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Regelsystem für eine Fußbodenheizung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelsystem für eine Warmwasser-Fußbodenheizung
gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
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Warmuiasser-Fußbodenheizungen arbeiten bei verhältnismäßig hohen
Kesseltemperaturen
mit verhältnismäßig niedrigen Vorlauftemperaturen.
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Zur Anpassung der Heizleistung an die jeweiligen Witterungsbedingungen
ist es üblich, die für den jeweiligen Wärmebedarf erforderliohe Vorlauftemperatur
in Abhängigkeit von den äußeren Witterungsbedingungen zu regeln. Dabei werden die
Signale eines Außenfühlers und eines Vorlauf-Temperaturfühlers in ein zentrales
Regelgerät eingegeben, welches den Stellmotor eines mischreglers ansteuert.
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Um Betriebskosten zu sparen, ist es ferner üblich, die Worlauftemperatur
von dem zur Erzielung der notwendigen Heizleistung eingestellten Tageswert über
Nacht auf einen geringeren Wert abzusenken.
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Wenn nach dieser Nachtabsenkung wieder die für den Tagesbetrieb erforderliche
Vorlauftemperatur eingestellt wird, erfolgt die gewünschte Aufheizung nur verzögert,
weil die Rücklauftemperatur beispielsweise wegen der zwischenzeitlichen Auskühlung
des Fußbodens nur langsam wieder ansteigt. Aufgrund dieser länger anhaltenden niedrigen
Temperatur des bei der Regelung mit dem Vorlaufwasser gemischten Rücklaufwassers
dauert es also verhältnismäßig lange, bis die volle Heizleistung zur Deckung des
Wärmebedarfs erreicht wird.
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Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Regelsystem
für Fußbodenheizungen zu schaffen, welches mit möglichst geringem rnehraufwand gegenüber
herkömmlichen Systemen eine Schnellaufheizung nach einem zwischenzeitlichen Absinken
der Heizwassertemperatur bzw.
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Fußboden- oder Raumtemperatur ermöglicht und welches außerdem für
die Heizkreise verschiedener Räume oder Bereiche die Einstellung unterschiedlicher
Aufheizgeschwindigkeiten gestattet.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung zeichnet sich durch ein wesentlich verbessertes Aufheizverhalten
aus, weil nicht wie bisher die Vorlauftemperatur, sondern die mittlere Temperatur
zwischen Vorlauf und Rücklauf geregelt wird.
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Der Sehraufwand gegenüber bekannten Regelsystemen ist sehr gering,
da zusätzlich nur ein weiterer Fühler für die Messung der Rücklauftemperatur benötigt
wird, der mit einem üblicherweise vorhandenen Vorlauffühler an einem gemeinsamen
Stell-Eingang des Zentralgerätes angeschlossen wird, der dadurch automatisch ein
dem Mittelwert zwischen der erfaßten
Vorlauf- und Rücklauf-Temperatur
entsprechendes Signal erhält, Die durch die erfindungsgemäße Mittelwertregelung
beschleunigte Aufheizung beruht auf dem bei bekannten Systemen nachteiligen Effekt,
daß die Rücklauftemperatur beim Umschalten von einem abgesenkten Wert auf einen
höheren Wert zunächst längere Zeit auf einem niedrigen Temperaturwert verharrt,
insbesondere wegen der entsprechend gesunkenen Fußbodentemperatur.
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Die Ausnutzung dieses Effektes wirkt sich nun bei der Erfindung günstig
aus, weil bei einer Umschaltung von einer abgesenkten mittleren Temperatur zwischen
Vor- und Rücklauf auf einen höheren Wert die Vorlauftemperatur verhältnismäßig schnell
über den beispielsweise für Tagesbetrieb notwendigen Wert hinaus steigt, um möglichst
schnell den eingestellten, höheren mittelwert aus der langsamer steigenden Rücklauftemperatur
und der Vorlauftemperatur zu erreichen. mit dem langsamen Anstieg der Rücklauftemperatur
auf ihr höheres Endniveau sinkt dann die Vorlauftemperatur unter Beibehaltung des
bereite erreichten, eingestellten Eittelwertes wieder langsam ab, bis sie ebenfalls
ihr Endniveau erreicht.
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Wird berücksichtigt, daß man zur Erzielung einer bestimmten Heizleistung
eine bestimmte Temperaturdifferenz von beispielsweisa 100 C zwischen Vorlauf- und
Rücklauftemperatur
einstellt, läßt sich die vorteilhafte Wirkung
der erfindungsgemäßen rnittelwertregelung mit anderen Worten so erklären, daß sich
nach der Umschaltung von einem abgesenkten auf einen höheren mittelwert durch die
bereits erläuterte Überhöhung der VorlauFtemperatur zunächst eine höhere Temperaturdifferenz
zwischen Vorlauf und Rücklauf einstellt, so daß der höhere mittelwert schneller
erreicht wird. Der mit der erfindungsgemäßen Regelung durch Überhöhung der Vorlauftemperatur
erzielte Leistungsüberschuß bewirkt eine schnellere Aufheizung auf die jeweils gewünschte
Raumtemperatur. Dieser Leistungsüberschuß wird dann durch das Sinken der Vorlauftem'-peratur
beim langsamen Anstieg der Rücklauftemperatur unter Beibehaltung des mittelwertes
allmählich abgebaut, bis die zur weiteren Aufrechterhaltung des entsprechend der
gewünschten Raumtemperatur vorgegebenen mittelwertes ausreichende Temperaturdifferenz
von beispielsweise 100 C erreicht ist, bei der ein einwandfreier Dauerbetrieb gewährleistet
ist.
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Ferner können durch gleichzeitige messung der Vorlauf- und Rücklauftemperatur
bei der erfindungsgemäßen Regelung auch Temperaturschwankungen im Vor- und Rücklauf
der Heizung erfaßt und durch die Regelung kompensiert werden. Durch die messung
der bei steigender Fußboden- und Raumtemperatur steigenden Rücklauftemperatur können
Störeinflüsse in dem beheizten Raum erfaßt und von der Regelanlage verarbeitet werden.
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Das verhältnismäßig niedrige Temperaturniveau im Heizkreis einer Fußbodenheizung
ist dabei für eine wirksame Erfassung und Kompensation von Störeinflüssen eine wichtige
Voraussetzung.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann entweder der
mittelwert zwischen der zentralen Vorlauftemperatur und der zentralen Rücklauftemperatur
oder der ittelwert zwischen der zentralen Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur
eines ausgewählten Raumes oder Bereiches gemessen werden.
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mit zentraler Erfassung der Rücklauftemperatur wird die erläuterte
Schnellaufheizung gleichzeitig für alle angeschlossenen Heizkreise erreicht.
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Wird bei dem abgewandelten Regelsystem für die hlittelwertbildung
statt der zentralen Rücklauferfassung die Rücklauftemperatur eines Teiles der Fußbodenheizfläche,
d. h. also eines ausgewählten Raumes oder Bereiches bzw. eines Heizkreises oder
ggf. mehrerer zusammengefaßter Heizkreise erfaßt, lassen sich für verschiedene Heizbereiche
unterschiedliche Aufheizgeschwindigkeiten erreichen. Zu diesem Zweck wird der Temperaturfühler
in dem ausgewählten Raum kurz vor dem Rücklaufaammler angeordnet. mittels eines
von Hand einstellbaren Drosselventiles am Heizkreisverteiler wird
dann
durch Drosselung der Wassermenge für diesen Raum eine größsre Temperaturdifferenz
zwischen Vor- und Rücklauf eingestellt. In den Heizkreisen der übrigen Räume müssen
dabei an sich bekannte thermostatische Ventile oder Zonenventile angeordnet werden.
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Durch die Wassermengendrosselung wird bei dieser Art der mittelwertregelung
in dem ausgewählten Raum, dessen RUcklauftemperatur dabei die Bezugsgröße für die
Regelung bildet, ein Anstieg der Vorlauftemperatur erreicht. Die thermostatischen
Ventile in den anderen Räumen schließen dann automatisch in Abhängigkeit von der
jeweiligen Einstellung teilweise, um die erhöhte Vorlauftemperatur auszugleichen.
Auf diese Weise erhält man eine Leistungsreserve, die in Verbindung mit dem durch
die mittelwertmessung erzielten Schnellaufheizeffekt zu einer noch schnelleren Aufheizung
führt, Dabei können auch in Heizkreisen, die mit einem in Abhängigkeit von der Raumtemperatur
selbsttätig geregelten thermostatischen Ventil oder Zonenventil ausgerüstet sind,
durch Wassermengen-Drosselung am jeweiligen Drosselventil . und die dadurch erreichte
Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen Vor-und Rücklauf unterschiedliche Leistungsreserven
eingestellt werden. 3e größer die so eingestellte Leistungsreserve für einen Bereich
ist, desto schneller kann dieser im Vergleich zu anderen Bereichen aufgeheizt werden.
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Große Leistungsreserven für den Aufheizvorgang beruhen nicht
nur
auf der durch höhere Temperaturdifferenzen erreichten mehrleistung, sondern hängen
auch von den hydraulischen Verhältnissen ab, die bei voll geöffnetem Raumtemperatur-Regelventil
dafür sorgen, daß dem Bereich mit der größten Leistungsreserve, d. h. also mit der
geringsten Wassermengen-Drosselung, die relativ größte Wassermenge zugeführt wird,
so daß dieser Bereich mit einer noch weiter erhöhten Wärmeleistung versorgt wird.
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Weitere Vorzüge und merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und der Zeichnung, welche ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
und deren Funktion näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematisch stark vereinfachte,
zum Teil schaubildliche Teilansicht eines Gebäudes mit den wesentlichen Elementen
einer darin angeordneten, erfindungsgemäß geregelten Fußbodenheizung und Fig. 2
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Regelwirkung des erfindungsgemäßen Systems.
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In Fig. 1 ist durch weggebrochene Teile einer Außenwand 10 und eines
Fußbodens 12 ein mit einer Fußbodenheizung ausgerüstetes Haus angedeutet.
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Von einem beispielsweise im Keller des Hauses stehenden Heizkessel
14 ist über eine Vorlaufleitung 16 und eine Rücklaufleitung 18 beispielsweise mit
einem von Hand einstellbaren Vierwege-mischer 20 verbunden. Von diesem Vormischer
führen im Heizkreis eine Vorlaufleitung 22 und eine Rücklaufleitung 24 mit einer
Abzweigung 26 über einen Dreiwege-Mischer mit einem zugehörigen Stellmotor 30 zu
einem Heizkreisverteiler 32, der aus einer kombinierten Einheit eines Vorlaufverteilers
und eines Rücklaufsammlers besteht.
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Zwischen dem Dreiwege-Enischer 28 und dem Heizkrsisverteiler ist in
der Vorlaufleitung 22 eine Umwälzpumpe 34 angeordnet.
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An den Heizkreisverteiler 32 können beispielsweise drei Heizkreise
über Drosselventile 34 in den einzelnen Zuleitungen angeschlossen werden. Für einen
Heizkreis ist eine im Fußboden verlegte Rohrleitung 36 schematisch angedeutet.
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Jeder angeschlossene Heizkreis kann mit Hilfe der Drosselventile 34
des Heizkreisverteilers 32 unabhängig von den anderen Heizkreisen gedrosselt und
ggf. vom Heizungskreislauf 22, 24 getrennt werden. Die Strömungsrichtung des Warmwassers
in den Rohrleitungen 36 der angeschlossenen Heizkreise ist durch Pfeile unterhalb
der gezeigten Drosselventile 38 angedeutet.
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Das Regelsystem der Fußbodenheizung enthält einen elektronischen Regler
38 als Zentralgerät für die Regelung.
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An das Zentralgerät 38 ist ein Außentemperaturfühler 40
über
eine Leitung 42 und ein in der beheizten Wohnung angebrachtes Fernbedienunysgerät
44 über eine Leitung 46 angeschlossen. mit dem Gerät 44 ist beispielsweise eine
selbsttätig gesteuerte Umschaltung zwischen Tages- und Nachttemperaturen möglich.
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Zur Erfassung der Vorlauftemperatur ist ferner ein vor dem Heizkreisverteiler
32 an der Vorlaufleitung 22 angebrachter Temperaturfühler 48 über eine Leitung 50
mit einem Stellwert-Eingang des Zentralgerätes 38 verbunden. Eine ausgangsseitige
Steuerleitung 52 führt vom Zentralgerät zum Stellmotor 30 des das Stellglied des
Regelkreises bildenden Mischers 28.
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Die bisher erläuterten Teile der Fußbodenheizung und des damit verbundenen
Regelsystems sind an sich bekannt. Neu ist ein an der Rücklaufleitung 24 angebrachter
Temperaturfühler 56, der über eine Leitung 58 z. B. parallel zum Vorlauftemperaturfühler
48 an den Stellwert-Eingang des Zentralgerätes angeschlossen ist.
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Durch diesen zusätzlichen Rücklauftemperaturfühler wird ohne weiteren
mehraufwand ein dem mittelwert zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur entsprechendes
Signal als Regelgröße in das Zentralgerät 38 eingegeben.
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Diese verblüffend einfache Maßnahme gewährleistet praktisch ohne SshrauFwand
gegenüber herkömmlich betriebenen Fubbodenheizungen eine mit bisherigen Systemen
nicht erreichbare Schnellaufheizung bei Umschaltung von einer niedrigeren Nachttemperatur
auf eine höhere Tagestemperatur mit Hilfe des Einstellgerätes 44.
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Bei der bisher erläuterten Anordnung nach Fig. 1 liegt der Vorlauftemperaturfühler
48 in der zentralen Vorlaufleitung 22 und der Rücklauftemperaturfühler 56 in der
zentralen Rücklaufleitung 24, d. h. also jeweils zwischen dem Mischregler 28, 30
und dem Heizkreisverteiler 32. mit dieser Anordnung wird die oben bereits erläuterte,
für alle angeschlossenen Heizkreise gleichmäßige Schnellaufheizung erreicht.
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Bei einer abgewandelten Ausführung des erfindungsgemäßen Regel systems
liegt der Vorlauftemperaturfühler 48 wieder in der zentralen Vorlaufleitung 22.
Statt des zentralen Rücklauftemperaturfühlers 56, der bei dieser Ausführung entfällt,
ist dann ein Rücklauftemperaturfühler 58 vorgesehen, der vor dem Rücklaufsammler
des Heizkreisverteilers 32 im rücklaufseitigen Endabschnitt des Fußbodenheizrohres
eines ausgewählten Raumes oder Bereiches angeschlossen ist, wie in der Zeichnung
für den Heizkreis 36 gestrichelt angedeutet. Für diesen ausgewählten Raum oder Bereich,
dessen
Rücklauftemperatur dann den Bezugswert für die Regelung
bildet, kann an dem zugehörigen Drosselventil 34 des Heizkreis verteilers eine größere
Temperaturdifferenz zwischen Vor-und Rücklauf eingestellt werden, als sie zur Erzielung
der gewünschten Raumtemperatur erforderlich ist. man erhält sd die oben bereits
erläuterte Leistungsreserve, die es ermöglicht, die anderen angeschlossenen Heizkreise
bzw. Räume noch schneller als den Bezugsraum aufzuheizen. In diesen anderen Häumen
müssen dann in Abhängigkeit von der Raumtemperatur arbeitende thermostatische Ventile
vorgesehen sein.
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Durch individuelle Einstellung der Drosselventile dieser Bereiche
kann eine unterschiedliche Aufheizgeschwindigkeit für jeden dieser Räume vorgewählt
werden. Die so angeschlossenen Räume erreichen also in einer wählbaren Reihenfolge
nacheinander die jeweils gewünschte Raumtemperatur, bevor schließlich auch der Bezugsraum
auf die gewünschte Raumtemperatur aufgeheizt wird. Auf diese Weise ist es möglich,
bei der morgendlichen Aufheizung beispielsweise Küche und Badezimmer gezielt schneller
aufzuheizen als die erst später im Laufe des Tages benutzten Räume.
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Das in Fig. 2 dargestellte Temperatur-Zeit-Diagramm veranschaulicht
in schematischer Form die Wirkungsweise der durch die erfindungsgemäße mittelwertregelung
erzielten Schnellaufheizung im Vergleich mit einer bekannten Vorlaufregelung.
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Dabei sind mit TV und TR die Vorlauf- und RücklauFtemperatur, mit
A T die eingestellte Temperaturdiffrrenz zwischen Vor-und Rücklauf und mit Tm der
mittelwert zwischen Vor- und RücklauFtemperatur bezeichnet. Der Index 1 kennzeichnet
ein abgesenktes Tsmperaturniveau und der Index 2 ein demgegenüber angehobenes Temperaturniveau
ur,d die Vergleichskurven der Vor- und Rücklauftemperatur sind zur Unterscheidung
der Kurven der erfindungsgemäßen mittelwertregelung mit einem Apostroph versehen.
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Das Diagramm zeigt, daß bei der herkömmlichen Vorlaufregelung bei
einem Wechsel von der abgesenkten Vorlauftemperatur Tvq auf eine angehobene Temperatur
TV2 die Vor auf temperatur TV' vom abgesenkten Wert so lange ansteigt, bis der angehobene
Sollwert Tau2 erreicht und dann beibehalten wird. Die Rücklauftemperatur T R' steigt
dabei viel langsamer vom abgesenkten Wert TR1 auf den höheren Wert TOR2. Dieser
mit einer Verzögerung langsam folgende Anstieg der Rücklauftemperatur Tor 1 führt
im Ergebnis zu einem verhältnismäßig langsamen Anstieg der Raumtemperatur z. 8.
beim morgendlichen Aufheizen nach der Nachtabsenkung.
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Bei der erfindungsgemäßen Mittelwertregelung wird für die gewünschte
Anhebung der Raumtemperatur nicht die Vor auf temperatur, sondern der mittelwert
zwischen Vor- und Rücklauftemperatur
vom abgesenkten Wert 7 auf
einen höheren Wert Tm2 eingestellt.
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Auch hier ist der Anstieg der Rücklauftemperatur TR gegenüber dem
Anstieg der Vorlauftemperatur Tu verzögert. Dennoch wird ein sehr viel schnellerer
Anstieg der Raumtemperatur erreicht, weil die Vorlauftemperatur T V aufgrund des
langsameren Anstieges der Rücklauftemperatur TR zunächst über den für die gewünschte
Raumtemperatur erforderlichen Wert T V2 hinaus ansteigt, um den eingestellten mittelwert
T m2 zu erreichen. Durch diese Überhöhung der Vorlauftemperatur wird auch die Rücklauftemperatur
schneller als bei der üblichen Vorlaufregelung erwärmt, so daß auch die mittlere
Temperatur T m sehr viel schneller auf den neuen Wert T m2 steigt als bei der herkömmlichen
Vorlaufregelung. Nach dem Erreichen des höheren Mittelwsrtes Tm2 sinkt daher die
Vorlauftemperatur T V unter Beibehaltung des erreichten mittelwsrtes T m2 allmählich
auf den zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Raumtemperatur erforderlichen Wert
TV2 ab, während die langsam ansteigende Rücklauftemperatur TR das durch die eingestellte
Temperaturdifferenz vorgegebene Niveau TR2 erreicht. Der erzielte Zeitgewinn ist
mit angedeutet.
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Die eo mit der Erfindung erzielte Schnllaufheizung läßt sich auch
an einem Zahlenbeispiel verdeulblichenO
Wird angenommen, daß ein
Raum beispielsweise von 160 C o auf 20 C aufgehezt werden soll, wobei für die Aufrechterhaltung
der Raumtemperatur eine angenommene, mittlere Heizwassertemperatur von 300 C bei
einer Temperaturdifferenz von 100 C zwischen Vorlauf-und Rücklauftemperatur benötigt
wird, arbeitet das Regelsystem in der Anlaufphase beim Wechsel vom abgesenkten Temperaturmittelwert
auf den angehobenen Wert der Mitteltemperatur mit einem vorübergehenden Leistungsüberschuß
von 40 %. Aufgrund der Auskühlung des Fußbodens oder Estrichs, in dem die Heizrohre
verlegt sind, wird wegen des direkten Wärmeüberganges von den Heizrohren in den
ausgekühlten Fußboden oder Estrich aufgrund der überhöhten Vorlauftemperatur sogar
noch ein höherer Leistungsüberschuß erzielt als oben angegeben.
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Da Fußbodenheizungen mit verhältnismäßig niedrigen Vorlauftemperaturen
bei hohen Kesseltemperaturen betrieben werden, steht das für die Schnellaufheizung
vorübergehend benötigte erhöhte Temperaturniveau ohnehin zur Verfügung, so daß durch
die Verkürzung der Aufheizzeit ein besonders sparsamer Betrieb der Fußbodenheizung
gewährleistet ist.
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Ansprüche
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