DE2943931A1

DE2943931A1 - Heizungsregelung mit begrenzung der verbrauchten leistung

Info

Publication number: DE2943931A1
Application number: DE19792943931
Authority: DE
Inventors: Alain Camurat; Michel Ooumey
Original assignee: Societe Generale de Fonderie SA
Current assignee: Societe Generale de Fonderie SA
Priority date: 1978-11-02
Filing date: 1979-10-31
Publication date: 1980-05-14
Also published as: FR2440580B1; FR2440580A1

Description

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SGF 101 Ro/Bd

Anmelderin:

Societe Generale de Fonderie,

8, Place d'lena, F-75 Paris 16 (Frankreich)

"Heizungsregelung mit Begrenzung der verbrauchten Leistung"

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche zur Steuerung der Wärmeenergie-Zuführung bestimmt ist, und zwar in Räumen, die mit Heizgeräten ausgerüstet sind, welche Steuermodulen mit Thermostaten besitzen, d.h. Modulen, welche Steuerbefehle erzeugen, so daß die Heizgeräte intervallweise eingeschaltet werden, wobei die Zeitdauer der Einschaltintervalle sich in Abhängigkeit von der gewünschten Umgebungstemperatur und der Effektivtemperatur in Höhe des Thermostaten ändert.

Bei bekannten Heizungsanlagen ergibt sich ein besonderes Problem, welches auf der Regulierung durch einen Thermostaten beruht und welches unter bestimmten Umständen zu einem unnötigen Energieverbrauch führt.

Dieses Problem kommt daher, daß die Thermostaten unmittelbar auf einen Abfall der Umgebungstemperatur reagieren

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und, um die gewünschte Temperatur wiederherzustellen, eine Heizung mit verstärkter Leistung auslösen, die nicht in dieser Stärke gerechtfertigt ist: Dies ist beispielsweise der Fall, wenn man zeitweise ein Fenster eines Raumes öffnet. Die Temperatur fällt plötzlich ab und kommt in die Nähe der Außentemperatur, während der tatsächliche Wärmeverlust nur gering ist, und zwar aufgrund des hohen Wärmespeichervermögens der Wände, Möbel usw. Eine Heizung mit hoher Leistung ist in diesem Falle nicht gerechtfertigt, aber der Thermostat in dieser Umgebung unterscheidet nicht zwischen einem kalten Raum und einem Raum, in dem man ein Fenster geöffnet hat. Die direkte Folge davon ist ein unnötiger Energieverbrauch.

Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wird erfindungsgemäß ein Regelsystem für thermostatgesteuerte Heizgeräte geschaffen, welches mit einer Vorrichtung ausgerüstet ist, um in Dauerregelung die mittlere von den Heizgeräten abgegebene Leistung zu begrenzen. Diese Begrenzung erfolgt in Abhängigkeit von der Außentemperatur am aufzuheizenden Raum. Die Wärmeverluste hängen nämlich von der Außentemperatur ab. In der Praxis erfolgt die Leistungsbegrenzung dadurch, daß man in Abhängigkeit von der Außentemperatur für die Zeitintervalle, während der die Heizgeräte eingeschaltet sind, eine obere Zeitdauergrenze vorgibt.

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Innerhalb von Zeitspannen, deren Länge allein von der Differenz zwischen der tatsächlichen Umgebungstemperatur und der gewünschten Umgebungstemperatur abhängt, läßt sich damit vermeiden, daß sich die Heizung einschaltet. Auf der anderen Seite kann man die obere Zeitgrenze einstellen, so daß die mittlere von den Heizgeräten abgegebene Leistung nur wenig über der Leistung liegt, die aufgrund der normalen Wärmeverluste des geheizten Raumes verlorengeht. Da der Leistungsverlust von der Außentemperatur abhängt, trifft man die Anordnung so, daß die obenbeschriebene Übereinstimmung zwischen abgegebener Leistung und verlorener Leistung verwirklicht wird, welchen Wert auch immer die Außentemperatur hat.

Der Leistungsverlust hängt auch von der Innentemperatur ab, deshalb ist erfindungsgemäß auch eine Vorrichtung vorgesehen, um die Obergrenzen der Heizzeiten in Abhängigkeit von der gewünschten Umgebungstemperatur einzustellen.

Damit wird es auch möglich, ein Fenster zu offnen, ohne das Gerät dazu zu bringen, seine maximale Leistung abzugeben, stattdessen wird von dem Gerät nur eine Leistung zum Ausgleich der Verluste abgerufen, welche umso geringer ist, je geringer die Differenz zwischen der Ussgebungstemperatur und der Außentemperatur ist.

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Selbstverständlich ist diese Begrenzung der abgegebenen Leistung bei einer dauernden Regelung interessant. Wenn man jedoch einen kalten Raum heizen oder die Soll-Innentemperatur plötzlich stark erhöhen will, so ist es erwünscht, die Vorrichtung zur Begrenzung der Leistung zu neutralisieren und die Geräte während der Zeit, die zum Erreichen der gewünschten Umgebungstemperatur notwendig ist, mit voller Leistung laufenzulassen.

Das erfindungsgemäße Regelsystem ist für thermostatgesteuerte Heizkörper anwendbar, ganz gleich wie die Art der Steuerung durch den Thermostaten erfolgt:

Die am häufigsten benutzten Thermostate arbeiten entweder mit einer Regelfunktion mit Proportionalbereich oder mit einer direkten Regelfunktion. Im ersten Fall werden die Heizzeitintervalle periodisch ausgearbeitet und haben normalerweise eine zur Differenz zwischen der Soll-Temperatur und der tatsächlichen Temperatur proportionale Länge. In diesem Falle begrenzt man künstlich, entsprechend der Erfindung, die Länge der periodischen Heizungs-Rechteckimpulse. Im zweiten Falle schaltet sich die Heizung ein, während die Temperatur unter einen Sollwert fällt, und schaltet sich wieder aus, wenn die Temperatur diesen Wert wieder überschreitet (mit einer bestimmten Hysterese, um Instabilitäten zu vermeiden). In diesem zweiten Falle begrenzt man erfindungsgemäß die

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Heizzeit nach dem Einsehalten, ohne abzuwarten, bis die Temperatur wieder auf den gewünschten Wert steigt.

In der Praxis ordnet man in einem zu heizenden Haus mehrere Heizgeräte an, die jeweils ein thermostatgesteuertes Steuermodul besitzen, beispielsweise ein Gerät pro Zimmer. Der Thermostat eines jeden Gerätes registriert die Umgebungstemperatur in dem Zimmer, wo er angeordnet ist, um eine direkte Regelung oder eine solche mit Proportionalbereich zu bewirken. Darüber hinaus ist vorgesehen, daß das erfindungsgemäße Regelsystem einen zentralen Steuerblock besitzt, der mit einer Außentemperatur-Sonde verbunden ist. Dieser zentrale Steuerblock besitzt eine gemeinsame Ausgangsleitung, welche zur Steuerung aller Heizgeräte bestimmt ist. Diese Leitung ist dafür geeignet, zunächst eine Spannung in Abhängigkeit von der Außentemperatur für die Leistungsbegrenzung und gegebenenfalls bestimmte Steuerbefehle zu übertragen, etwa einen Befehl zur Unterdrückung der Leistungsbegrenzung oder einen Befehl zur totalen Heizungsabschaltung.

Der zentrale Steuerblock besitzt nun im wesentlichen einen Verstärker, der mit der Außentemperatur-Sonde verbunden Ist, um eine Spannung zu erzeugen, die eine im wesentlichen lineare Funktion der Außentemperatur ist, dabei sind Vorrichtungen (Potentiometer) vorhanden, um den Ursprung und

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die Steigung dieser linearen Funktion einzustellen, und die gemeinsame Ausgangsleitung des Blocks ist mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung wurde bereits oben erläutert, nämlich die Verminderung des Leistungsbedarfe^, um die Leistung aufden tatsächlichen Bedarf zu begrenzen, insbesondere für den Fall, daß ein Fenster geöffnet wird. Ein weiterer Vorteil, der sich noch ergibt, kann ebenfalls genannt werden:

Weil die Obergrenze des Verbrauches verändert werden muß, wenn man die Soll-Innentemperatur verändert, denn die Wärmeverluste steigen mit der Innentemperatür, kann man in Höhe des Zentralblocks eine Regelvorrichtung für die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der veränderbaren Soll-Temperatur vorsehen.

Insbesondere kann man auch über die gemeinsame Leitung an die verschiedenen thermostatgesteuerten Heizgeräte eine Anzeige zur Leistungsbegrenzung geben, sei es für eine normale Heizung (beispielsweise für 20° C), sei es für eine reduzierte Heizung (beispielsweise für 15° C). Dies erfolgt, ohne daß die Einstellung der verschiedenen Thermostate geändert werden muß. Die einzige Spannung, die durch die gemeinsame Leitung übertragen wird, repräsentiert eine Anzeige für die Obergrenze der Leistung, die zur Kompensa-

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tion der Energieverluste aufzubringen ist; diese Leistung ist selbstverständlich wesentlich geringer bei einer Heizung für 15° C als bei einer Heizung für 20° C.

Darüber hinaus schafft man eine Dauerregelung mit wirtschaftlichem Energieverbrauch für verschiedene Innentemperaturen. Um von einer Soll-Temperatur auf eine andere, stärker erhöhte umzuschalten, gibt der Zentralblock über seine gemeinsame Ausgangsleitung einen Neutralisierungsbefehl für die Leistungsbegrenzung (Dies bedeutet, daß die Heizgeräte jeweils nur auf ihre jeweiligen Thermostate reagieren.). Beim Umschalten auf eine tiefere Temperatur gibt der Zentralblock einen Befehl zu einer zeitweisen totalen Abschaltung der Heizgeräte.

Die gemeinsame Ausgangsleitung ist mit den verschiedenen Steuermodulen der Heizgeräte verbunden, und vorzugsweise ist jedem dieser Modulen ein Leistungsbegrenzungskreis zugeordnet, welcher periodische Rechteckimpulse erzeugt, die eine bestimmte Länge haben, welche von der maximal abzugebenden Leistung abhängig ist. Diese Rechteckimpulse werden aufgrund der Spannung erzeugt, die über die gemeinsame Leitung empfangen wird, und beispielsweise erzeugt man diese mit Hilfe eines !Comparators, welcher über einen Eingang die Spannung der gemeinsamen Leitung und über einen anderen Eingang eine Sägezahnspannung erhält. Außerhalb

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dieser vom Komparator bestimmten Rechteckimpulsen, ist die Heizung abgeschaltet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor, bei der auf die Zeichnung Bezug genommen wird.

Dabei zeigen

Fig. 1 ein Diagramm der Wärmeverluste und der zu deren Kompensation notwendigen Wärmeleistungen,

Fig. 2 eine Blockdarstellung einer erfindungsgemäßen Regulierungsvorrichtung,

Fig. 3 ein inneres Schaltschema des Zentralblockes,

Fig. U ein inneres Schaltschema eines Leistungsbegrenzungskreises und des zugeordneten Thermostat-Steuermoduls,

Fig. 5 ein Diagramm der Spannungen* die vom Zentralblock und den Begrenzungskreisen bei einer Leistungsbegrenzung gemäß der Erfindung erzeugt werden.

Zum Verständnis der Erfindung, ist in der Fig. 1 ein Diagramm dargestellt, welches die Wänneverluste eines zu heizenden Raumes und die zur Kompensation dieser Verluste notwendige Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Temperatur außerhalb dieses Raumes wiedergibt.

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Die Gerade Dl gibt die Energieverluste bei einer inneren Umgebungstemperatur ti wieder. Diese Verluste schwanken deutlich linear mit der Außentemperatur te zwischen einer minimalen Außentemperatur te . , unterhalb der die Verluste die maximale Wärmeleistung ρ übersteigen, welche die

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Heizgeräte liefern können (und unterhalb der die innere Umgebungstemperatur ti auch bei einer ununterbrochenen Heizung nicht aufrechterhalten werden kann) und einer heizfreien Außentemperatur t , oberhalb der eine Wärmeerzeugung nicht notwendig ist, um den Raum auf ti zu halten.

Gemäß der Erfindung definiert man eine Gerade D2, die etwas oberhalb der Geraden Dl liegt und eine obere Grenze der mittleren Leistung darstellt, die man für die Heizgeräte in der Weise vorschreibt, daß diese bei dauernder Regelung maximal nur wenig mehr leisten können, als zur Kompensation der Wärmeverluste notwendig ist.

Beispielsweise beginnt diese Gerade D2 bei der gleichen Temperatur t für Heizfreiheit und hat eine negative Steigung, die etwas stärker ist als die Steigung der Geraden-Di der Verluste.

Außerdem ist eine Gerade D'2 dargestellt, die das Äquivalent der Geraden D2 ist, jedoch der Leistungsgrenze entspricht,

die zur Kompensation der Wärmeverluste vorgeschrieben wird, wenn die innere Umgebungstemperatur t'i nicht mehr ti ist. Diese Gerade D'2 ist parallel zu D2, beginnt jedoch bei einer Heizfreiheitstemperatur t^te _ncf welche sich von te unterscheidet. Im Endeffekt kann man sagen, daß die Verluste proportional zur Differenz zwischen der inneren Umgebungstemperatur und der Außentemperatur sind.

Das Diagramm der Fig. 1 läßt sich wie folgt zusammenfassen:

- Für eine gegebene Außentemperatur te können die Wärmeverluste, wenn die innere Umgebungstemperatur ti ist, durch Zuführung der Leistung Pl kompensiert werden.

- Es ist eine begrenzte Leistung P2 vorgesehen, die etwas größer als P 1 ist, um zu ermöglichen, daß die Heizgeräte eine Leistung liefern, die etwas größer als Pl ist, ganz gleich, was die von den Thermostaten dieser Heizgeräte gegebenen Befehle sind.

- Andererseits ist eine Leistungsgrenze P'2 vorgesehen, um zu erreichen, daß die Heizgeräte maximal kaum mehr Leistung liefern, als für die Kompensation der entsprechenden Verluste bei einer Umgebungstemperatur t'i notwendig ist.

- Die obere Leistungsgrenze P2 kann, wie auch die Verluste Pl, als linear variierend mit der Differenz zwischen der

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Außentemperatur und der Innentemperatur (te-ti) angesehen werden.

Das Gesamtschema des erfindungsgemäßen Regulierungssystems ist in der Pig. 2 dargestellt. Das System besitzt eine bestimmte Anzahl elektrischer Heizgeräte CHl, CH2 ..., die jeweils mit einem Thermostatsteuermodul MCl, MC2 ausgerüstet sind, der Befehle zum Anstellen und Abstellen der Heizung gibt, und zwar sowohl in Abhängigkeit von der inneren Umgebungstemperatur ti auf Höhe dieses Thermostaten als auch in Abhängigkeit von einer Soll-Umgebungstemperatur ti , die auf jedem Thermostaten einstellbar ist.

Die Heizgeräte und ihre Steuernjodulen sind voneinander unabhängig. Sie sind beispielsweise in verschiedenen Zimmerndes zia heizenden Hauses angeordnet.

Erfindungsgemäß sind sie jeweils mit einem Leistungsbegrenzungskreis CLl, CL2 usw. ausgerüstet, welcher auf den Jeweiligen Steuermodul MCl, MC2 einwirkt, um Heizunterbreehungsbefehle zu geben, welche gegenüber Einschaltbefehlen, die vom Meßthermostat für die Umgebungstemperatur gegeben werden, bevorrechtigt sind.

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Die verschiedenen Leistungsbegrenzungskreise CL sind alle über eine gemeinsame Leitung bzw. Steuerleitung FP mit einem zentralen Steuerblock BC verbunden, der an die Leistungsbegrenzungskreise über diese Leitung PP Informationen zur Regelung der mittleren maximalen Leistung gibt, die im jeweiligen Heizgerät verbraucht wird. Diese Informationen sind gleichzeitig für alle Leistungsbegrenzungskreise bestimmt.

Die über die gemeinsame Leitung FP gegebene Information hat im Prinzip, wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich wird, die Form einer Dauerspannung mit veränderbarer Stärke, und die Leistungsbegrenzungskreise reagieren auf diese veränderbare Stärke und erzeugen Rechteckimpulse, deren Länge entsprechend variiert, wobei die Steuermodulen MC während dieser Rechteckimpulse Heizbefehle geben dürfen.

Die vom Zentralblock BC erzeugte Dauerspannung ist eine lineare Funktion der Temperatur te außerhalb des zu heizenden Raumes. Deshalb ist vorgesehen, daß eine Meßsonde für die Außentemperatur mit dem Block verbunden ist. Auf diese Weise können die Leistungsbegrenzungskreise Leistungsbegrenzungswerte (P2 in Fig. 1) erzeugen, und zwar in Form begrenzter zeitlicher Längen von Aufheiz-Zeitintervallen, die in gleicher Weise linear mit der Außentemperatur variieren, entsprechend dem Diagramm in Fig. 1.

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Darüber hinaus besitzt der Zentralblock eine Vorrichtung zur Einstellung einer Soll-Umgebungstemperatur ti , welche

im Innern des Raumes erwünscht ist, und diese Einstellvorrichtung wirkt in gleicher Weise auf die an die gemeinsame Leitung abgegebene Spannung, so daß diese nicht nur linear abhängig von der Außentemperatur gehalten wird, sondern auch von der gewünschten Innentemperatur ti oder, noch präziser, von der Differenz zwischen der Außentemperatur und einer Referenz tempera tür te in der Nähe der Temperatur ti .

Somit kann man in einfacher Weise Rechteckimpule mit einer Dauer erzeugen, die linear von dieser Differenz te-ti abhängt.

Darüber hinaus kann der Zentralfalock eine Zusatzfunktion erfüllen, welche deshalb notwendig ist, weil es nur bei dauernder Regelung (geheizter Raum) interessant ist, die verbrauchte Leistung auf den tatsächlichen Bedarf zu begrenzen.

Andererseits, wenn der Raum kalt ist, oder wenn man wünscht, die innere Soll-Temperatur ti zu erhöhen, ist es erwünscht, das Begrenzungssystetn zu neutralisieren. Der Zentralblock kann dann über die gemeinsame Leitung eine Information liefern, die dazu bestimmt ist, den Kreisen CLl, CL2 zu ermöglichen, die Module MCl, MC2

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allein nach den Befehlen ihrer jeweiligen Thermostaten funktionieren zu lassen, ohne eine Leistungsbegrenzung.

Diese Information zur Unterbindung der Leistungsbegrenzung wird von dem Augenblick an übertragen, wo man einen Befehl zur Erhöhung der Soll-Temperatur ti vorgibt. Dafür ist vorgesehen, daß der zentrale Steuerblock BC mit einer maßgebenden Sonde für die Umgebungstemperatur ti verbunden ist, um die Information zur Unterbindung der Begrenzung abzugeben, wenn ti unterhalb des Sollwertes liegt oder ein neuer Sollwert vorgegeben wird.

Aber diese Funktion muß nur bei einem Einschaltbefehl oder einem Befehl für eine starke Erhöhung der Soll-Temperatur ausgelöst werden; sie braucht nicht jedesmal durchgeführt zu werden, wenn ti kleiner wird als ti , da der Zentralblock nicht an die Stelle der jeweiligen Thermostaten der Heizgeräte treten muß, um die Regulierung der Temperatur zu sichern: Der Zentralblock dient zur Begrenzung der mittleren Leistung, nicht zur Regulierung bei einer normalen Regelung.

Ein Organ für eine plötzliche Änderung der Soll-Temperatur ist in der Fig. 2 in Form eines Unterbrechers dargestellt. Dieser kann ein beweglicher Kontakt eines Programmierungszeitgebers der Heizung sein oder ein manuell betätigbarer

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Unterbrecher, welcher beispielsweise eine Anhaltesteilung (A), eine Stellung für Normalbetrieb (MN) und eine Stellung für reduzierten Betrieb (MR) besitzt. Der Wechsel von der Anhaltestellung zur Stellung für reduzierte Heizung oder zur Stellung für normale Heizung oder der Wechsel von der Stellung für reduzierte Heizung zur Stellung für normale Heizung löst den verstärkten Betrieb der Heizungsgeräte aus, bis die Innentemperatur den neuen Sollwert erreicht. Ganz gleich welche Zyklen danach von der Innentemperatur ti durchlaufen werden, die Regelung des verstärkten Betriebes der Geräte kann nicht durch einen erneuten Wechsel im Sinne einer Erhöhung der Soll-Temperatur (Wechsel von der Anhaltestellung auf reduzierten Betrieb oder Wechsel von Anhaltestellung auf Normalbetrieb oder Wechsel von reduziertem Betrieb auf Normalbetrieb) ausgelöst werden.

Weil die Innentempera tursonde, welche mit dem Zentralblock verbunden ist, bei Dauerregelung der normalen Heizung nicht gebraucht wird, ist sie in einem maßgebenden Zimmer angeordnet, welches eine etwa der mittleren Temperatur der zu heizenden Räume entsprechende Temperatur hat. Es ist nicht notwendig, daß für Jedes zu heizende Zimmer eine exakte Temperatur gemessen und an den Zentralblock übertragen wird.

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Man erkennt, daß in Fig. 2 die Thermostaten so dargestellt sind, daß sie alle die gleiche Soll-Temperatur ti haben,

die gleiche Soll-Temperatur wie die des Zentralblockes, wobei an allen Thermostaten eine Umgebungstemperatur ti vorliegt. In Wirklichkeit hat jeder Thermostat seine eigene Sollwert-Einstellung, und die tatsächliche Temperatur ti, welche er mißt, ist die des Ortes, wo er angebracht ist. Aber dies ändert nichts an den vorangegangenen Erklärungen. Einzig erwähnenswert ist, daß der Zentralblock eine Information zur Begrenzung der Leistung erzeugt; diese Information ist für alle die Geräte die gleiche und wird (im Block) in Abhängigkeit von einer mittleren Soll-Temperatur für die Gesamtheit des Hauses berechnet, wobei die Temperatur auf Höhe des Zentralblocks geregelt wird. Es entspricht im Endeffekt jener mittleren gewünschten Temperatur, daß man (vgl. Fig. 1) die Gerade Dl der Wärmeverluste und die Gerade D2 der vorzugebenden Leistungsbegrenzung bestimmt.

Um die Beschreibung bezüglich der Fig. 2 abzuschließen, ist noch zu bemerken, daß man entsprechend einem wichtigen Merkmal der Erfindung mittels des Zentralblocks die Regelung der mittleren Temperatur der Orte global verändern können will, um insbesondere auf eine Stellung für verminderte Heizung zu wechseln, ohne jeweils die Einstellungen aller Einzelthermostaten ändern zu müssen. Bei diesen

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Bedingungen versteht man, daß, wenn die Thermostaten auf Temperaturen in der Nähe von 20° C eingestellt bleiben, während man beispielsweise eine mittlere Temperatur von 15° C wünscht, es notwendig wird, daß bei diesem Betriebszustand für reduzierte Heizung der Zentralblock vollständig die Aufgabe der Regulierung der Temperatur übernimmt, was bei normaler Heizung Aufgabe der Einzelthermostaten ist. Deshalb ist es notwendig, daß der Zentralblock für sich allein ein Regelschleifensystem bildet, was möglich ist, weil man, wie bereits erläutert wurde, an diesen Block eine Einstellung für die Soll-Temperatur ti_c und eine Verbindung mit einer maßgebenden Sonde zur Messung der Umgebungstemperatur ti vorgesehen hat.

Dementsprechend ist Im Zentralblock ein Komparator vorgesehen, um die Abschaltung aller Heizgeräte zu veranlassen, wenn die Umgebungstemperatur ti oberhalb der Soll-Temperatur ti liegt (Dieser Komparator dient darüber hinaus auch dazu, den Befehl für einen verstärkten Betrieb der Geräte für eine beschleunigte Aufheizung der Räume zu geben.). Dieser Befehl wird, wie die Befehle für verstärkten Betrieb und wie die Informationen zur Leistungsbegrenzung, über die gemeinsame Leitung FP zu gleicher Zeit an alle Heizgeräte gegeben. Es ist erkennbar, daß man im Falle der reduzierten Heizung nicht nur eine dem Sollwert ti des Blocks unter-

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worfene Regelung, sondern darüber hinaus einen Leistungsverbrauch hat, bei dauernder Regelung, der begrenzt ist auf den Bedarf unter Berücksichtigung der Außentemperatur, da die durch die Steuerleitung übertragene Spannung abhängig ist von der Außentemperatur und dem verminderten Sollwert. Da bei einer verminderten Heizung das Haus im allgemeinen geschlossen bleiben wird, und da die über die Steuerleitung übertragene Spannung eine Leistung repräsentiert, die etwas über den Wärmeverlusten für ein geschlossenes Haus liegt, steigt die Innentemperatür leicht über den verminderten Sollwert an, und der Komparator C(MPl schaltet die Heizgeräte jedesmal, wenn es notwendig wird, ab.

In Fig. Z> ist ein innerer Aufbau der Schaltkreise des Zentralblocks dargestellt. Die Schaltkreise sind dafür geeignet, die anhand der Fig. 2 erläuterten Funktionen auszuführen.

Die Ausgangsleitung FP des Zentralblocks tiberträgt Informationen in Form einer Dauerspannung mit variabler Stärke. Diese Spannung wird durch eine Verstärkeranordnung erzeugt, welche als zwei in Kaskadegeschaltete Verstärkerstufen Al und A2 dargestellt ist.

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Die Verstärkerstufe Al ist ein Differentialverstärker zur Erzeugung einer Dauerspannung, die linear mit der Differenz zwischen der Außentemperatur und einer Soll-Innentemperatur variiert, für die Begrenzung der Leistung bei dauernder Regelung für einen Zustand normaler Heizung.

Die Verstärkerstufe A2 ist eine Leistungs- und Impedanzanpassungsstufe, welche die Linearität der vom Verstärker Al erzeugten Spannung erhält und darüber hinaus dafür geeignet ist, zwangsweise in zwei unterschiedlichen Zuständen gehalten zu werden, und zwar über zwei Befehlssteuereingänge el und e2. Im ersten Zustand erzeugt diese Verstärkerstufe eine Spannung, welche einer Information zum Abschalten der Heizgeräte entspricht (beispielsweise eine Spannung Null). Im zweiten Zustand erzeugt diese Stufe eine Spannung, welche einer Information für einen dauernden verstärkten Betrieb der Geräte entspricht (beispielsweise eine Spannung mit einem festen Maximalwert). Die entsprechenden Steuerbefehle werden an die Eingänge el und e2 jeweils über zwei logische Steuerkreise LCl und LC2 gegeben, die die Punktion haben, diese Befehle außerhalb der normalen Heizungssteuerung für normale Temperatur zu erzeugen.

Der Differentialverstärker Al besitzt zwei Eingänge, um ein Signal zu verstärken, welches an einer Diagonalen einer

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Meßbrücke für die Außentemperatur te abgegriffen wird. Ein Zweig der Brücke wird durch eine Meßsonde für te gebildet, die gegebenenfalls ein Thermistor mit einem negativen Temperaturkoeffizienten sein kann. Diese Außentemperatur-Sonde ist nicht im Block angeordnet, sondern außerhalb des Hauses. Ein anderer Zweig der Brücke, der an den Zweig mit dem Thermistor THl angrenzt, wird durch einen festen Widerstand Rl gebildet. Die zwei anderen Zweige werden durch ein Potentiometer P3 in Reihenschaltung mit einem einstellbaren Widerstand R^ gebildet, die Diagonale der Meßbrücke liegt zwischen der Verbindung von THl und Rl einerseits und dem Schleifkontakt des Potentiometers P^ andererseits, die Versorgungsdiagonale der Brücke liegt zwischen der Verbindung von Rl und R2 einerseits und der Verbindung zwischen P3 und THl andererseits.

Die Meßdiagonale ist mit den Eingängen des Differentialverstärkers Al verbunden. Die Versorgungsdiagonale ist mit einer Dauerversorgung AL verbunden, deren Ausgangsspannung U mittels eines Potentiometers Pl einstellbar ist.

Das Potentiometer P3 dient zur Einstellung der Soll-Innentemperatur ti , so daß die Brücke im Gleichgewichtszustand bei einer bestimmten Außentemperatur te ist ( Heizfrei-

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heitstemperatur, oberhalb der eine Heizung zxir Äxifrechterhaltung der Soll-Temperatur ti im Hause nicht notwendig ist: te hat im allgemeinen einen Abstand von mehreren Graden von ti > und in der Praxis kann man sagen, daß te linear mit ti variiert.)·

Der einstellbare Widerstand R2, der einen Teil eines Brückenzweiges bildet, kann durch einen elektrischen Kontakt CE kurzgeschlossen werden, um in bestimmter Weise (einstellbar durch Veränderung von R2) das Gleichgewicht der Brücke zu verändern, wenn man den Kontakt CE schließt, so daß, wenn CE geschlossen ist, eine neue Heizfreiheitstemperatur t'e bestimmt wird (und damit eine neue Soll-Temperatur t'i ), entsprechend einem reduzierten Heizungsbetrieb, während der offene Zustand des Schalters CE einem normalen Heizungsbetrieb entspricht.

Das Potentiometer Pl dient zur Regelung der Stärke der Spannung U der Versorgung der Brücke, um damit die Steilheit der Veränderung der Eingangsspannung des Differentialverstärkers Al in Abhängigkeit von der Außentemperatur zu regeln.

Mit dieser einstellbaren Meßbrücke ist es möglich, an der Steuerleitung eine Spannung zu erzeugen, deren Stärke sich

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mit der Außentemperatur ändert - entsprechend einer Geraden mit negativer durch Pl eingestellter Steigung und mit einem Ursprung, der bei einer Heizfreiheitstemperatur te liegt, welche durch P3 eingestellt wird - oder durch Schließen des Schalters Ce plötzlich um einen Wert verändert werden kann, der durch R2 einstellbar ist.

Es ist erkennbar, daß im Zentralblock eine Spannung erzeugt wird, deren Verlauf exakt den Geraden D2, D¹2 entspricht, die in der Fig. 1 dargestellt sind, und daß die Leistungsbegrenzung, die man für die Heizgeräte vorgeben möchte, dann durch eine Größe definiert werden kann, die linear von der Spannung an der Ausgangsleitung PP des Zentralblocks abhängt. Man sieht, daß die Leistungsbegrenzungskreise, die in Höhe eines jeden Heizgerätes vorgesehen sind, diese Spannung zur Erzeugung von Rechteckimpulsen benutzen, während der die Heizung eingeschaltet ist, so daß die mittlere verbrauchte Leistung gut durch die Geraden D2, D¹2 der Fig. 1 begrenzt wird.

Der elektrische Schalter CE ist beispielsweise der einer Programmschaltuhr, welche die Aufgabe hat, für bestimmte Zeitperioden eine verminderte Heizung und für andere Zeitperioden eine normale Heizung vorzuschreiben.

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In der Stellung für verminderte Heizung werden die über die Steuerleitung geleiteten Informationen für den Wärmebedarf natürlicherweise verändert, da das Gleichgewicht der Meßbrücke am Eingang von Al verändert ist. Diese Veränderung besteht in einer Translation, ohne Veränderung der Steilheit, der Spannung der Steuerleitung in Abhängigkeit von der Außentemperatur (Übergang von einer Geraden D2 zu einer parallelen Geraden D'2).

Die Programmschaltuhr wirkt in gleicher Weise auf die logischen Steuerkreise LCl und LC2, die dazu dienen, über die Steuerleitung Steuerbefehle außerhalb der dauernden Regelung der Heizung für normale Temperatur zu senden.

Der Logikkreis LCl bringt die Spannung an der Steuerleitung auf Null, wenn die folgenden zwei Bedingungen vorliegenj

1. Die Programmschaltuhr ist in der Stellung für reduzierten Betrieb, und

2. die Innentemperatur ti liegt über dem Sollwert t'i (Sollwert für reduzierte Heizung),

Der logische Steuerkreis LCl empfängt, van auf die zweite Bedingung zu reagieren, wie auch der logische Steuerkreis LC2,das Äusgangssignal eines !Comparators COMF1, dessen einer Eingang mit einer Temperatursonde TH2 (Thermistor)

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verbunden ist, die über einen Widerstand R^ von der Dauerspannung U versorgt wird. Der andere Eingang des Komparators ist über einen Spannungsteiler R4, R5 mit dem Schleifkontakt des Potentiometers P3 verbunden, um eine Spannung zu erhalten, welche wie die Soll-Innentemperatur ti variiert.

Der Thermistor TH2 ist nicht notwendigerweise im Zentralblock angeordnet, sondern kann auch in einem maßgebenden Zimmer angeordnet sein, um die ungefähre mittlere Temperatur des Hauses festzustellen.

Der logische Kreis LC2, der auch das Ausgangssignal des Komparators COMPl empfängt, bringt die Spannung auf der Steuerleitung auf einen hohen Wert (ausreichend um eine dauernde Heizung zu veranlassen, wie wenn die Außentemperatur außerordentlich tief wäre), wenn die folgenden drei Bedingungen vorliegen:

1. Die Programmschaltuhr ist in einer Stellung für normale Heizung,

2. der Komparator COMPl zeigt an, daß die Temperatur des maßgebenden Zimmers unterhalb ti liegt,

3. der Komparator ist noch nicht in seinen Zustand umgekippt, der ti>ti entspricht, seitdem die Schaltuhr einen Befehl für normale Heizung gegeben hat oder ein

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Startkreis CD unter der Spannung der Anlage zum Einschalten ausgelöst worden ist.

Diese letztere Bedingung wird im Inneren des logischen Kreises durch einen Speicher realisiert, der durch die Einschaltaktion des Starterkreises in einen Zustand gebracht und durch das Kippen des Komparators COMPl wieder in seinen Anfangszustand gesetzt wird.

Nach diesem Kippen ist der logische Kreis LC2 auf Null zurückgesetzt und wirkt nicht mehr auf den Verstärker A2 ein.

Außerdem könnte vorgesehen sein, daß der logische Kreis LC2 einen Befehl für verstärkten Betrieb bei denselben Bedingungen ebenso wie in dem Fall, wo die Programmuhr, anfänglich im Zustand für ausgestellte Heizung, einen Befehl für verminderte Heizung gibt:

Der Befehl für verstärkten Betrieb setzt sich in gleicher Weise fort, solange der Komparator seit der Ingangsetzung durch die Programmuhr nicht gekippt ist, dann zieht die Logik LCl das Relais an, um die Regelung für reduzierten Betrieb zu sichern.

In der Fig. 4 ist ein Leistungsbegrenzungskreis (CL in Fig. 2) dargestellt, welcher einem thermostatgesteuerten Stetsermodul eines Heizgerätes zugeordnet ist,

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Der Steuermodul MC ist beispielsweise ein klassischer Modul für direkte Regelung:

Der Widerstand einer Temperatursonde TH3 (ein Thermistor zum Beispiel) wird mit einem Referenzwiderstand R6 von einem Komparator COMP2 verglichen, der mittels eines Transistors Tl die Spule eines Relais RL steuert, dessen Kontakt in Reihe mit dem Heizwiderstand CH des Heizgerätes liegt.

Wenn die Temperatur steigt, zeigt der Thermistor TH^ mit negativem Temperaturkoeffizienten seinen abnehmenden Widerstand, bis ein Punkt erreicht ist, wo der Komparator C0MP2 umkippt, um den Kontakt des Relais RL zu öffnen und die Heizung auszuschalten. Die Regelung ist damit direkt, der Thermostat reagiert auf den Übergang der Temperatur über einen Sollwert ti.

Dieser Sollwert kann durch ein Potentiometer P4 eingestellt werden, welches in Reihe mit TH3 liegt und dessen Schleifkontakt mit einem Eingang des Komparators verbunden ist.

Der Referenzwiderstand R6 wird über einen Widerstand R7 mit einer Dauerspannung versorgt, die von einer Versorgung AL¹ erzeugt wird, eine Spannung, die auch das Potentiometer P4 und den Thermistor TH3 über einen Widerstand R8 versorgt. Damit ist insgesamt eine Meßbrücke gebildet, deren eine

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Diagonale mit dem Komparator C0MP2 verbunden ist. Ein Thermistor TH²I mit positivem Temperaturkoeffizienten kann in den Zweig eingesetzt sein, welcher den Referenzwiderstand R6 enthält, um den Kreis im Moment einer anormalen Aufheizung des Heizwiderstandes abzuschalten.

Dieser klassische Steuermodul ist mit einem erfindungsgemäßen Le istungsbegrenzungskreis verbunden, einem Kreis, der über die Steuerleitung FP (siehe Fig. 2) bevorrechtigte Informationen zur Heizungsabschaltung empfängt, wobei die Wirkung des Thermistors TH^ ausgeschaltet ist.

Der Ausgang des Leistungsbegrenzungskreises wird dazu durch einen Transistor T2 gebildet, der den Thermistor TH3 kurzschließen kann (und damit gegenüber der Umgebungstemperatur-Meßbrücke eine erhöhte Temperatur simuliert, die den Komparator C0MP2 dazu bringt, die Heizung abzuschalten).

Der Transistor T2 zur Kurzschließung von TH^ wird gesteuert von einem Komparator COMP3, der die von der Steuerleitung FP gelieferte Spannung (die Steuerleitung ist an einen Komparatoreingang, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Tiefpaßfilters FPB zur Eliminierung der Störwellen und der anderen Frequenzbestandteile des öffentlichen Stromnetzes, angeschlossen) mit einer periodischen Sägezahnspannung vergleicht „

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Diese Sägezahnspannung wird hier durch einen Oszillator erzeugt, hinter den ein Binärzähler geschaltet ist, dessen Ausgänge über Widerstände, deren Leitwerte den Lasten der binären Ausgänge des Zählers entsprechen, mit dem Eingang des Komparators verbunden sind. Die maximale Stärke der Sägezahnspannung hängt vom dem Wert dieser Widerstände und der Periode der Sägezähne und der Periode des Oszillators, multipliziert mit der Kapazität des Zählers,ab. Es können auch andere Vorrichtungen zur Erzeugung der Sägezähne benutzt werden, diese Mittel geben jedoch eine exzellente mittlere Linearität und eine sehr genau definierte Steigung.

Die Fig. 5 zeigt den Verlauf des Ausgangssignales des Leistungsbegrenzungskreises (gemessen an den Klemmen von T2) in Abhängigkeit von der Stärke der Spannung, welche an der Steuerleitung FP anliegt. Die Spannung der Steuerleitung ist durch TFP angezeigt, und sie ist in vier Abschnitten dargestellt:

Ein Abschnitt, wo sie bei der übertragung der entsprechend der Außentemperatur wechselnden Leistungsinformationen für einen reduzierten Heizungsbetrieb variiert, ein Abschnitt, wo sie analoge Informationen für einen normalen Heizungsbetrieb überträgt, ein Abschnitt, wo sie einen Befehl zur totalen Ausschaltung der Heizgeräte überträgt, und schließ-

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lieh ein Abschnitt, wo sie einen Befehl für einen verstärkten Betrieb der Geräte überträgt.

Im ersten Abschnitt ändert sich die Spannung der Steuerleitung entsprechend der Unsymmetrie der Außentemperatur-i Meßbrücke, die Referenz ist eine verminderte Soll-Temperatur, und der Komparator COMP^ kippt jedesmal, wenn die Sägezahnspannung gleiche Stärke wie die Spannung der Steuerleitung hat.

Das Ausgangssignal des Leistungsbegrenzungskreises, an den Polen des Transistors T2 abgegriffen, besteht damit aus periodischen Rechteckimpulsen, die aufgrund der Linearität der Sägezähne eine Länge haben, die linear von der Spannung an der Steuerleitung abhängt. Während der Dauer dieser Rechteckimpulse ist die Heizung möglich. Außerhalb dieser Rechteckimpulse ist die Heizung unterbrochen, der Thermostat ist kurzgeschlossen,

Man erkennt, daß die mittlere maximal verbrauchte Leistung, die proportional zur Länge der periodischen Rechteckimpulse ist, linear mit der Außentemperatur entsprechend der Kurve D¹2 der Pig. I variiert.

Diese Rechteckimpulse können durch den Logikkreis LCl des Zentralblocks unterbrochen werden, wenn die Innentemperatur ti den Sollwert überschreitet.

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Im zweiten dargestellten Abschnitt ist die Spannung der Steuerleitung weiter erhöht als im ersten Abschnitt, der maßgebende Wert hat gewechselt, um einen Befehl für eine normale Heizung zu geben. Die Betriebsweise ist die gleiche, mit entsprechend verlängerten Rechteckimpulsen. Die Rechteckimpulse begrenzen hier die verbrauchte Leistung, jedoch sichern die Thermostaten, falls notwendig, die individuelle Regelung. Dies bedeutet, daß ein Heizgerät während eines Rechteckimpulses ausgeschaltet bleiben kann, wenn sein Thermostat einen entsprechenden Befehl gegeben hat. Die Leistungsbegrenzungskreise wirken hier nur, um die Leistung nach oben zu begrenzen. Im dritten dargestellten Abstand ist die Spannung an der Steuerleitung Null oder leicht
negativ, so daß sie dauernd unter der Sägezahnspannung
bleibt. Damit sind keine Rechteckimpulse vorhanden, die
Heizung ist dauernd abgeschaltet (der Fall eines Befehls zum Umschalten auf reduzierte Heizung, und der Fall einer weiteren Regelung bei reduzierter Heizung, wenn die Temperatur im maßgebenden Zimmer den Sollwert überschreitet).

Im vierten dargestellten Abschnitt ist die Spannung TFP
auf einem erhöhten Niveau, wo sie durch den logischen
Schaltkreis LC2 des Zentralblocks eingeschaltet wird.

Diese Spannung liegt zu allen Zeitpunkten oberhalb der
Sägezahnspannung. Auf diese Weise wird ein Befehl zu dauernd

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verstärkt bleibender Heizung gegeben, der erzeugte Rechteckimpuls dauert so lange, wie TFP auf diesem hohen Niveau bleibt.

Es muß bemerkt werden, daß die maximale Amplitude der Sägezahnspannung etwas unterhalb der Spannung der Steuerleitung für die unterste Außentemperatur te . liegen muß, für die die Regelung möglich bleibt.

Darüber hinaus muß die Spannung der Steuerleitung mindestens gleich der Sägezahnspannung für eine der Heizfreiheitstemperatur te (wie te . mit der Soll-Innentemperatur variabel) entsprechenden Außentemperatur sein.

Somit realisiert man eine Rechteckimpulslänge, welche gut einer Leistungsbegrenzung entsprechend einer Geraden D2 (Fig. 1) entspricht, welche etwas oberhalb der Geraden Dl für die Wärmeverluste liegt.

Der thermostatgesteuerte Steuermodul, der anhand der Fig. beschrieben wurde, dient für eine direkte Regulierung. Die Erfindung läßt sich auch verwenden, wenn die Steuermodule für eine Regelung mit Proportionalbereich ausgelegt sind. Diese letzteren erzeugen periodisch Zeitintervalle zum Heizen^ deren Länge proportional zum Abstand zwischen der Soll-Temperatur und der vom Thermostaten gemessenen Umgebungstemperatur ist.

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Diese Steuermodule besitzen dann normalerweise einen Generator für Rechteokimpulse mit einer dem Temperaturabstand proportionalen Länge und einen gesteuerten Unterbrecher, der zur Auslösung der Heizung während der empfangenden Rechteckimpulse dient.

In diesem Falle ist der Leistungsbegrenzungskreis, der selbst ebenfalls Rechteckimpulse erzeugt, im Steuermodul angeordnet. Er ist mit dem Eingang eines Tores ET verbunden, dessen anderer Eingang das Ausgangssignal des Generators für dem Temperaturabstand proportionale Rechteckimpulse erhält. Und es ist nicht dieses Ausgangssignal, sondern das Ausgangssignal des Tores ET, welches dann an den gesteuerten Unterbrecher (Triak oder Relais) gegeben wird. Darüber hinaus sieht man vor, den Anfang der Rechteckimpulse, die vom Steuermodul erzeugt werden, und der Rechteckimpulse, die vom Leistungsbegrenzungskreis erzeugt werden, zu synchronisieren (beispielsweise dadurch, daß man die gleiche Sägezahnspannung zur Erzeugung der Rechteckimpulse benutzt). Auf diese Weise wird die Heizung durch das Ausgangssignal des Tores ET nur während der Dauer der kürzesten Rechteckimpulse ausgelöst.

Bei einer vorgegebenen Anlage ist die Kenntnis der Geraden Dl der Wärmeverluste in Abhängigkeit von der Außentemperatur

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und den Soll-Temperaturen wichtig. Die Wärmeverluste müssen für eine normale Isolation des Hauses (Fenster und Türen geschlossen) bekannt sein. Die Gerade D2 für die Begrenzung der abzugebenden Leistung oberhalb der Geraden Dl liegt so, daß die Heizgeräte entsprechend ihrer normalen Regelung durch Thermostat (oder durch den Zentralblock bei reduzierter Heizung) arbeiten, wenn diese Isolation realisiert ist. Wenn man jedoch ein Fenster in einem Zimmer öffnet, so werden die benötigten Wärmemengen größer als die normalen Verluste, jedoch bleibt die aufgebrachte Leistung durch die Gerade D2 begrenzt, und wenn D2 nahe bei Dl liegt, so wird der Verbrauch praktisch nicht größer, sei das Fenster nun geöffnet oder geschlossen.

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Claims

PAl E N TAN" W ALTE GRÄMKOW, MANlTZ & FINSTERWALD ^: 31 7 STUTTCART 50 (BAD CAN NSTATTI SEELBERCSTRASSE 2 3/2 5 SGF 101 Ro/Bd 30. Oktober 1979 Anmelderin; Societe Generale de Fonderie, 8, Place d'lena, F-75 Paris l6 (Frankreich) Ansprüche

1. Wärmeenergie-Regelsystem für Heizgeräte, welche jeweils ein Steuermodul besitzen, das Steuerbefehle erzeugt, so daß das Heizgerät intervallweise eingeschaltet ist, wobei die Länge dieser Zeitintervalle sich in Abhängigkeit von der gewünschten Umgebungstemperatur und der effektiven Temperatur in Höhe eines dem Gerät zugeordneten Thermostaten ändert, wobei das Regelsystem einen zentralen Steuerblock besitzt, der mit einer Außentemperatur-Sonde verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß der zentrale Block eine Dauerspannung erzeugen kann, die im wesentlichen linear von der Differenz zwischen der Außentemperatur und einer

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DIPL.- INC. W. CRÄMKOW DR. G. MANITZ · DIPL.-JNG. M. FINSTERWALD

STUTTGART 5O (BAD CANNSTATT) 8 MÖNCHEN 22. RCrBERT-KOCH-STRASSE I

S-EELBERCSTR. 2 3/2 5. TEL. <O7111 5 6 7 2 61 TeI. COB 9)22 4 211. TELEX O5-2567Ü PATMF

ORIGINAL INSPECTED

einstellbaren Referenztemperatur abhängt, und eine gemeinsame einzige Ausgangsleitung besitzt, welche die Übertragung an alle Heizgeräte sichert, und daß jedes Heizgerät einen Leistungsbegrenzungskreis besitzt, der auf die Höhe der Dauerspannung anspricht.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauerspannung von einem Verstärker erzeugt wird, dessen Eingang mit einer Meßbrücke verbunden ist, welche eine Außentemperatur-Sonde enthält.

3. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralblock ein Potentiometer zur Einstellung der einstellbaren Referenztemperatur und ein Potentiometer zur Einstellung der Steilheit der linearen Veränderung der Begrenzungs-Dauerspannung besitzt.

4. Regelsystem nach Anspruch ~$, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbarer, kurzschließbarer Widerstand vorgesehen ist, um eine plötzliche Änderung einer vorgegebenen einstellbaren Große uer Heferenztemperatur zu ermöglichen.

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5. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralblock einen Komparator aufweist, dessen einer Eingang mit einer Innentemperatur-Sonde und dessen anderer Eingang mit einer Einstellvorrichtung für eine Soll-Innentemperatur verbunden ist, und daß der Zentralblock außerdem einen logischen Kreis besitzt, der die Spannung an der gemeinsamen Ausgangsleitung des Zentralblocks auf einen Wert bringt, welcher eine Leistung Null repräsentiert, wenn der Komparator anzeigt, daß die von der Sonde abgegriffene Temperatur über der Soll-Temperatur ist.

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