führende Kesselrücklaufleitung
40 angeschlossen ist.
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Eine Pumpe 38 dient der Umwälzung des Heizmediums, welches normalerweise
Wasser ist Der Heizkreis der dargestellten Anlage wird durch die Leitungen 36, 37,
33,32 gebildet Der Fühler 37 zum Fühlen der Raumkörpertemperatur TWkann vorzugsweise
eine Oberflächentemperatur einer Begrenzungswand des Raumes 25 fühlen, wobei die
Meßstelle meist zweckmäßig an einer Innenwand dieses Raumes 25 nahe einer Außenwand
sein kann. Die beiden Fühler 26, 27 sind an die Eingänge eines einen Mittelwert
ihrer Fühlsignale bildenden Mittelwertbildners 28 angeschlossen, dessen Ausgangssignal
also der Raumtemperatur TR entspricht.wobei vorzugsweise als Mittelwert TR der ungewichtete
arithmetische Mittelwert 0,5.. (TW + TL)dienen kann.
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Ein Analog-~oder Digitalrechner 42, welcher beispielsweise als elektrische
Meßbrücke ausgebildet sein kann, berechnet in Abhängigkeit der von dem Fühler 43
gemessenen Außentemperatur in bekannter Weise den Sollwert der Heizungsvorlauftemperatur
THv, wobei der funktionelle Zusammenhang zwischen diesem Sollwert der. Heizungsvorlauftemperatur
THv und der Außentemperatur Ta so getroffen ist, daß hierdurch in dem Testraum 25
und damit auch in den- anderen von der Anlage 24 beheizten Räumen, wie 25', die
mittels eines manuell bedienbaren Stellers 44 einstellbare Normaltemperatur Tn gesteuert
wird. Der Steller 44 kann beispielsweise ein elektrisches Potentiometer sein.
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-Diese Raumtemperatursteuerung findet nur in den ersten Zeitintervallen
Dt 1 statt Zwecks dieser Steuerung der Raumtemperatur auf den Normalwert Tn ist
der Ausgang des Rechners 42 an den Sollwert-Eingang eines die Heizungsvorlauftemperatur
regelnden Reglers 41 angeschlossen, dessen Istwert-Eingang der von einem Fühler
48 gefühlte Istwert der Heizungsvorlauftemperatur THveingegeben wird. THv ist die
Temperatur des Heizmediums in der Leitung 36. Der Regler 41 bildet die Regelabweichung,
d. h. die Differenz zwischen Sollwert und Istwert von THv, und setzt die.Regelabweichung
in Steuersignale zur Steuerung eines Stellmotors 45 um. Dieser Stellmotor 45 steuert
das Küken des Mischventils 31 so, daß die jeweilige Regelabweichung ausgeregelt
wird. Der Regler 41 kann vorzugsweise ein stetiger Regler beispielsweise ein PID-Regler
sein.
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Es ist ferner eine Zeitschaltuhr 46 vorgesehen, welche auf die gewünschten
tageszeitlichen und vorzugsweise auch kalenderzeitlichen Absenkungen der Raumtemperatur
im Testraum 25 und damit auch in den anderen von dieser Heizungsanlage 24 beheizten
Räumen programmierbar ist, d. h., sie ist auf die Zeitpunkte to und t2 jedes gewünschten
Zwischenzeitintervalls Dt 2 programmierbar. Die programmierten Zeitpunkte t2 werden
dabei nicht zum Umschalten auf das jeweils nachfolgende erste Zeitintervall benutzt,
da dies ein Vergleicher 63 bewirkt, sondern nur zum Berechnen des anhand der F 1
g. 3 erläuterten Zeitpunktes t1 benutzt, welcher eine konstante, vorzugsweise einstellbare
Zeitspanne vor dem programmierten Zeitpunkt t2 liegt Diese in F i g. 4 dargestellte
Schaltungsanordnung kann, wie anhand der F i g. 3 erläutert, selbsttätig arbeiten.
Diese Schaltungsanordnung liefert ferner Zeittaktimpulse in einen die Einschalttemperatur
Te berechnenden Funktionsgenerator 47, an dessen Ausgang, wenn er durch die Zeitschaltuhr
eingeschaltet ist, ein gemäß der jeweils geltenden Einschalttemperatur-Kennlinie
gleitendes Signal, beispielsweise ein Gleichstromsignal, auftritt, das der Einschalttemperatur
Te entspricht
Dieser Funktionsgenerator 47 kann, wenn er nach den Gleichungen (1)
und (2) rechnet, die sich zeitlich ändernden e-Funktionen dieser Gleichungen beispielsweise
mittels je eines Operationsverstärkers berechnen, der über ohmsche Widerstände rückgekoppelt
ist, von denen einer durch einen durch die von der Zeitschaltuhr 46 über die Leitung
49 gelieferten Zeittaktimpulse angetriebenen Synchronmotor oder Digital-Analog-Umsetzer
des Funktionsgenerators 47 verstellbar ist, wodurch die zeitliche Änderung des Wertes
- der betreffenden e-Funktion entsteht Die Einschaltung dieses Funktionsgenerators
47 erfolgt über die Leitung 50 durch die Zeitschaltuhr 46 zum jeweiligen programmierten
Zeitpunkt, beispielsweise bei t1 (F i g. 3). In die Leitungen 49,50 sind Schalter
51, 52 zwischengeschaltet, die durch einen von einem Ausgang eines Vergleichers
53 einem Stellglied 54 gelieferten Schaltimpuls ausgeschaltet werden und durch einen
von der Uhr 46 diesem Stellglied 54 aufdrückbaren Schaltimpuls eingeschaltet werden.
Sobald diese beiden Schalter 51, 52 geschlossen sind, erzeugt der Funktionsgenerator
47 ein der Einschalttemperatur Te in Abhängigkeit der Außentemperatur und der Zeit
entsprechendes Ausgangssignal. Durch jedes Öffnen der Schalter 51, 52 wird der Funktionsgenerator
47 auch wieder zurückgestellt Die Einschalttemperatur Te verläuft so, daß, wenn
es durch sie infolge des Erreichens der Gleichheit der Signale TR und Te zum Einschalten
der Schnellaufheizung kommt, durch dieses Schnellaufheizen die Raumtemperatur TR
ihren mittels des Stellers 44 eingestellten Normalwert Tn ungefähr zum programmierten
Zeitpunkt t2 wieder erreicht.
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Da die Einschalttemperatur-Kennlinie Te abhängig ist von der Außentemperatur
Ta und der Normaltemperatur Tn, wird in diesen Funktionsgenerator 47 auch die von
dem Fühler 43 gefühlte Außentemperatur Ta sowie die mit dem Steller 44 eingestellte
Normaltemperatur Tn eingegeben. Und zwar sind bei den Gleichungen (1) und (2) die
Größen TLEund TWE außentemperaturababhängig Der Ausgang dieses Funktionsgenerators
47 ist an den einen Eingang des Vergleichers 53 angeschlossen, dessen anderem Eingang
das vom Mittelwertbildner 28 gelieferte Raumtemperatursignal TR eingegeben wird,
das auch dem anderen Vergleicher 63 eingegeben wird.
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Sobald die beiden Eingangssignale des Vergleichers 53 gleieh groß
sind, d. h. Te = TR ist, liefert der Vergleicher 53 ein Signal zum Stellglied 54
zum Öffnen der beiden Schalter 52, 51 und gleichzeitig auch ein Signal zu einem
anderen Stellglied 55, das zwei andere Schalter 56, 57 hierdurch aus den dargestellten
Stellungen in ihre anderen Stellungen umschaltet, wodurch von Regeln der Stütztemperatur
Ts auf Schnellaufheizen umgeschaltet wird.
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Durch den Ausgangsimpuls des anderen Vergleichers 63, der bei Gleichheit
von TR und Tn auftritt, wird ein Stellglied 64 zum Öffnen eines Schalters 66 und
Schließen eines Schalters 67 beaufschlagt, wodurch das Zwischenzeitintervall Dt
2 beendet und das jeweils nachfolgende erste Zeitintervall Dt 1 ungefähr zum programmierten
Zeitpunkt t2 eingeschaltet wird. Der Vergleicher 63 wird vom Stellglied 55 mit Beginn
der Schnellaufheizung eingeschaltet und schaltet sich selbst wieder aus, wenn er
seinen Ausgangsimpuls zum Stellglied 64 liefert Es ist ferner ein analog oder digital
arbeitender Stütztemperatur-Rechner .59 vorhanden, der die Stütztemperatur
Ts
in Abhängigkeit der vom Fühler 43 gefühlten Außentemperatur und des ihm durch den
T>Steller 44 eingegebenen Wertes der eingestellten Normaltemperatur Tn berechnet
Sein Ausgang ist über die Leitung 60, in die der Schalter 56 zwischengeschaltet
ist, an den Sollwert-Eingang eines Zweipunktreglers 61 angeschlossen, welcher dem
Regeln der Raumtemperatur auf die Stütztemperatur dient und der auch noch weitere
Aufgaben hat. Dieser Rechner 59 kann vorzugsweise mit dem Funktionsgenerator 47
schaltungsmäßig vereinigt sein, gegebenenfalls durch den Funktionsgenerator 47 mitgebildet
sein.
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Dem Istwert-Eingang dieses Zweipunktreglers 61 ist ständig das vom
Mittelwertbildner 28 gelieferte Raumtemperatursignal TR aufgedrückt Der Ausgang
dieses Zweipunktreglers 61 ist über eine Leitung 62, in die der durch das Stellglied
64 betätigbare Schalter 66 zwischengeschaltet ist, an die Eingangsleitung des Stellmotors
45 anschließbar.
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Die dargestellte Schaltungsanordnung und die Heizungsanlage 24 arbeiten
wie folgt.
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Der Heizkessel 29 kann beispielsweise so geregelt werden, daß er
ständig Kesselvorlaufwasser konstanter Temperatur von beispielsweise 3630K liefert
Es ist jedoch auch möglich und noch energiesparender, daß während der Zwischenzeitintervalle
Dt2 die Kesselvorlauftemperatur des Kessels abgesenkt wird, beispielsweise auf 40"C,
und erst mit Beginn der Schnellaufheizung wieder auf Regelung des durch einen Temperaturbegrenzer
begrenzten Maximalwertes der Kesselvorlauftemperatur von beispielsweise 363"K selbsttätig
in nicht dargestellter Weise umgeschaltet wird.
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Während der ersten Zeitintervalle Dz 1, während welcher die Normaltemperatur
Tn durch witterungsgeführte Regelung der Heizungsvorlauftemperatur gesteuert wird,
befinden sich alle Schalter der Schaltungsanordnung in den in F i g. 4 dargestellten
Schaltstellungen.
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Der Vergleicher 63 ist ausgeschaltet F i g. 4 zeigt also im Augenblick
die witterungsgeführte Regelung der Heizungsvorlauftemperatur THv zur Steuerung
der Normaltemperatur Tn im Testraum 25.
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Zum nächsten programmierten Zeitpunkt fo liefert die Zeitschaltuhr
46 ein Signal zu dem Stellglied 64, welches hierdurch den Schalter 66 schließt und
den Schalter 67 öffnet, so daß der Regler 41 zur Beendigung der Steuerung der Raumtemperatur
TR abgeschaltet und der der Regelung der Raumtemperatur dienende Zweipunktregler
61 eingeschaltet wird. Gleichzeitig wird durch einen von der Uhr 46 zum Stellglied
55 gelieferten Impuls der Schalter 57 geöffnet und der Schalter 56 geschlossen,
so daß der Zweipunktregler 61 als Sollwert die jeweilige vom Rechner 59 berechnete
Stütztemperatur erhält. Hierdurch wird, wenn Ts kleiner als TR ist, wegen der hieraus
sich ergebenden Regelabweichung TR-Ts der Stellmotor 45 durch den Zweipunktregler
61 so gesteuert, daß er das Mischventil 31 schließt, d. ht den Zufluß von Kesselvorlaufwasser
in die Heizungsvorlaufleitung 36 absperrt, so daß die Pumpe 38 das Wasser nur noch
im Heizkreis 35 umwälzt, das sich hierdurch wegen der fehlenden Wärmezufuhr rasch
bis auf die Raumtemperatur abkühlt.
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Die Raumtemperatur sinkt hierdurch je nach Außentemperatur langsamer
oder rascher ab, und solange die Raumtemperatur größer als die Stütztemperatur ist,
bleibt das Mischventil 31 geschlossen. Sinkt dagegen die Raumtemperatur vor dem
Umschalten auf
Schnellaufheizung auf die jeweilige Stütztemperatur Ts ab, wird die
Raumtemperatur auf der Stütztemperatur durch Zweipunktregeln mittels des Zweipunktreglers
61 und des von ihm angesteuerten Stellmotors 45 gehalten, indem der Stellmotor 45
zeitweise das Mischventil 31 in der für die Aufrechterhaltung der Stütztemperatur
im Raum 25 erforderlichen Weise zwecks Einströmens von Kesselvorlaufwasser in die
Heizungsvorlaufleitung 36 mehr oder weniger weit öffnet.
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Zum programmierten Zeitpunkt t1 schaltet die Zeitschaltuhr 46 den
Funktionsgenerator 47 zur Erzeugung des Einschalttemperatursignals Te ein.
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Im Falle der Temperatur-Kennlinie Te 4 in F i g. 3 erzeugt der Funktionsgenerator
nach seinem Einschalten eine Zeitlang ein konstantes Temperatursignal, das der Stütztemperatur
von 280"K entspricht, und der zeitliche Anstieg der Einschalttemperatur Te 4 beginnt
erst später. Bei den anderen in F i g. 3 dargestellten Einschalttemperatur-Kennlinien
Te 1, Te 2 und Te 3 beginnt der zeitliche Anstieg der Einschalttemperatur sofort
zum Zeitpunkt tt.
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Sobald der Vergleicher 53 fühlt, daß die Einschalttemperatur Te der
ihm ebenfalls eingegebenen Raumtemperatur TR entspricht, liefert er ein Ausgangs
signal zu den beiden Stellgliedern 54 und 55, so daß das Stellglied 54 die Schalter
51, 52 zum Ausschalten des Funktionsgenerators 47 öffnet. Das Stellglied 55 schließt
gleichzeitig den Schalter 57 und öffnet den Schalter 56, wodurch der Stütztemperatur-Rechner
59 vom Sollwerteingang des Zweipunktreglers 61 abgeschaltet und an seiner Stelle
das vom Steller 44 gelieferte, der Normaltemperatur Tn entsprechende Signal dem
Sollwerteingang des Zweipunktreglers 61 aufgedrückt wird. Hierdurch bewirkt der
Zweipunktregler 41 nunmehr die Schnellaufheizung der Raumtemperatur TR auf den Normalwert
Tn, da dieser Zweipunktregler 61 infolge der ihm nunmehr aufgedrückten Regelabweichung
Tn-TR den Stellmotor 45 so steuert, daß dieser rasch das Mischventil 31 völlig öffnet
und damit den Zufluß von Heizungsrücklaufwasser aus der Leitung 32 in die Heizungsvorlaufleitung
36 absperrt, so daß in die Heizungsvorlaufleitung 36 nunmehr ausschließlich vom
Heizkessel 29 kommendes Kesselvorlaufwasser einströmt Damit wird den von dieser
Heizungsanlage 24 versorgten Räumen, wie 25, 25', die ihnen durch die Heizungsanlage
maximal mögliche Wärmeenergie zugeführt, so daß die Raumtemperatur schnellstmöglich
bis zur Normaltemperatur Tn angehoben wird. Sobald die Raumtemperatur TR die Normaltemperatur
Tn erreicht hat, liefert der Vergleicher 63 das das Stellglied 64 zum Öffnen des
Schalters 66 und Schließen des Schalters 67 beaufschlagende Signal, so daß der Zweipunktregler
61 sich hierdurch selbst abschaltet und durch Einschalten des Reglers 41 wieder
auf witterungsgeführtes Regeln der Heizungsvorlauftemperatur zur Steuerung der erreichten
Normaltemperatur Tn umgeschaltet wird, womit ein neues erstes Zeitintervall Dt 1
beginnt Im Ausführungsbeispiel nach Fig.4 bewirkt der Vergleicher 63 stets die Umschaltung
vom jeweiligen Zwischenzeitintervall Dt2 auf das jeweils nachfolgende erste Zeitintervall
Dtl, unabhängig von dem in der Zeitschaltuhr 46 programmierten Endzeitpunkt t2 des
Zwischenzeitintervalls. Dieser Endzeitpunkt t2 hat dann also, wie bereits erwähnt,
nur Bedeutung für die Berechnung des Zeitpunktes tb.
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Es kann jedoch in manchen Fällen auch zweckmäßig sein, daß der Vergleicher
63 nur dann die Umschaltung
von dem betreffenden Zwischenzeitintervall
auf das nachfolgende erste Zwischenzeitintervall auslöst, falls er diese Umschaltung
vor Erreichen des in der Zeitschaltuhr 46 programmierten Endes t2 dieses Zwischenzeitintervalls
auslöst, wogegen immer dann, wenn diese vorzeitige Umschaltung nicht stattfindet,
die Zeitschaltuhr 46 die Umschaltung vom Zwischenzeitintervall auf das nachfolgende
erste Zeitintervall zum jeweils programmierten Zeitpunkt t2 auslöst.
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Da die Einschalttemperatur-Kennlinie Te so getroffen ist, daß durch
das Schnellaufheizen die Raumtemperatur TR stets in der Nähe des programmierten
Zeitendes t2 des Zwischenzeitintervalls den Normalwert Tn erreicht, kann in manchen
Fällen auch vorgesehen sein, daß die Programmschaltuhr 46 stets das Umschalten vom
Zwischenzeitintervall Dt 2 auf das jeweils nachfolgende erste Zeitintervall Dtl
zum programmierten Zeitende t2 auslöst.
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Falls der Zweipunktregler 61 im Gefolge des Einschaltens der Schnellaufheizung
den Stellmotor 45 nur mit Unterbrechungen zum vollen Öffnen des Mischventils 31
ansteuert, was aus regelungstechnischen Gründen für die Regelung der Stütztemperatur
zweckmäßig sein kann, kann bevorzugt vorgesehen sein, daß der Zweipunktregler im
Gefolge der Umschaltung des ihm aufgedrückten Sollwertes auf den Normalwert Tn ein
Ausgangssignal zum ununterbrochenen Einschalten des Stellmotors 45 liefert, so daß
der Stellmotor 45 den Mischer 31 maximal rasch voll öffnet.
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Anstelle des einzigen Testraumes 25 können gegebenenfalls auch mehrere
Testräume vorgesehen sein, in denen Temperaturfühler für TL und TW angeordnet smd,
wobei die gefühlten Werte TL und ebenfalls die gefühlten Werte TWjeweils gemittelt
werden.
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Die am Funktionsgenerator 47 nach erfolgter Installation der ihn
aufweisenden Schaltungsanordnung zur Einstellung der dem betreffenden Gebäude und
der Heizungsanlage angepaßten Einschalttemperatur-Kennlinie Te vorzunehmenden Einstellungen
der Parameter von Te können von Hand oder automatisch vorgenommen werden. Die Normaltemperatur
Tn wird jedoch im Falle automatischer Einstellung der anderen Parameter dennoch
normalerweise von Hand vorgenommen und kann auch nachträglich jederzeit verstellt
werden. Beispielsweise können einstellbare Widerstände und/oder Festwertspeicher
des Funktionsgenerators die Werte der betreffenden Parameter speichern.
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Die die Einschalttemperatur-Kennlinie Te bestimmenden Parameter,
welche am Funktionsgenerator einzustellen sind, können besonders vorteilhaft selbsttätig
gewonnen und berechnet werden. Jedoch kann man auch andere Methoden zu ihrer Ermittlung
anwenden, wie bereits erwähnt wurde.
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Bei automatischer Ermittlung der Parameter oder einer Teilanzahl
der Parameter der Einschalttemperatur-Kennlinie kann man so vorgehen, daß die Verläufe
der Raumlufttemperatur und der Raumkörpertemperatur während der Schnellaufheizung
bei verschiedenen (konstanten) Außentemperaturen unter Berücksichtigung unterschiedlicher
Normaltemperaturen in einen Schreib-Lese-Speicher eingespeichert werden.
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Aus diesen Kurven können dann die Parameter der Einschalttemperatur-Kennlinie
berechnet werden.
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Während des Zeitintervalls Dt 2 können zur Berechnung der jeweiligen
Einschalttemperatur-Kennlinie die für die augenblickliche Außentemperatur und die
eingestellte Normaltemperatur zutreffenden Parameter abgerufen werden.
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Bei Neuinstallationen können Sätze von Parametern, die aus der Erfahrung
gewonnen wurden, eingespeichert und durch das beschriebene Verfahren sukzessive
verbessert werden.
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Anhang Erläuterung der meisten verwendeten Symbole TL = Lufttemperatur
des Gebäuderaumes im Personenaufenthaltsbereich, die durch mindestens einen Temperaturfühler
gefühlt wird, TW = Raumkorpertemperatur dieses Gebäuderaumes, die durch mindestens
einen Temperaturfühler gefühlt wird, TR = Raumtemperatur, die einem aus TL und TW
gebildeten, gewichteten oder ungewichteten Mittelwert entsprechend dem humanen Wärmeempfinden
entspricht, T = Temperatur allgemein, t = Zeit allgemein, Ta = Außentemperatur,
Te = Einschalttemperatur-Kennlinie bzw. Einschalttemperatur, Ts = Stütztemperatur,
Tn = Normaltemperatur (Normalwert der Raumtemperatur), TLE = bei pausenloser Heizung
oder Kühlung mit maximaler Heizleistung bzw. Kühlleistung sich maximal oder nahezu
maximal einstellende, von der Außentemperatur abhängige Lufttemperatur im Gebäuderaum,
die durch den mindestens einen Temperaturfühler gefühltwird, TWE = bei pausenloser
Heizung oder Kühlung mit maximaler Heizleistung bzw. Kühlleistung sich maximal oder
nahezu maximal einstellende, von der Außentemperatur abhängige Raumkörpertemperatur
des Gebäuderaums, die durch den mindestens einen Temperaturfuhler gefühlt wird,
G = 0,5 (TLE+ TWE)TN, F = 0,5 (TLETWE). Diese Gleichung gilt für Heizen Im Falle
des Kühlens würde gelten: F =0,5 (E-71E) Dt 1 = erste Zeitintervalle, während denen
die Normaltemperatur des Raumes geregelt oder witterungsgeführt gesteuert wird,
Dt2 = Zwischenzeitintervalle, während welchen im Falle des Heizens die Raumtemperatur
abgesenkt und im Falle des Kühlens die Raumtemperatur erhöht wird, to = Beginn des
Zwischenzeitintervalls, tio, t12 = Beginn der Schnellaufheizung, tb = vorbestimmte
Zeitspanne vor t2 liegender Zeitpunkt, zu welchem der Verlauf der Einschalttemperatur-Kennlinie
geändert wird, t2 = programmiertes Ende des Zwischenzeitintervalls, ti, t3 = Beginn
der Erzeugung der Einschalttemperatur-Kennlime, t4 = Beginn der ungefähren Parallelität
von TL und Dabei Schnellaufheizung bzw. -abkühlung, pl = Gebäudekonstante. Gegebenenfalls
kann Pl
jedoch auch als von TW abhängig in den Te-Funktionsgenerator
eingegeben werden, falls der Aufwand die hierdurch in manchen Fällen geringfügige
Erhöhung der Genauigkeit rechtfertigt,
p2 = eine sich aus der der Heizung bzw. Kühlung
dienenden Anlage und dem Volumen der zu beheizenden oder zu kühlenden Raumluft ergebende
Konstante.