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Verfahren und Anordnung zur Regelung der Wassertemperatur von
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Warmwasser-Flächenheizungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Regelung der Wassertemperatur von Warmwasser-Flächenheizungen, insbesondere Warmwasser-Fußbodenheizungen
mit Nachtabsenkung, bei dem die Vorlauftemperatur laufend gemessen und unter Verwendung
der Außentemperatur als Führungsgröe geregelt wird. Ferner betrifft die Erfindung
eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Diese Art der direkten Regelung der Wassertemperatur von Flächenheizungen
hat sich gegenüber indirekten Regelungen beispielsweise unter Verwendung der Raumtemperatur
als alleinige Regelgröne, aus verschiedenen Gründen als vorteilhaft erwiesen. Einerseits
werden Regelabweichungen der Vorlauftemperatur durch Verstellung des die Vorlauftemperaturen
mittelbar beeinflussenden Motor-Mischers außerordentlich rasch kompensiert, und
andererseits wird der Heizenergieverbrauch durch vorübergehende äußere Einflüsse,
so z.B. durch Wärmeaustausch bei geöffneten Fenstern oder Türen nicht unnötig erhöht.
Die Abstimmung der Vorlauftemperatur der Flächenheizung
auf die
gewünschte Raumtemperatur ist bei Verwendung der Außen temperatur als Führungsgröße
ohne weiteres beherrschbar. Daher haben Regelsysteme der eingangs angegebenen Art
ältere Regelsysteme für Warmwasserheizungen verdrängt, die wegen der Verwendung
der Raumtemperatur als Regelgröße mit erheblichen Totzeiten behaftet sind und beim
Öffnen von Fenstern zu einem unerwünscht hohen Energieverbrauch führen.
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Bei bekannten Regelsystemen mit außenteperaturabhängiger Regelung
der Vorlauftemperatur führte gerade das rasche Reagieren, d.h. die sehr geringe
Totzeit des Regelkreises bei Verwendung der Vorlauftemperatur als Meß- und Regelgröße
im Anschluß an die Nachtabsenkung zu einer relativ langsamen Aufheizung der zu beheizenden
Räume. Dies liegt daran, daß die Vorlauftemperatur nach Beendigung der Nachtabsenkung
auf den für den Tagbetrieb in Abhängigkeit von Außentemperaturen vorgegebenen Sollwert
eingeregelt wird, die Raumtemperatur dem begrenzten Temperatursprung der Warmwasser-Vorlauftemperatur
jedoch nur langsam folgen kann.
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Der Heizungsbenutzer muß daher über einen begrenzten Zeitraum nach
der Aufhebung der Nachtabsenkung eine relativ niedrigere Zimmertemperatur in Kauf
nehmen. Zwar besteht die Möglichkeit, durch geeignete Rückverlegungdes Zeitpunkts
der Aufhebung der Nachtabsenkung die unangenehme Untertemperatur des Raums zu vermeiden,
jedoch ist der Verbraucher erfahrungsgemäß an einer möglichst langen Nachtabsenkungsperiode
interessiert, und einetägliche Umstellung der Nachtabsenkungsperiode erscheint arbeitsaufwendig
und störend.
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die Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,/durch die Warmwasser-Flächenheizung
beheizten Räume nach Beendigung der Nachtabsenkung durch einen Wärmeschub verstärkt
aufzuheizen, ohne dabei die für herkömmliche Flächenheizungsregelungen mit der Vorlauftemperatur
als Regelgröße charakteristischen Vorteile aufzugeben.
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Ausgehend von dem Verfahren der eingangs angegebenen Art, schlägt
die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß nach der Aufhebung der Nachtabsenkung
unter Messung der Rücklauftemperatur solange verstärkt aufgeheizt wird, bis die
Rücklauftemperatur einen von der Außentemperatur abhängigen Grenzwert erreicht,
und daß danach wieder auf die Vorlauftemperatur als wirksame Meßgröße mit der Außentemperatur
als Führungsgröße umgeschaltet wird. Sei der verstärkten Aufheizung wird beispielsweise
mit Hilfe eines Dauersignals als Stellsignal der Warmwasserzulauf über einen Motor-Mischer
voll aufgesteuert, so daß die Vorlauftemperatur der Warmwasser-Flächenheizung praktisch
sprungartig auf einen Maximalwert gebracht wird. Unter Einfluß des normalerweise
wirksamen Regelkreises mit der Vorlauftemperatur als Regelgröße würde der Motor-Mischer
relativ rasch wieder zurückoestellt. ohne daß dem zu
ein Wärmeschub zugeführt werden könnte.
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Die nach der Nachtabsenkung als Bezugstemperatur verwendete Rücklauftemperatur
folgt dem sprunghaften Anstieg der Vorlauftemperatur jedoch nur sehr zögernd, da
die Flächenheizung wegen der zrhergehenden Nachtabsenkung eine besonders große Wärmemenge
an den zu beheizenden Raum abgibt und einen entsprechend großen Temperaturabfall
zwischen Vorlauf- und Rücktemperaturen herbeiführt. Die wesentlich vergrößerte Totzeit
bei Verwendung der Rücklauftemperatur als Meßgröße erweist sich daher für die verstärkte
Aufheizunq als günstig, da sie dazu führt, daß der gewünschte .Regelungseffekt,
nämlich eine rasche Erhöhung der Raumtemperatur auf den für den Tagbetrieb vorgesehenen
Sollwert, erreicht wird.
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Andererseits ist die Totzeit des Regelsystems bei Verwendung der Rücklauftemperatur
als Meßgröße nicht so groß wie bei der an sich ebenfalls möglichen Verwendung der
Raumtemperatur als Meßgröße für die Begrenzung der Periode verstärkter Aufheizung.
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Ein bei Erreichen des Grenzwerts der Rücklauftemperatur und Umschalten
auf die normale Regelung bei Tagbetrieb mögliches
Überschreiten
des Sollwerts der Raumtemperatur bleibt daher in Grenzen.
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Zum Schutz dem Heizungarohre der Flächen- bzw. Fußbodenheizung hohe
gegen unzulässig /Warmwassertemperaturen während der Phase der verstärkten Aufheizung
ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß der Istwert der Vorlauftemperatur
laufend überwacht und mit einem einer maximalen Vorlauftemperatur entsprechenden
vorgegebenen Wert verglichen wird und daß die verstärkte Aufheizung unterbrochen
wird, wenn der Istwert der Vorlauftemperatur den vorgegebenen Maximalwert erreicht.
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Wegen der oben erläuterten sehr geringen Totzeit des Regelsystems
mit der Vorlauftemperatur als Meßgröße läßt sich der Vorlauftemperaturgrenzwert
für die Unterbrechung der verstärkten Aufheizung sehr genau bemessen und einstellen.
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Zur laufenden Anpassung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens
an den Wärmebedarf in den zu beheizenden Räumen ist in Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen, daß der Temperaturistwert wenigstens eines von der Flächenheizung beheizten
Raums gemessen und mit einem voreingestellten Temperatursollwert verglichen wird
und daß die in Abhängigkeit von der Außentemperatur geregelte Vorlauftemperatur
durch Störwertaufschaltung als Funktion der Größe der Sollwertüberschreitung gesenkt
wird. Auf diese Weise kann beispielsweise während des normalen Tagbetriebs unter
Verwendung des rasch wirkenden Regelsystems eine maximale Raumtemperatur von beispielsweise
20 0C eingestellt werden, wobei eine Überschreitung dieser Temperatur zu einer Absenkung
der Vorlauftemperatur führt.
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Die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist
ein die Vorlauftemperatur beeinflussendee Stellglied, einen auf das Stellglied wirkenden
Regler, mit dem Regler verbundene Temperaturfühler, welche die Vorlauftemperatur
als Regelgröße und die Außentemperatur als Führungagröße in den Regler eingeben,
und eine zur Zeitsteuerung
der Nachtabsenkung einen Sollwertsteller
im Regler verstellende Uhr oder einen Zeitgeber auf und zeichnet sich dadurch aus,
daß die Uhr bei Aufhebung der Nachtabsenkung ein Schaltsignal an ein Schaltglied
anlegt, das das Stellglied mit einem die verstärkte Aufheizung bewirkenden Stellsignal
versorgt, daß ein die Rücklauftemperatur des Warmwasserkreislaufs messender weiterer
Fühler und der Außentemperatur fühler mit einem dem Regler zugeordneten Grenzwertgeber
gekoppelt sind, der so ausgebildet ist, daß er den Rücklauftemperatur-Istwert in
Abhängigkeit von der Außentemperatur mit einem voreingestellten Bezugswert vergleicht
und bei Erreichen eines bestimmten Rücklauftemperatur-Grenzwerts am Ausgang ein
Rücksetzsignal entwickelt, und daß das Schaltglied mit dem Ausgang des Grenzwertgebers
verbunden und durch das Rücksetzsignal unter Abschaltung des die verstärkte Aufheizung
bewirkenden Stelleignals rücksetzbar ist.
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Zur Begrenzung der Vorlauftemperatur während der Phase verstärkter
Aufheizung ist ferner vorgesehen, daß der Vorlauftemperaturfühler mit einem dem
Regler zugeordneten zweiten Grenzwertgeber gekoppelt ist, der den Vorlauftemperatur-Istwert
mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht und bei Erreichen dieses Grenzwertes
am Ausgang ein Rücksetzsignal entwickelt, und daß das Schaltglied mit dem Ausgang
des zweiten Grenzwertgebers verbunden und durch dessen Rücksetzsignal rücksetzbar
ist.
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Zur Begrenzung der Raumtemperatur dient ein in Abhängigkeit von einem
Raumtemperaturfühler arbeitender Störwertgeber, der in den Vorlauftemperatur-Regelkreis
eingeschaltet ist und bei Überschreiten eines vorgegebenen Raumtemperatur-Sollwerts
ein von der Größe dieser Regelabweichung abhängiges Störsignal in den Regelkreis
eingibt.
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Sowohl die Grenzwertgeber als auch der Störwertgeber sind Jeweils
mit
einer Meßbrücke versehen, in deren Zweigen die verschiedenen Fühler in Form von
Meßwiderständen angeordnet sind und verstellbare Widerstände oder Potentiometer
zur Einstellung der Betriebsparameter dienen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine teilweise
als Blockschaltbild dargestellte gerätetechnische Ansicht einer Fußbodenheizungsanlage
mit der erfindungsgemäßen Regelanordnung; und Fig. 2 ein schematisches Schaltbild
mit den wesentlichen Teilen einer Regelanordnung gemäß der Erfindung.
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Gemäß Fig. 1 ist die Regelstrecke durch den Warmwasserkreislauf gebildet,
zu dem eine Wärmequelle 1, eine Vorlaufleitung 2, die Fußbodenheizung 3 bildende
Heizschlangen, eine Rücklaufleitung 4 und eine Umwälzpumpe gehören. Die Vorlauftemperatur
T VL in der Vorlaufleitung 2 wird über ein als Motor-Mischer ausgebildetes Stellglied
5 eingestellt, welches das die Wärmequelle verlassende Heißwasser entsprechend seiner
Einstellung auf die Vorlaufleitung 2 und eine direkt mit dem Rücklauf 4 verbundene
Beipaßleitung 6 verteilt.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung umfaßt ferner einen bei Fußbodenheizungen
üblichen geschlossenen Regelkreis mit einem die Vorlauftemperatur messenden Fühler
FVL, einem die Außentemperatur messenden Fühler F und einem Regler 7, der a aus
dem Istwert der Vorlauftemperatur als Regelgröße und dem Istwert der Außentemperatur
als Führungsgröße auf einer Ausgangsleitung 8 ein Stellsignal zur Steuerung des
Stellglieds 5 entwickelt. Die zeitliche Begrenzung des Tagbetriebs und der Nachtabsenkung
erfolgt durch einen Zeitgeber bzw. eine Uhr 9, die bei der Umschaltung auf Nachtbetrieb
den Vorlauftemperatur
-Sollwert mit Bezug auf die Außentemperatur
senkt.
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Anders als bei herkömmlichen Fußbodenheizungsregelungen löst die Uhr
9 jedoch bei Beendigung der Nachtabsenkung im Regler 7 ein Dauersignal aus, das
den als Stellglied dienenden Motor-Mischer 5 in der Regel voll öffnet, so daß die
Vorlaufleitung 2 mit dem in der Wärmequelle 1 erzeugten Heißwasser gespeist und
sprunghaft etwa auf die Temperatur des Heißwassers gebracht wird. Die Vorlauftemperatur
wird dabei über den für den normalen Tagbetrieb vorgesehenen und als Funktion der
Außentemperatur gesteuerten Temperatursollwert für eine begrenzte Zeitspanne erhöht.
Die Zeit dieser verstärkten Aufheizung wird von einem im Regler 7 außentemperaturabhängig
entwickelten Grenzwert der Rücklauftemperatur TRL begrenzt, die von einem Rücklauftemperaturfühler
FRL überwacht und über eine Leitung dem Regler 7 zugeführt wird.Sobald der außentemperaturabhängige
Grenzwert der Rücklauftemperatur erreicht ist, wird das Dauersignal auf der Leitung
8 unterbrochen, und die Regelstrecke wird über den Regelkreis mit der Vorlauftemperatur
als Regelgröße und der Außentemperatur als Führungsgröße im normalen Tagbetrieb
geregelt.
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Um zu vermeiden, daß bei zu hoher Vorlauftemperatur im Zuge der verstärkten
Aufheizung eine Überhitzung der Heizungsrohre in der Flächenheizung 3 erfolgt, wird
auch die Vorlauftemperatur überwacht. Im Falle der Überschreitung eines bestimmten,
absoluten Grenzwerts, der in der Praxis beispielsweise bei 650C liegt, wird im Regler
7 ebenfalls ein Rücksetzsignal erzeugt, das das als Dauersignal wirksame Stellsignal
(Leitung 8) auch dann unterbricht, wenn der Grenzwert der Rücklauftemperatur noch
nicht erreicht ist.
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Bei der dargestellten Anordnung ist außerdem ein Raumtemperaturfühler
Fi
vorgesehen, dessen Meßsignal im Regler 7 so verarbeitet wird, daß bei Überschreiten
einer vorgegebenen Raumtemperatur, z.B. 200 C, ein Störsignal in den Regelkreis
eingegeben wird, das eine erhöhte Vorlauftemperatur und damit eine Regelabweichung
simuliert, welche den Regelkreis zur Kompensation dieser Regelabweichung veranlaßt.
Die Größe des Störsignals bzw. der Regelabweichung ist dabei eine Funktion der Überschreitung
des maximalen Raumtemperatur-Sollwerts.
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Fig. 2 veranschaulicht den grundsätzlichen Schaltungsaufbau des Reglers
mit den die verschiedenen Meßwerte von F F FV FRL und Fi sowie die Schaltbefehle
der Uhr verarbeitenden Schaltungskomponenten. Der Übersichtlichkeit halber sind
verschiedene, an sich notwendige Komponenten des Reglers, z.B. das Netzgerät, Spannungs-Stabilisierungsstufen,
Verknüpfungsglieder o.dgl., fortgelassen, soweit sie zur Erläuterung der Erfindung
ohne Bedeutung sind.
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Alle Temperaturmeßfühler Fa, FVL, FRL und F1 sind in eine im strichpunktierten
Block 10 dargestellte Brückenanordnung einbezogen, die aus mehreren, teilweise vermaschten
Brückenabschnitten 11, 12, 13 und 14 mit jeweils mehreren Brückenzweigen besteht.
Alle Brückenabschnitte werden von einer stabilisierten Spannung gespeist.
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Der erste Brückenabschnitt 11, der zur außentemperaturabhängigen Regelung
der Vorlauftemperatur dient, enthält die Meßwiderstände der Außentemperatur- und
Vorlauftemperaturfühler Fa und FVL. Der Meßwiderstand FVL ist mit einem veränderlichen
Widerstand R verbunden, der zur 2 Einstellung des Nullpunkts bzw. Kurvenanfangspunkts
dient.
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Die beiden Meßwiderstände F und F a VL sind über ein Potentiometer
P1 miteinander verbunden, dessen Abgriff den einen
a1 Ausgangsanschluß/des
Brückenabschnitts 11 darstellt. Das Potentiometer P1 wirkt als Verhältnissteller
und bestimmt das Verhältnis von sTa/ tTVL, a also die Steigung der Kenn-UL' linie
von Vorlauftemperatur über Außentemperatur. In einem anderen Brückenzweig des ersten
Brückenabschnitts 11 ist ein von der Uhr 9 gesteuerter veränderlicher Widerstand
R3 zur Einstellung der Nachtabsenkung angeordnet. Mit dem veränderlichen Widerstand
R3 ist der zweite Brückenausgang verbunden. Die beiden Brückenausgänge a1 und a2
sind an zwei entgegengesetzt parallelgeschaltete monostabile Kippstufen 15h und
151 angeschaltet, von denen der eine bei einer positiv gehenden Regelabweichung
und der andere bei einer negativ gehenden Regelabweichung einem ihm nachgeschalteten
Leistungssteller 16h bzw. 161 ein Signal zuführt. Die beiden Leistungssteller sind
über eine Verriegelungsschaltung 17 derart verriegelt, daß jeweils entweder nur
der Leistungssteller 16h oder der Leistungssteller 161 wirksam sein kann. Mit dem
auf der Leitung 8h von dem Leistungssteller 16h entwickelten Stellsignal wird der
Motor-Mischer geöffnet, d.h. die Vorlauftemperatur erhöht, während mit dem auf der
Leitung 81 entwickelten Stellsignal der Motor-Mischer weiter geschlossen wird.
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Zum Zeitpunkt der Aufhebung der Nachtabsenkung wird von der Uhr 9
über die Leitung 18 ein Schaltimpuls an den Setzeingang eines Flipflops 19 angelegt,
das über eine Leitung 20 den Leistungssteller 16h mit einem Dauersignal beaufschlagt.
Dieses Dauersignal führt dazu, daß der Motor-Mischer 5 (Fig. 1) über die Leitung
8 zur verstärkten Aufheizung voll geöffnet wird. Die Begrenzung der Periode verstärkter
Aufheizung erfolgt normal er weise mit Hilfe eines durch den Brückenabschnitt 12
gebildeten Grenzwertgebers. In diesem Brückenabschnitt ist der Meßwiderstand des
Rücklauftemperaturfühlers FRL in einem Brückenzweig angeordnet. Zur Herstellung
der gewünschten Abhängigkeit des Vorlauftemperatureinflusses von der Außentemperatur
T ist 5 ähnlich der Anordnung im Brückenabschnitt 11 ein als Verhältnissteller
dienendes
Potentiometer P2 vorgesehen, das mit einem Endanschluß mit dem Außentemperatur-Meßwiderstand
F und mit dem entgegengesetzten EndanschluB mit dem Rücka lauftemperatur-Meßwiderstand
FRL verbunden ist. Die Ausgänge b und b2 des Brückenabschnitts 12 gehen einerseits
vom Verbindungspunkt zweier Festulderstdnde und andererseits vom Abgriff des Potentiometers
P2 aus und werden einem als -er Vergleich dienenden monostabilen Multivibrator 21
zugeführt.
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Übersteigt der durch die Außentemperatur korrigierte Istwert der Rücklauftemperatur
den durch die beiden Festwiderstände vorgegebenen und über b dem monostabilen Multivibrator
21 zugeführten Grenzwert, so wird am Ausgang von 21 ein Schaltimpuls entwickelt
und über ein ODER-Gatter 22 an den Rücksetzeingang des Flipflops 19 angelegt.Wird
das Flipflop 19 am Rücksetzeingang angesteuert, so wird es rückgesetzt und unterbricht
das Ausgangssignal auf der Leitung 20. Die verstärkte Aufheizung wird damit aufgehoben.
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Eine entsprechende Wirkung hat der Brückenabschnitt 13, zu dem die
den einstellbaren Widerstand R2 und den Meßwiderstand F VL enthaltenden Zweige des
Brückenabschnitts 11 gehören. Übersteigt die von dem Meßwiderstand F überwachte
UL Vorlauftemperatur einen durch das Teilerverhältnis der beiden Festwiderstände
im Brückenabschnitt 13 vorgegebenen Grenzwert, so kippt ein den beiden Ausgängen
c1 und c2 nachgeschalteter monostabiler Multivibrator 23 und gibt über das ODER-Gatter
22 ein Rücksetzsignal an das Flipflop 19, das zur Unterbrechung der verstärkten
Aufheizung führt.
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Im Brückenabschnitt 14 ist der Meßwiderstand Fi des Raumtemperaturfühlers
angeordnet. Wird über diesen Meßwiderstand festgestellt, daß die Raumtemperatur
einen vorgegebenen maximalen Sollwert übersteigt, so ergibt sich an den zugehörigen
Brückenausgängen d1 und d2 eine Potentialdifferenz, die an einen als Verhältnissteller
wirkenden Meßumformer
24 angelegt wird. Dieser Meßumformer 24 ist
in die Ausgangsleitung a2 des ersten Brückenabschnitts 11 eingeschaltet und ändert
das Potential von der Ausgangsleitung a2 zu den monostabilen Multivibratoren 15h
und 15 proportional zur Größe der Brückenverstimmung. Durch diese dem Urückenausgang
a2 aufgedrückte Potentialdifferenz wird den als Vergleichern wirkenden monostabilen
Multivibratoren 15h und 15 eine entsprechende Erhöhung der Vorlauftemperatur simuliert,
wodurch der Motor-Mischer über die Leitung 81 weiter zugesteuert wird.
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Um aufwendige Potentialabstimmungen in der Anordnung zu vermeiden
und den Schaltungsaufwand möglichst gering zu halten, ist der Meßumformer vorzugsweise
als Verstärkeranordnung, z.B.
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Rechenverstärkeranordnung, derart ausgebildet, daß sich die Spannung
zwischen einem geräteeigenen festen Potential (Gerätemasse) und dem wirksamen Verstärkerausgang
als Funktion der Potentialdifferenz an den beiden Steuereingängen d1 und d2 ändert.
Als geräteeigenes Potential bzw.
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Bezugspotential kann beispielsweise ein festes Potential auf der in
Fig. 2 dargestellten unteren Versorgungsschiene 25 dienen. Solange die über den
Meßfühler Fi eingegebene Raumtemperatur den im Brückenabschnitt 14 voreingestellten
maximalen Sollwert (z.B. 20°C) nicht überschreitet, bleibt der Ausgang der Verstärkeranordnung
auf einer Spannung 0, bezogen auf das geräteeigene feste Potential auf der Versorgungsschiene
25, gibt also kein Korrektursignal an die monostabilen Kippstufen 15h und 151. Bei
einer Überschreitung des maximalen Raumtemperatur-Sollwerts entwickelt die Verstärkeranordnung
24 eine Spannung (gegenüber dem Bezugspotential), die2Funktion des Maßes der Sollwertüberschreitung
und vorzugsweise linear proportional zu letzterer ist.
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Es kann auch zweckmäßig sein, die anderen Brückenausgänge a1, b b
b2, c1, c2 wenigstens teilweise mit Hilfe ähnlicher (nicht dargestellter) Verstärkeranordnung
an das geräteeigene Bezugspotential
zu koppeln bzw. zu zentrieren.
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Das bei unzulässig hoher Vorlauftemperatur von dem monostabilen Multivibrator
23 an den Rücksetzeingang des Flipflop 19 angelegte Schaltsignal wird außerdem direkt
an den Eingang des Leistungsstellers tq, ui durch sofortiges Schließen des Motor-Mischers
5 die Vorlauftemperatur möglichst rasch zu senken.
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Wenn auch die Erfindung vorstehend in der Anwendung bei Warmwasser-Flächenheizungen
beschrieben und erläutert worden ist, können sowohl das Regelungsverfahren, als
auch die beschriebene Anordnung mit prinzipiell gleichen Vorteilen für Anlagen mit
anderen Energieträgern oder für andere Heizungssysteme, z.B. Hochtemperatur-Warmwasser
Pumpenheizungen verwendet werden.
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L e e r s e i t e