DE3029131A1

DE3029131A1 - Verfahren und anordnung zur steuerung einer raumheizung

Info

Publication number: DE3029131A1
Application number: DE19803029131
Authority: DE
Inventors: Herbert Ing.(grad.) 7801 Schallstadt Güthner
Original assignee: SAUTER AG
Current assignee: SAUTER AG
Priority date: 1980-07-31
Filing date: 1980-07-31
Publication date: 1982-02-18
Also published as: FR2487955A1; GB2081471A

Description

- 5 Patentanw alte

Dipl -Ing Dipl.-Chem. Dipl -Ing. y U L· Ό Iv I

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

31 . Juli 1980 Fr. Sauter AG
Fabrik elektr. Apparate
Im Surinam 55

4016 BASEL / Schweiz

Unser Zeichen: S 3012

Verfahren und Anordnung zur Steuerung einer Raumheizung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Raumheizung zur Heizung eines Raumes, der während vorbestimmter Nutzungszeiten durch Regelung innerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen auf einer Solltemperatur gehalten wird, während die Raumheizung am Ende jeder Nutzungszeit abgeschaltet wird, wobei kontinuierlich oder zyklisch ein die Isttemperatur des Raums anzeigendes Signal geliefert wird, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

In vielen Gebäuden, wie Schulen, Amtsgebäuden, Bürogebäuden usw., ist es erforderlich eine größere Anzahl von Räumen während vorgegebener Nutzungszeiten auf einer festgelegten Solltemperatur zu"halten, während außerhalb der Nutzungszeiten die Raumheizung zur Energieeinsparung ausgeschaltet sein soll, abgesehen "von der Einhaltung einer bestimmten Mindesttemperatur, um beispielsweise ein Einfrieren zu verhindern. Es ist bekannt

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und üblich, zur Einhaltung der Solltemperatur während der Nutzungszeiten einen Temperaturregler vorzusehen, der die Raumheizung aufgrund eines von einem Raumtemperaturfühler gelieferten Istwertsignals und eines an einem Sollwertgeber eingestellten Sollwertsignals so ein- und ausschaltet, daß im Mittel die Sollwerttemperatur eingehalten wird. Der Temperaturregler kann mehreren oder allen Räumen gemeinsam sein und entsprechend mehrkanalig oder für einen zyklischen Betrieb ausgelegt sein. Die Nutzungszeiten werden an einer Zeitschaltuhr eingestellt, wobei es sich je nach Bedarf um ein Tages-, Wochen- oder Jahresprogramm handeln kann. Wenn die Nutzungszeiten für mehrere Räume oder Raumgruppen verschieden sind, werden mehrere Zeitschaltuhren oder eine mehrkanalige Zeitschaltuhr vorgesehen sein.

Bei Heizanlagen dieser Art besteht die Forderung, daß die Raumheizungen vor Beginn jeder Nutzungszeit so frühzeitig eingeschaltet werden, daß am Beginn der Nutzungszeit in jedem Raum die Solltemperatur im wesentlichen erreicht ist. Die hierfür erforderlichen Aufheizzeiten sind natürlich von Raum zu Raum verschieden, und sie ändern sich außerdem in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen, insbesondere von der Außentemperatur. Ein häufig angewendetes einfaches Verfahren besteht darin, die Raumheizungen aller Räume gleichzeitig an einem festen Zeitpunkt einzuschalten, der so frühzeitig liegt, daß der Raum mit der längsten Aufheizzeit die Solltemperatur auch unter den ungünstigsten Bedingungen noch vor Beginn der Nutzungszeit erreicht. Dieses Verfahren ergibt offensichtlich eine erhebliche Energieverschwendung .

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit dem die Raumheizung jedes Raumes individuell derart steuerbar ist, daß die Solltemperatur auch unter wechselnden Bedingungen jeweils gerade am Beginn jeder Nutzungszeit erreicht wird, sowie einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

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Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß während der Abkühlung des Raums bei abgeschalteter Heizanlage nach dem Ende jeder Nutzungszeit die durch den Verlauf der Isttemperatur als Funktion der Zeit gegebene Abkühlkurve ermittelt wird, wobei jeder Abkühlkurve eine Vorheizzeit zugeordnet ist, in der nach dem Einschalten der Raumheizung die Solltemperatur erreicht wird, und daß die Raumheizung eingeschaltet wird, sobald die der Abkühlkurve zugeordnete Vorheizzeit den bis zum Beginn der nächsten Nutzungszeit verbleibenden Zeitabstand erreicht oder überschreitet.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird der Einschaltzeitpunkt der Raumheizung vor dem Beginn jeder Nutzungszeit aufgrund des Abkühlverhaltens während der vorhergehenden Nutzungspause bestimmt. Alle zur Ermittlung des Einschaltzeitpunkts notwendigen Informationen werden somit ausschließlich aus dem zeitlichen Verlauf der Raumtemperatur gewonnen, die von dem für die Temperaturregelung während der Nutzungszeiten ohnehin vorhandenen Raumtemperaturfühler festgestellt wird. Die Abkühlkurve hängt von den Parametern ab, die auch für die erforderliche Aufheizzeit maßgeblich sind; dies sind einerseits die besonderen Parameter des Raumes, wie Wärmekapazität und Wärmeisolation, und andrerseits die veränderlichen Parameter, insbesondere die Außentemperatur. Solange wie die übrigen das Aufheizen bestimmenden Parameter, insbesondere die Heizleistung, als gleichbleibend angesehen werden können, kann daher jeder Abkühlkurve eines Raumes eine am Beginn der nächsten Nutzungzeit endende Vorheizzeit zugeordnet werden, in deren Dauer die Solltemperatur gerade erreicht wird.

Das zuvor angegebene Verfahren setzt lediglich voraus, daß die Parameter des Äufheizens für jede Abkühlkurve reproduzierbar sind; sie können dagegen von Abkühlkurve zu Abkühlkurve verschieden sein. Das Verfahren ist daher auch bei Heizanlagen

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anwendbar, bei denen die Heizleistung (z.B. die Vorlauftemperatur einer Warmwasserheizung) in Abhängigkeit von der Außentemperatur verändert wird. Da jede Abkühlkurve einer bestimmten-Außentemperatur zugeordnet ist, wird auch in diesem Fall für eine bestimmte Abkühlkurve stets die gleiche Heizleistung und somit die gleiche Aufheizzeit erhalten.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin^ daß während der Abkühlung des Raums bei abgeschalteter Heizanlage nach dem Ende Jeder Nutzungszeit zyklisch die Differenz zwischen der Solltemperatur und der Ist— temperatur gebildet und durch Integration der Differenzwerte die bis zu jedem Integrationszeitpunkt erreichte Abkühlfläche bestimmt wird, daß jedem Wert der Abkühlfläche eine Vorheizzeit zugeordnet ist, in der nach dem Einschalten der Raumheizung die Solltemperatur erreicht wird, und daß die Raumheizung eingeschaltet wird, sobald die dem zuletzt ermittelten Wert der Abkühlfläche zugeordnete Vorheizzeit den bis zum Beginn der nächsten Nutzungszeit verbleibenden Zeitabstand erreicht oder überschreitet.

Die Verwendung der durch Integration der Temperaturdifferenz erhaltenen Abkühlfläche als Kenngröße für das Abkühlverhalten ergibt mehrere Vorteile. Einerseits stellt die Abkühlfäche eine für die Bestimmung des EinschaltZeitpunkts besonders geeignete Größe dar, da sie der Verlustenergie beim Abkühlen proportional ist. Ferner kann der Einschaltzeitpunkt aufgrund einer einzigen zeitabhängigen Größe bestimmt werden, die ihrerseits in eindeutiger Weise von den das Abkühlverhalten kennzeichnenden Größen, nämlich Zeit und Temperatur, abhängt. Schließlich werden durch die Integration kurzzeitige Störeinflüsse und Schwankungen ausgeglichen. '■■

Der Zusammenhang zwischen dem Auskühlverhalten und den erforderlichen Aufheizzeiten könnte für jeden Raum beispielsweise experimentell ermittelt werden. Dieses Vorgehen wäre aber

ziemlich mühsam und langwierig. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht jedoch darin, daß es eine selbsttätige Ermittlung der den Abkühlkurven eines Raumes zugeordneten Vorheizzeiten, eine fortlaufende Optimierung der ermittelten Werte und eine Anpassung an sich langsam ändernde Bedingungen ermöglicht. Dies geschieht nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß für jeden Wert der Abkühlfläche eine zugehörige Aufheizzeit experimentell durch Messung der Zeitdauer vom Einschalten der Raumheizung bis zum Erreichen der Solltemperatur bestimmt wird, und daß die gemessene Aufheizzeit als die dem Wert der Abkühlfläche zugeordnete Vorheizzeit gespeichert wird.

Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens ergeben sich zwar in einem Anfangsstadium noch einige Abweichungen von dem optimalen Betrieb, so daß die Solltemperatur geringfügig vor oder nach dem Beginn der Nutzungszeit erreicht wird. Diese Abweichungen sind jedoch schon wesentlich kleiner als bei den bekannten Verfahren, die mit festen maximalen Aufheizzeiten arbeiten, und sie werden mit zunehmender Zahl der Meßwerte schnell kleiner. Bei gleichbleibenden Abkühl- und Aufheizbedingungen wird nach verhältnismäßig kurzer Zeit ein optimierter Zustand erreicht. Bei langfristigen Trendverschiebungen erfolgt eine allmähliche Anpassung.

Eine Anordnung zur Durchführung der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens mit einem Raumfühler, der ein die Isttemperatur anzeigendes Istwertsignal liefert, einem Sollwertgeber, der ein die Solltemperatur angebendes Sollwertsignal liefert, einem Zeitgeber, an dem die Nutzungszeiten einstellbar sind, und mit einem Temperaturregler, der das Istwertsignal und das Sollwertsignal -empfängt.und während der Nutzungszeiten ein das Ein- und Ausschalten der Raumheizung steuerndes Stellsignal liefert, ist

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nach der Erfindung gekennzeichnet durch eine Subtrahierschaltung, die das Sollwertsignal und das Istwertsignal empfängt und ein die Differenz von Sollwert und Istwert darstellendes Differenzsignal liefert, einen Integrator, der das Differenzsignal empfängt und ein das Integral des Differenzsignals darstellendes Integrationssignal liefert, einen Speicher, in dem für verschiedene Werte des Integrationssignals zugeordnete Werte von Vorheizzeiten gespeichert sind, und durch eine Schaltungsanordnung, die für jeden Wert des Integrationssignals den zugeordneten Wert der Vorheizzeit aus dem Speicher entnimmt, mit der bis zum Beginn der nächsten Nutzungszeit verbleibenden Zeit vergleicht und bei Gleichheit oder Überschreitung das Einschalten der Raumheizung auslöst.

Zur selbsttätigen Ermittlung und Optimierung der gespeicherten Werte enthält die Anordnung vorzugsweise einen Zeitmesser, der beim Einschalten der Raumheizung in Gang gesetzt wird, einen Komparator, der das Sollwertsignal und das Istwertsignal vergleicht und bei Feststellung der Gleichheit die Übertragung des im Zeitmesser ermittelten Zeitwerts in dem Speicher auslöst, und eine Steueranordnung, die das Abspeichern des Zeitwerts im Speicher an einer Adresse bewirkt, die dem im Zeitpunkt des Einschaltens der Raumheizung vom Integrator gelieferten Wert des Integrationssignals zugeordnet ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Zeitdiagramm des Temperaturverhaltens eines Raumes zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips,

Fig. 2 das Blockschema einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung und

Fig. 3 bis Fig. 8 Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Anordnung von Fig. 2.

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Anhand des Diagramms von Fig^. 1 soll zunächst das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip erläutert werden. Dieses Diagramm zeigt den Verlauf der Temperatur eines Raums während der Abkühlphase und der anschließenden Aufheizphase in einer Nutzungspause.

Zur Vermeidung von Irrtümern sind in den Zeichnungen und in der folgenden Beschreibung alle Zeitpunkte mit dem- Buchstaben "t" und alle Zeitintervalle mit dem Buchstaben "T" bezeichnet.

In Fig. 1 endet das der Nutzungspause vorangehende Nutzungsintervall im Zeitpunkt t_Q. Das nächste Nutzungsintervall beginnt im Zeitpunkt t„. Während der Nutzungsintervalle sorgt eine übliche Temperaturregelanordnung dafür, daß die Raumtemperatur auf einem konstanten Nutzungs-Sollwert 9„ gehalten wird.

Die Nutzungspause beginnt im Zeitpunkt t_Q und endet im Zeitpunkt Im Zeitpunkt t_Q wird durch eine Zeitschaltanordnung die Raumheizung ausgeschaltet. Die Temperatur des Raums sinkt dann im wesentlichen nach einer Exponentialfunktion ab, die hauptsächlich durch die Wärmekapazität des Raums, den Wärmeübergangswiderstand und die Außentemperatur bestimmt ist. Wenn angenommen wird, daß die Wärmekapazität und der Wärmeübergangswiderstand im wesentlichen konstant bleiben, hängt die Geschwindigkeit der Abkühlung in erster Linie von der Außentemperatur ab. Fig. 1 zeigt als Beispiel eine Abkühlkurve K , die einer mittleren Außentemperatur entspricht, eine Abkühlkurve K~ für eine höhere Außentemperatur und eine Abkühlkurve K-. für eine sehr niedrige Außentemperatur.

In allen Fällen soll die Raumheizung während der Nutzungspause in einem solchen Zeitpunkt eingeschaltet werden, daß im Zeitpunkt t_N des Beginns des nächsten Nutzungsintervalls gerade die Solltemperatur Θ-, erreicht ist. Ein verfrühtes

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Einschalten ist unerwünscht, weil nutzlos Heizenergie vergeudet würde, und ein verspätetes Einschalten ist unerwünscht, weil der Raum am Beginn des Nutzungsintervalls noch zu kalt wäre.

Der Einschaltzeitpunkt muß in Abhängigkeit von den herrschenden Bedingungen verschieden gelegt werden. Als Beispiel ist in Fig. 1 angenommen, daß bei einer Abkühlung gemäß der Kurve K₁ das Einschalten der Raumheizung in einem Zeitpunkt t_c;1 erfolgen muß, der in einem Zeitabstand T .. vor dem Zeitpunkt t_N liegt. Nach dem Einschalten der Raumheizung nimmt die Temperatur nach einer Kurve H₁ zu, die von verschiedenen Parametern abhängt, insbesondere von der Heizleistung der Raumheizung, aber auch von den für die Abkühlung maßgeblichen Parametern, wie Wärmekapazität, Wärmeübergangswiderstand und Außentemperatur, da die Raumheizung auch die während des Aufheizens nach außen abgegebenen Wärmeverluste decken muß. Zur Vereinfachung ist angenommen, daß die Aufheizkurve H₁ linear verläuft, was jedoch nicht der Wirklichkeit entspricht.

Da die Abkühlkurve K bereits alle Parameter zum Ausdruck bringt, die für das Abkühlen und das Aufheizen gleichermaßen maßgeblich sind, wie Wärmekapazität, Wärmeübergangswiderstand und Außentemperatur, kann bei stets gleicher Heizleistung davon ausgegangen werden, daß die Solltemperatur Θ_Μ mit verhältnismäßig großer Genauigkeit stets gerade im Zeitpunkt t„ erreicht wird, wenn das Einschalten immer in einem Zeitpunkt t_q1 erfolgt, der dem gleichen Punkt S₁ der Kurve K₁ entspricht.

Im Punkt S„ ist die Raumtemperatur während der Abkühl dauer T_x,. 1 is. ι

vom Sollwert Θ_Ν um den Betrag ΔΘ.. auf den Wert Θ.. gefallen. Der Punkt S₁ der Kurve K ist somit durch die Abkühldauer T_R1 und die Temperaturdifferenz AB₁ eindeutig gekennzeichnet. Im Einschaltzeitpunkt t .. beginnt die Vorheizzeit T_v1 , die im Zeitpunkt t-, endet.

Wenn das Abkühlen nach der Kurve K₂ erfolgt, muß das Einschalten in einem Zeitpunkt t erfolgen, der wesentlich später

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als der Zeitpunkt t_q1 liegt und somit einer wesentlich kürzeren Vorheizzeit T _ entspricht. Das Aufheizen nach der Kurve EL erfolgt nämlich aus zwei Gründen schneller: einerseits ist die Temperaturdifferenz A0„ kleiner, und andererseits ist der Temperaturanstieg steiler, weil die Außentemperatur höher ist und dementsprechend die Wärmeverluste geringer sind. Der Einschaltzeitpunkt t „ entspricht einem Punkt S auf der Kurve K , der durch die Abkühlzeit T_R„ und die erreichte Temperaturdifferenz Δθ~ eindeutig gekennzeichnet ist.

In entsprechender Weise muß beim Abkühlen gemäß der Kurve K₃ das Einschalten in einem Zeitpunkt t_g3 erfolgen, damit beim Aufheizen gemäß der Kurve H., die Solltemperatur θ gerade im Zeitpunkt t_M erreicht wird. Die erforderliche Vorheizzeit T ist wesentlich größer als die der Kurve K zugeordnete Vorheizzeit T , weil einerseits die Temperaturdifferenz AG₃ größer ist und andrerseits das Aufheizen wegen der niedrigeren Außentemperatur langsamer erfolgt. Der entsprechende Kurvenpunkt S auf der Kurve K₃ ist wiederum durch die Temperaturdifferenz ΔΘ., und die zugehörige Abkühlzeit T₃ eindeutig gekennzeichnet.

Außer den drei in Fig. 1 dargestellten Abkühlkurven K., K~, K₃ gibt es natürlich eine Schar von unendlich vielen Abkühlkurven. Solange gleichbleibende Bedingungen vorausgesetzt werden können, ist aber jeder Abkühlkurve eindeutig eine Vorheizzeit T₁, T₃/ ^T _v3 ··· zugeordnet, an deren Ende gerade wieder die Solltemperatur erreicht ist. Die den entsprechenden Einschaltzeitpunkten t ., t_q~, t„-> ... zugeordneten Kurvenpunkte S., S„, S₃ aller Abkühlkurven liegen auf einer Schaltzeitkurve S. Um zu gewährleisten, daß die Raumtemperatur den Sollwert Θ_Ν gerade im Zeitpunkt t^ erreicht, ist es erforderlich, die Raumheizung gerade in dem Zeitpunkt einzuschalten, in welchem die jeweilige Abkühlkurve K₁, K~ . . die Schaltzeitkurve S schneidet.

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Die praktische Realisierung dieses Prinzips bietet jedoch erhebliche Schwierigkeiten. Einerseits muß für jeden Raum eine große Anzahl von Abkühlkurven K₁ , K₂ ... und die zugehörige Schaltzeitkurve S aufgenommen werden. Ferner muß bei jedem Abkühlvorgang festgestellt werden, nach welcher Abkühlkurve die Abkühlung erfolgt, und es muß dann der Schnittpunkt der betreffenden Abkühlkurve mit der Schaltzeitkurve S ermittelt werden.

In Fig. 2 der Anmeldung ist eine Anordnung dargestellt, die durch ständige Adaption für jeden Raum selbsttätig die den verschiedenen Abkühlkurven zugeordneten Vorheizzeiten selbsttätig ermittelt und das Einschalten der Raumheizung im jeweils optimalen Zeitpunkt auslöst.

Bevor der Aufbau und die Funktionsweise der Anordnung von Fig. 2 näher erläutert werden, soll anhand der Figuren 3, 4 und 5 das der Funktionsweise dieser Anordnung zugrundeliegende Prinzip erläutert werden. Als Kriterium für das Abkühlverhalten des Raums wird die Fläche verwendet, die durch Integration der Temperaturdifferenz ΔΘ über die Abkühlzeit erhalten wird. Fig. 3 zeigt in der gleichen Darstellung wie in Fig. 1 wieder die drei Abkühlkurven K-, K₂, K₃, die diesen Abkühlkurven zugeordneten Vorheizzeiten T_vl, T_v2, T_v3 und die entsprechenden Aufheizkurven H , H₂, H₃, die zur Folge haben, daß jeweils im Zeitpunkt t^ die Solltemperatur θ_Ν erreicht wird.

Ferner sind die den drei Abkühlkurven K-, K„, K₃ zugeordneten Abkühlflächen A , A₂, A₃ durch unterschiedliche Schraffierungen dargestellt. Die der Kurve K entsprechende Abkühlfläche A₁ wird dadurch erhalten, daß kontinuierlich oder zyklisch die Raumtemperatur gemessen wird, die Temperaturdifferenz Δθ gegenüber der Solltemperatur Θ_Ν berechnet wird und diese Temperaturdifferenz vom Zeitpunkt t_ bis zum Schaltzeitpunkt t_qi integriert wird.

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- 1b -

In entsprechender Weise erhält man für die Kurve K₂ die Abkühlfläche A durch Integration der Temperaturdifferenz ΔΘ zwischen den Zeitpunkten t_Q und t „, und für die Kurve K^ die Abkühlfläche A durch Integration von ΔΘ zwischen den Zeitpunkten t_Q und t_g3 . Jede dieser Flächen ist der Energie proportional, die während der Abkühlphase verloren gegangen ist.

In Fig. 4 ist im gleichen Zeitmaßstab wie in Fig. 3 die Zunahme der den Kurven K₁, K , K-. entsprechenden Flächen als Funktion der Zeit durch die Kurven A_T.. , A_Trn , A_x.-, dargestellt. Ferner ist die Schaltzeitkurve S dargestellt, die in der A/t Ebene der Schaltzeitkurve S der θ/t-Ebene entspricht. Die Kurven A„. , A_T,„, A _ schneiden die Schaltzeitkurve S, in den Punkten S , S „ , S,,, die den Flächenwerten A₁, A~ bzw. A-.

den Schaltzeitpunkten t .. , t_q„ bzw. t ₃ entsprechen.

Wie das Diagramm von Fig. 4 erkennen läßt, ist durch die Schaltzeitkurve S jedem Flächenwert A eine Vorheizzeit T eindeutig zugeordnet. Diese Zuordnung ist im Diagramm von Fig. 5 dargestellt, das die Vorheizzeit T als Funktion der Fläche A zeigt. Die Kurve S geht durch den Ursprung des Koordinatensystems, weil der Fläche Null die Vorheizzeit Null entspricht; die Fläche Null bedeutet nämlich, daß sich der Raum während der Nutzungspause nicht abgekühlt hat. In diesem Fall ist auch keine Vorheizung erforderlich, um die Solltemperatur zu erreichen.

Wenn zunächst angenommen wird, daß die in Fig. 5 dargestellte Zuordnung zwischen der Vorheizzeit T und der Fläche A bereits bekannt ist, arbeitet die Anordnung von Fig. 2 in der folgenden Weise: Sie ermittelt fortlaufend die Temperaturdifferenz Δ0 und berechnet durch Zeitintegration dieser Temperaturdifferenz die jeweils bis zum Integrationszeitpunkt erreichte Fläche A. Sie vergleicht die der berechneten Fläche A zugeordnete. Vorheizzeit T , die sich aus der Kurve S von Fig. 5 ergibt, mit dem bis zum Zeitpunkt t-, noch verbleibenden Zeitintervall. Sobald die zugeordnete Vorheizzeit T_v das verbleibende Zeitintervall erreicht oder dieses überschreitet, löst die Anordnung das Einschalten der Raumheizung aus.

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6 -

Die Anordnung von Fig. 2 ist für die Steuerung der Raumheizung und die Temperaturregelung einer beliebig großen Zahl von Räumen ausgebildet. Sie macht von den Einrichtungen Gebrauch, die üblicherweise für die Temperaturregelung vorgesehen sind, um die Raumtemperatur während der Nutzungszeiten auf dem Sollwert θ zu halten. Diese Teile sind oberhalb der strichpunktierten Linie dargestellt. In jedem Raum ist ein Temperaturfühler 1a, 1b ... 1n vorgesehen, der ein elektrisches Signal liefert, das die Raumtemperatur ausdrückt. Die Temperaturfühler 1a, 1b .... 1n sind mit einer zyklisch arbeitenden Meßwerterfassungsanordnung 2 verbunden, die von einem Taktgeber 3 gesteuert wird. Die Meßwerterfassungsanordnung tastet zyklisch in vorbestimmten Zeitintervallen die von den Temperaturfühlern 1a, 1b ... 1n gelieferten Temperatureigna-Ie ab. Der Abtastzyklus kann verhältnismäßig groß sein, da sich die Temperaturen nur langsam ändern. Beispielsweise genügt eine Zykluszeit von 10 Minuten, so daß auch bei einer großen Anzahl von Räumen eine ausreichende Zeit für die Erfassung und Auswertung jedes Temperatursignals zur Verfügung steht.

Die Nutzungszeiten sind an einer Zeitschaltuhr 4 eingestellt, die Signale liefert, die die Zeitpunkte t_Q und t_N (Fig. 1) des Beginns bzw. des Endes der Nutzungszeiten anzeigen.

Schließlich ist ein Temperaturregler 5 vorgesehen, der während der Nutzungszeiten an Ausgängen 5a, 5b ... 5n zu den verschiedenen Räumen Stellsignale liefert, die das Ein- und Ausschalten der'Raumheizungen so steuern, daß die Raumtemperatur im Mittel auf dem Sollwert Q„ gehalten wird. Der Sollwert wird an einem Sollwertgeber 6 eingestellt. Der Temperaturregler 5 kann gleichfalls zyklisch arbeiten und wird dann ebenfalls vom Taktgeber gesteuert.

Falls für verschiedene Räume unterschiedliche Nutzungszeiten und/oder Sollwerte vorgesehen sind, können mehrere Zeitschaltuhren 4 und Sollwertgeber 6 vorgesehen sein, oder die

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Zeitschaltuhr 4 und der Sollwertgeber 6 können mehrkanalig ausgeführt sein.

Die unterhalb der strichpunktierten Linie in Fig. 2 dargestellten Schaltungsbestandteile bewirken die Einschaltung jeder Raumheizung entsprechend dem zuvor beschriebenen Verfahren in jeder Nutzungspause in der Weise, daß die Solltemperatur θ,, gerade im Zeitpunkt t_N des Beginns der nächsten Nutzungszeit erreicht wird. Zur Vereinfachung soll die Funktionsweise der Schaltung nur für einen Raum beschrieben werden; für die übrigen Räume läuft das Verfahren in der gleichen Weise in den jeweils zugeordneten Zykluszeiten ab. Der zyklische "time sharing"-Betrieb der Schaltungen wird gleichfalls vom Taktgeber 3 gesteuert, wie durch den Ausgang 3a angedeutet ist.

Die Meßwerterfassungsanordnung 2 liefert für den Raum Nr. i ein elektrisches Signal, das die vom Temperaturfühler 1i erfaßte Augenblickstemperatur Θ. des Raums darstellt und zur Vereinfachung ebenfalls mit Θ. bezeichnet wird. An den Ausgang der Meßwerterfassungsanordnung 2 ist eine Subtrahierschaltung 7 angeschlossen, die am zweiten Eingang das vom Sollwertgeber 6 gelieferte Signal empfängt, das die Nutzungs-Solltemperatur θ darstellt. Die Subtrahierschaltung 7 liefert somit am Ausgang das Signal 8„ - θ. = Δθ., das den in Fig. 1 dargestellten Temperaturabfall nach dem Abschalten der Raumheizung während der Nutzungspause darstellt.

An den Ausgang der Subtrahierschaltung 7 ist der Eingang eines Integrators 8 angeschlossen, der das Signal ΔΘ. über die Zeit integriert und somit am Ausgang ein Signal liefert, das die bis zum Integrationszeitpunkt erreichte Abkühlfläche

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A. darstellt. Dieses Signal wird dem Eingang eines Rechenwerks 9 zugeführt.

Mit dem Rechenwerk 9 sind zwei Speicher 10 und 11 verbunden, die von einer gemeinsamen Adressierschaltung 12 angesteuert werden. Es wird zunächst davon ausgegangen, daß der in Fig. durch die Kurve S dargestellte Zusammenhang zwischen der Vorheizzeit T_v und der Abkühlfläche A für jeden Raum bereits ermittelt ist. Im Speicher 10 sind die praktisch vorkommenden Werte der Abkühlfläche A für jeden Raum mit der gewünschten Feinheit der Unterteilung an vorbestimmten Adressen abgespeichert, und im Speicher 11 sind an den gleichen Adressen die zugeordneten Werte der Vorheizzeit T abgespeichert. Die Speicher 10 und 11 enthalten somit an den gleichen Adressen Wertepaare von A und T_v, die der Kurve S_A von Fig. 5 entsprechen.

Die bisher beschriebenen Schaltungsbestandteile von Fig. 2 arbeiten in der folgenden Weise:

Im Zeitpunkt t_ am Ende der Nutzungszeit liefert die Zeitschaltuhr 4 ein Signal, das bewirkt, daß der Regler 5 an dem dem betreffenden Raum zugeordneten Ausgang 5i ein Stellsignal abgibt, durch das die Raumheizung des betreffenden Raums abgeschaltet wird. Der Raum kühlt sich somit nach einer der Kurven K (Fig. 3) ab. Die Subtrahierschaltung 7 liefert zyklisch die Temperaturdifferenz ΔΘ., und der Integrator 8 liefert zyklisch das Signal A., das im betreffenden Zeitpunkt den bis dahin erreichten Wert der Abkühlfläche entsprechend der betreffenden Kurve von Fig. 4 darstellt. Das Rechenwerk vergleicht den Augenblickswert des Signals A. mit den im Speicher 10 gespeicherten Werten und ermittelt die Adresse des dem Augenblickswert am nächsten kommenden gespeicherten Flächenwertes. Es entnimmt über die Adressierschaltung 12 aus dem Speicher 11 den an der gleichen Adresse gespeicherten Wert der Vorheizzeit T_v. Der aus dem Speicher 11 ent~

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nommene Wert von T_T7 wird im Rechenwerk 9 mit der Restzeit T_n

ν κ

verglichen, die bis zum Zeitpunkt t_N des Beginns der nächsten Nutzungszeit noch verbleibt; diese Restzeit wird vom Rechenwerk 9 aus der Istzeit und dem in der Zeitschaltuhr 4 eingestellten Zeitpunkt t_N berechnet. Die Restzeit T_R wird natürlich fortlaufend kleiner, während die Vorheizzeit T entsprechend der Kurve S_A von Fig. 5 mit wachsender Fläche A zunimmt.

Solange der aus dem Speicher 11 entnommene Wert der Vorheizzeit T_T7 kleiner als die Restzeit T_n ist, wiederholt sich der ν κ

Vorgang in der geschilderten Weise. Sobald das Rechenwerk 9 feststellt, daß die aus dem Speicher 11 entnommene Vorheizzeit T_T7 gleich der Restzeit T_n ist oder diese Restzeit T_n über-

V x\ JK.

schreitet, liefert es am Ausgang 9a zum Regler 5 ein Signal, das die Temperaturregelung für den betreffenden Raum Nr. i einschaltet. Da die Temperatur dieses Raums unter dem Sollwert θ liegt, bedeutet das Einschalten der Regelung, daß die Raumheizung eingeschaltet wird und eingeschaltet bleibt, bis der Sollwert θ^ erreicht ist. Infolge der anhand der Figuren 3, und 5 erläuterten Zusammenhänge wird der Sollwert Θ_Ν gerade im Zeitpunkt t„ erreicht.

Wie bereits erwähnt, setzt die vorstehend geschilderte Funktionsweise voraus, daß in den Speichern 10 und 11 bereits für jeden Raum die Wertepaare von A und τ_ν gespeichert sind, die der Schaltzeitkurve S, von Fig. 5 entsprechen. Diese Schalt zeitkurve S_A könnte zwar für jeden Raum ermittelt und abgespeichert werden, doch würde dies einen beträchtlichen Aufwand erfordern. Die Anordnung von Fig. 2 ist daher mit zusätzlichen Einrichtungen versehen, welche für jeden Raum die abzuspeichernden Wertepaare von A und T selbsttätig ermitteln und durch Adaption fortlaufend verbessern, bis schließlich alle endgültigen Wertepaare in den Speichern 10 und 11 gespeichert sind.

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Zu diesem Zweck enthält die Anordnung von Fig. 2 einen Komparator 13 und einen Zeitmesser 14. Der Zeitmesser 14 hat einen Steuereingang 14a, der mit dem Rechenwerk 9 verbunden ist, so daß der Zeitmesser 14 vom Rechenwerk in Gang gesetzt und stillgesetzt werden kann. Der Ausgang des Zeitmessers 14 ist mit dem Einschreibeingang des Speichers 11 über eine vom Ausgang des Komparators gesteuerte Torschaltung 15 verbunden. Das Öffnen der Torschaltung 15 durch den Komparator 13 kann vom Rechenwerk 9 an einem zusätzlichen Steuereingang 15a zugelassen oder gesperrt werden. Ferner ist der Ausgang des Integrators 8 über eine vom Rechenwerk 9 gesteuerte Torschaltung 16 mit dem Einschreibeingang des Speichers 10 verbunden.

Der Komparator 13 empfängt am einen Eingang das die Isttemperatur darstellende Signal θ. vom Ausgang der Meßwerterfassungsanordnung 2 und am anderen Eingang das den Sollwert darstellende Signal 6„ vom Sollwertgeber 6; er liefert am Ausgang ein Signal, das die Torschaltung 15 öffnet, sobald das Istwertsignal θ. das Sollwertsignal Θ_Ν erreicht oder überschreitet (θ. > Θ_Ν).

Die Funktionsweise dieser ergänzten Anordnung soll anhand der Diagramme der Figuren 6, 7 und 8 erläutert werden.

Es wird davon ausgegangen, daß die Anlage neu installiert ist und noch keine Werte für das Abkühlverhalten der Räume vorliegen. Die Speicher 10 und 11 sind leer.

Das Diagramm A von Fig. 6 zeigt die Temperaturkurve eines Raums bei der ersten Inbetriebnahme der Anordnung. Es wird jedoch vorausgesetzt, daß während der vorhergehenden Nutzungszeit bereits eine Temperaturregelung auf den Nutzungs-Sollwert Θ_Ν erfolgt ist.

Im Zeitpunkt t schaltet die Zeitschaltuhr 4 die Temperaturregelung aus. Der Raum kühlt sich nach einer beliebigen Abkühlkurve K_a ab. Der Integrator 8 ermittelt fortlaufend die Zunahme der Abkühlfläche A.

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Da noch keine Vergleichswerte für die Vorheizzeit T vorliegen, löst das Rechenwerk 9 das Einschalten der Raumheizung über den Regler 5 in einem Zeitpunkt t„ aus, der so gewählt ist, daß das Erreichen der Solltemperatur 0_N auch unter den ungünstigsten Bedingungen mit Sicherheit vor dem Zeitpunkt t„ des Beginns der nächsten Nutzungszeit erreicht ist. Dies entspricht einem bei bekannten Heizanlagen üblichen Verfahren.

Ferner öffnet das Rechenwerk 9 im Zeitpunkt t_M die Torschaltung 16, so daß der Wert der im Zeitpunkt t„ erreichten Fläche A an einer vorbestimmten Adresse im Speicher 10 gespeichert wird. Schließlich setzt das Rechenwerk 9 im Zeitpunkt t den Zeitmesser 14 in Gang.

Nunmehr erfolgt das Aufheizen des Raums entsprechend der Aufheizkurve H_a des Diagramms A. Da der Zeitpunkt t einer maximalen Aufheizzeit unter den ungünstigsten Bedingungen entspricht, wird im Normalfall die Solltemperatur Θ_Ν bereits nach einer Aufheizzeit T_TT in einem Zeitpunkt t erreicht

Ha ^ a

sein, der um eine beträchtliche Fehlerzeit T„ vor dem Zeitig a

punkt t_N liegt. In diesem Zeitpunkt setzt dann die normale Temperaturregelung durch den Regler 5 ein.

Da im Zeitpunkt t die Isttemperatur θ. die Solltemperatur Θ_Ν erreicht, gibt der Komparator 13 ein Signal ab, das die Torschaltung 15 öffnet. Der vom Zeitmesser 14 erreichte Zeitwert, der genau die Aufheizzeit T darstellt, wird somit im Spei-

Ha

eher 11 an der gleichen Adresse eingeschrieben, an der im Speicher 10 die zugeordnete Fläche A abgespeichert ist. Der im Speicher 11 stehende Zeitwert stellt somit die Vorheizzeit T_Va dar, die dem Flächenwert A im Speicher 10 zugeordnet ist.

Entsprechend der zuvor geschilderten Funktionsweise der Anordnung von Fig. 2 wird bei allen zukünftigen Schaltvorgängen jede gespeicherte Vorheizzeit T_v vom Zeitpunkt t, rückwärts gerechnet. Das Diagramm D von Fig. 6, das die Fläche A als Funktion der Zeit t

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in gleicher Weise wie im Diagramm von Fig. 4 darstellt, läßt erkennen, daß der dem Wertepaar A , T₇. entsprechende Punkt S₇. nicht auf der der Abkühlkurve K entsprechenden Flächenkurve A^ liegt, sondern auf einer anderen Flächenkurve A , . Das abgespeicherte Wertepaar kann somit nicht mehr erreicht werden, wenn die Abkühlung wieder nach der gleichen Abkühlkurve K erfolgt.

Auch liegt der Punkt S₇. nicht genau auf der Schaltzeitkurve S_A.

Im Diagramm B von Fig. 6 ist dargestellt, was geschieht, wenn die Abkühlung des Raums nach der Kurve K^ erfolgt, auf deren Flächenkurve A^, das zuvor gespeicherte Wertepaar A , T liegt. Entsprechend der zuvor geschilderten normalen Betriebsweise stellt das Rechenwerk im Zeitpunkt t_g, fest, daß die integrierte Fläche gerade den abgespeicherten Wert A^ erreicht hat, für den die im Speicher

abgespeicherte zugeordnete Vorheizzeit Τ_ττ gleich der bis zum

va

Zeitpunkt t_N noch verbleibenden Restzeit T_R ist. Es löst daher das Einschalten der Raumheizung im Zeitpunkt t„, aus. Gleichzeitig setzt das Rechenwerk 9 wieder den Zeitmesser 14 in Gang. Ein Öffnen der Torschaltung 16 kann entfallen, da der am Ausgang des Integrators 8 anliegende Flächenwert gleich dem bereits im Speicher 10 stehenden Flächenwert ist.

Das Aufheizen des Raums erfolgt nunmehr nach der Kurve H, des Diagramms B, so daß die Solltemperatur θ in einem Zeitpunkt t erreicht wird, der wiederum um eine gewisse Fehlerzeit T„, vor dem Zeitpunkt t„ liegt. Die Aufheizzeit T , ist nämlich aus zwei Gründen kürzer als die Vorheizzeit T„ : Einerseits ist die Temperaturdifferenz ΔΘ, im EinschaltZeitpunkt t , kleiner als die Temperaturdifferenz ΔΘ im Zeitpunkt t_M des Diagramms A, und andererseits verläuft die Aufheizkurve H, steiler als die

Aufheizkurve H_, weil die Abkühlkurve K, einer höheren Außena D

temperatur entspricht. Es ist jedoch zu erkennen, daß die Fehlerzeit T_1n,. bereits beträchtlich kleiner als die Fehler-

zeit T_ ist.
Fa

Die Fehlerzeit T zeigt jedoch an, daß die zuvor abgespeicherte Vorheizzeit T„ nicht richtig war. Das Rechenwerk 9 läßt

va

1 3M67 /036 A

daher das öffnen der Torschaltung 15 durch das Ausgangssignal des Komparators 13 zu, wenn im Zeitpunkt t, das Signal Θ. gleich dem Sollwertsignal θ wird. Im Zeitpunkt t^ wird somit der vom Zeitmesser 14 angezeigte Zeitwert T , an der gleichen Adresse in den Speicher 11 eingegeben, an der zuvor die Vorheizzeit T gespeichert war, während der zuvor gespeicherte H a

Wert gelöscht wird. Somit ist nunmehr der Fläche A_a die Vorheizzeit T^ zugeordnet.

Das Diagramm D läßt erkennen, daß der dem neuen Wertepaar A , T ,

a VD

entsprechende Punkt S₇., nicht mehr auf der Flächenkurve A_T,, liegt,

AD r\D

sondern auf einer neuen Flächenkurve A_Tr . Der Punkt S,, liegt be-

Kc Ab ^

reits wesentlich näher an der Schaltzeitkurve S- als der Punkt S

A Aa

Das Diagramm C von Fig. 6 zeigt den Fall, daß die Abkühlung des Raums nach der Kurve K erfolgt, auf deren Flächenkurve A das zuletzt gespeicherte Wertepaar A_Q, T_vb liegt. Die vom Integrator 8 integrierte Abkühlfläche erreicht somit den Wert A im Zeitpunkt t„ , der im Zeit-

el bC

abstand T^ vor dem Zeitpunkt t liegt. Das Rechenwerk 9 löst im Zeitpunkt t_Sc das Einschalten der Raumheizung aus und setzt den Zeitmesser 14 in Gang. Das Aufheizen erfolgt nach der Kurve H , so daß die Solltemperatur Q im Zeitpunkt t^ erreicht wird, der wiederum vor dem Zeitpunkt t liegt, wobei aber die verbleibende Fehlerzeit T schon recht klein ist. Im Zeitpunkt t gibt der Komparator 13 ein Signal ab, das die Torschaltung 15 öffnet, so daß die gemessene Aufheizzeit T als neue Vorheizzeit T im Speicher an der Adresse gespeichert wird, die der Fläche A_ zugeordnet ist, während der zuvor gespeicherte Wert T , gelöscht wird.

Es ist somit zu erkennen, daß eine fortlaufende Optimierung der gespeicherten Wertepaare erfolgt, bis schließlich die einer bestimmten Fläche A zugeordnete Vorheizzeit T so genau ist, daß der verbleibende Restfehler vernachlässigbar ist. Von diesem Zeitpunkt an verhindert das Rechenwerk 9 durch Sperrung der Torschaltung 15 die weitere Änderung der gespeicherten Werte, es sei denn, daß größere Abweichungen über längere Zeiträume erkennen lassen, daß sich die Raumparameter bleibend verändert haben.

130067/0364 ORIGINAL INSPECTED

Anhand der Diagramme von Fig. 6 ist erläutert worden, wie der einem bestimmten Flächenwert zugeordnete Wert der Vorheizzeit durch fortlaufende Adaption optimiert wird. Dabei ist der Sonderfall betrachtet worden, daß jeweils die bereits abgespeicherten Wertepaare auf neuen Kurven wieder genau erreicht worden sind. Dies wird in der Praxis aber nur verhältnismäßig selten der Fall sein. Solange das der Schaltzeitkurve S, entsprechende richtige Wertepaar noch nicht gespeichert ist, kann beispielsweise das zuletzt abgespeicherte Wertepaar schon dann nicht mehr erreicht werden, wenn aufeinanderfolgende Abkühlungen nach der gleichen Kurve erfolgen, wie es der Fall ist, wenn die Außentemperatur unverändert bleibt. Dennoch kann das System auch in diesem Fall eine fortlaufende Optimierung der gespeicherten Wertepaare durch Interpolation oder Extrapolation vornehmen. Dies soll anhand der Diagramme von Fig. 7 erläutert werden.

Zum Vergleich ist nochmals das Diagramm A von Fig. 6 aufgetragen, das die Abkühlung gemäß der Kurve K zeigt, wobei das

Einschalten der Raumheizung im Zeitpunkt t_M erfolgt, so daß

der Fläche A die Vorheizzeit T_Tr zugeordnet wird, die der a va

Aufheizzeit T„ entspricht. Dies geschieht bei der ersten In-Xi a.

betriebnahme des Systems in der zuvor beschriebenen Weise. In den Speichern 10 und 11 ist somit das Wertepaar A , T gespei-

a ν a

chert. Das Diagramm F von Fig. 7 zeigt wieder den diesem Wertepaar entsprechenden Kurvenpunkt S, , der nicht auf der Flächenkurve A_Ka liegt.

Im Diagramm E von Fig. 7 ist angenommen, daß der nächste Abkühlvorgang nach der gleichen Kurve K erfolgt, Die Fläche A_a wird wieder im Zeitpunkt t_M erreicht; das Rechenwerk 9 stellt aber im Zeitpunkt t„ fest, daß die bis zum Zeitpunkt -L·, noch verbleibende Restzeit größer als die gespeicherte Vorheizzeit

T„ ist. Es erfolgt daher in diesem Zeitpunkt noch kein Einva

schalten der Raumheizung.

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Der richtige Einschaltzeitpunkt liegt natürlich auf dem Schnitt punkt der Flächenkurve A_T_ mit der Schaltzeitkurve S_Ä (Dia-

j\a λ

gramm F); dieser Schnittpunkt ist aber noch nicht bekannt.

Es wäre möglich, das Einschalten der Raumheizung erst in dem Zeitpunkt auszulösen, in dem die verbleibende Restzeit genau gleich der abgespeicherten Vorheizzeit T_w ist. Der dadurch er-

va

haltene Fehler wäre jedoch verhältnismäßig groß. Außerdem würde in diesen Fall die Solltemperatur θ
erreicht werden, was unerwünscht ist.

in diesen Fall die Solltemperatur θ erst nach dem Zeitpunkt

Es wird daher ein genauerer Näherungswert durch eine Interpolation ermittelt, indem die Schaltkurve S- näherungsweise durch eine Gerade ersetzt wird, die durch die beiden bereits bekannten Punkte geht, nämlich einerseits durch den genauen Kurvenpunkt t,, der der Vorheizzeit Null entspricht, und andererseits durch den Punkt S₇. , der dem abgespeicherten Wertepaar A , T_T7

Aa a ν a

entspricht. Der Schnittpunkt dieser Geraden mit der Flächenkurve A_x, ergibt eine Fläche A . Das Rechenwerk 9 schaltet die is.a e

Raumheizung im Zeitpunkt t^ ein, in welchem die integrierte Fläche den Wert A erreicht. Gleichzeitig öffnet das Rechenwerk 9 die Torschaltung 16, um den Flächenwert A im Speicher 10 abzuspeichern, jedoch unter einer anderen Adresse als die zuvor gespeicherte Fläche A . Schließlich setz

Zeitpunkt t den Zeitmesser 14 in Gang.

Oc

gespeicherte Fläche A . Schließlich setzt das Rechenwerk 9 im

el

Das Aufheizen erfolgt nun nach der Kurve H , wobei die Solltemperatur θ nicht genau im Zeitpunkt t„ erreicht wird, da ja der Schaltzeitpunkt t_q nur ein Näherungswert ist. Die verbleibende Fehlerzeit T ist jedoch verhältnismäßig klein. Sobald der Komparator 13 das Erreichen der Solltemperatur feststellt, wird die gemessene Aufheizzeit T ' im Speicher 11 als die dem Flächenwert A zugeordnete Vorheizzeit T abgespeichert.

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Der durch das abgespeicherte Wertepaar A , T_v dargestellte Kurvenpunkt S (Diagramm F) liegt geringfügig neben der Schaltzeitkurve S_A, doch ist der Fehler schon recht klein. Durch wenige weitere Interpolationen der geschilderten Art läßt sich

das der Kurve K zugeordnete genaue Wertepaar schnell ermitteln. a

Schließlich soll anhand von Fig. 8 noch erläutert werden, wie die Interpolation oder Extrapolation in dem Fall erfolgt, daß die Abkühlung nach neuen Kurven erfolgt, die jedoch nicht den gespeicherten Wertepaaren entsprechen.

Auch in Fig. 8 ist zum Vergleich nochmals das Diagramm A aufgetragen, das zeigt, wie das erste gespeicherte Wertepaar A , T aufgrund der Abkühlkurve K erhalten wird. Der diesem Wertepaar entsprechende Kurvenpunkt S, ist wieder im Flächendiagramm I von Fig. 8 eingetragen.

Das Diagramm G zeigt den Fall, daß die nächste Abkühlung nach einer Kurve K erfolgt, die einer sehr viel niedrigeren Außentemperatur entspricht. Die über diese Kurve integrierte Fläche erreicht den Wert A bereits vor dem Zeitpunkt t_M. Ein Einschalten mit der abgespeicherten Vorheizζext T hätte eine

va

sehr große Fehlerzeit zur Folge, und vor allem würde die Solltemperatur θ erst eine beträchtliche Zeit nach dem Beginn der Nutzungszeit erreicht werden.

Es erfolgt daher wieder eine lineare Extrapolation mit Hilfe der durch den Abszissenpunkt t.. und den Punkt S, gelegten Geraden, wie im Diagramm I von Fig. 8 gezeigt ist. Der Schnittpunkt dieser Geraden mit der zur Kurve K gehörigen Flächenkurve A ergibt den Flächenwert A . Das Einschalten der Raumheizung erfolgt somit im Zeitpunkt t_c , in welchem die vom Integrator 8 inte-

bg

grierte Fläche den Wert A erreicht. Gleichzeitig wird der entsprechende Flächenwert im Speicher 1O an einer bestimmten Adresse abgespeichert und der Zeitmesser 14 in Gang gesetzt.

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Das Aufheizen erfolgt dann nach der Kurve H , so daß die Solltemperatur Θ_Ν im Zeitpunkt t erreicht wird. Dieser Zeitpunkt liegt zwar nach dem Zeitpunkt t_N des Beginns der Nutzungszeit, doch ist die Fehlerzeit T klein. Im Augenblick des Erreichens des Sollwerts löst der Komparator 13 die Eingabe der vom Zeitmesser 14 gemessenen Aufheizzeit T i-ⁿ den Speicher

Hg

aus, wo sie an der gleichen Adresse gespeichert wird, an der im Speicher 10 die Fläche A aufgezeichnet ist. Man erhält somit ein Wertepaar A , T_T. , das einen Punkt S, darstellt, der be-

g vg Ag

reits verhältnismäßig nahe bei der Schaltzeitkurve S liegt.

Das Diagramm H zeigt dagegen den Fall, daß nach dem Abspeichern des ersten Wertepaares A , T das Abkühlen nach einer Kurve K,

a va η

erfolgt, die einer verhältnismäßig hohen Außentemperatur entspricht, so daß die über diese Kurve integrierte Fläche noch nicht den abgespeicherten Wert A erreicht hat, wenn die bis

zum Zeitpunkt t„ verbleibende Restzeit gleich der abgespeicherten Vorheizzeit T ist. In diesem Fall erfolgt eine Interpola-

va

tion, indem das Rechenwerk das Einschalten der Raumheizung in dem Zeitpunkt t„, auslöst, in welchem die der Kurve K, zugeordnete Flächenkurve A^, (Diagramm I) die Gerade schneidet, die durch den Abszissenpunkt t_ und den Punkt S, geht. Diesem Schnittpunkt entspricht der Flächenwert A, , der im gleichen Zeitpunkt tn, im Speicher 10 abgespeichert wird. Ferner wird im Zeitpunkt t^ wieder der Zeitmesser 14 in Gang gesetzt. Das Aufheizen erfolgt nach der Kurve H, , wobei der Sollwert Θ-. im Zeitpunkt t, erreicht wird, der geringfügig vor dem Zeitpunkt t. liegt. Beim Erreichen des Sollwerts löst der Komparator die Eingabe der gemessenen Aufheizzeit T_n, in den Speicher 11

tin

aus, so daß nunmehr in den Speichern 10 und 11 an einander entsprechenden Adressen das Wertepaar A, , T_vh gespeichert ist. Der entsprechende Kurvenpunkt S . (Diagramm I) liegt bereits recht nahe bei der Schaltzeitkurve S*.

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Wenn in späteren Heizzyklen die Abkühlung nach Kurven erfolgt, die den Wertepaaren entsprechen, die gemäß den Diagrammen von Fig. 7 und Fig. 8 abgespeichert worden sind, werden die abgespeicherten Wertepaare in der gleichen Weise korrigiert, wie dies zuvor anhand von Fig. 6 erläutert worden ist. Auf diese Weise erfolgt eine fortlaufende Optimierung der gespeicherten Wertepaare, bis schließlich die festgestellten Fehlerzeiten unter vorbestimmten Toleranzgrenzen liegen.

Wenn dagegen die Abkühlung nach Kurven erfolgt, für die noch keine Wertepaare ermittelt und gespeichert sind, werden weitere lineare Interpolationen in der anhand von Fig. 7 und 8 erläuterten Weise vorgenommen, wobei aber die Interpolationsgeraden durch die beiden am nächsten liegenden Punkte gelegt werden, für die bereits Wertepaare gespeichert sind.

Das beschriebene Optimierungsverfahren berücksichtigt selbsttätig alle Parameter, die das Abkühlen und Aufheizen beeinflussen, wobei jedes optimierte Wertepaar gültig bleibt, solange die diesem Wertepaar zugeordneten Parameter unverändert bleiben. Dagegen spielt es keine Rolle, wenn gewisse Parameter (z.B. die Heizleistung) für verschiedene Wertepaare unterschiedliche Werte haben. Das beschriebene Verfahren eignet sich daher auch für Heizanlagen, bei denen die Heizleistung der Raumheizungen in Abhängigkeit von der Außentemperatur geändert wird.

Durch geeignete Plausibilitätskontrollen kann verhindert werden, daß die gespeicherten Wertepaare dann geändert werden, wenn infolge von Unregelmäßigkeiten vorübergehende Abweichungen auftreten. Beispielsweise kann vorgesehen werden, daß keine Korrektur durchgeführt wird, wenn der festgestellte Fehler größer als im vorhergehenden Fall ist. Normalerweise wird nämlich die Fehlerzeit T„ fortschreitend kleiner. Für dieses Verfahren ist es lediglich erforderlich, in einem zusätzlichen Speicher auch jeweils die letzte Fehlerzeit für jedes Wertepaar

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festzuhalten. Um andererseits bleibende Änderungen in den Raumparametern zu erfassen, kann vorgesehen werden, daß die Korrektur aufgenommen wird, wenn sich zunehmende Fehler mehrmals wiederholen.

Ein Parameter, der plötzlichen Änderungen unterworfen sein kann, ist die Dauer der Nutzungspause. Die Verwendung der Abkühlfläche als Kenngröße für das Abkühlverhalten erweist sich in dieser Hinsicht als besonders vorteilhaft, weil dadurch Änderungen der Dauer der Nutzungspause schon weitgehend berücksichtigt werden. Die Größe der Abkühlfäche ist nämlich der beim Abkühlen verlorenen Energie proportional, die beim Aufheizen wieder zugeführt werden muß; der durch die gespeicherten Wertepaare gegebene Zusammenhang zwischen Abkühldauer und Aufheizzeit bleibt somit weitgehend erhalten, wenn die Dauer der Nutzungspause (die gleich der Summe von Abkühlzeit und Vorheizzeit ist) geändert wird. Die bereits gespeicherten Wertepaare ergeben daher bei einer Änderung der Nutzungszeiten schon recht brauchbare Näherungswerte, die nur noch geringfügige Korrekturen erfordern.

Die Ausbildung der beschriebenen Schaltungen (Subtrahierschaltung, Integrator, Speicher, Komparator, Zeitgeber, Rechenwerk) wird nicht näher beschrieben, da es sich dabei um dem Fachmann bekannte Schaltungen handelt, die je nach der angewendeten Technologie verschieden ausgeführt sein können. Die Verarbeitung der Signale kann analog oder digital erfolgen, wobei je nach Bedarf an verschiedenen Stellen die erforderlichen Digital-Analog-Wandler und Analog-Digital-Wandler einzufügen sind. Auch diese Maßnahmen sind dem Fachmann bekannt und werden daher nicht näher erläutert.

Es ist auch möglich, die beschriebenen Schaltungen durch einen geeignet programmierten Mikrocomputer zu ersetzen.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-lng. Dipl.-lng. Dipl.-Chem. G. Leiser E. Prinz Dr. G. Hauser Ernsbergerstrasse 19 8 München 60

Pr. Sauter AG ³¹· ^{Juli 1980}

Fabrik elektr. Apparate
Im Surinam 55

BASEL / Schweiz

Unser Zeichen: S 3012

Patentansprüche

Verfahren zur Steuerung einer Raumheiung zur Heizung eines Raumes, der während vorbestimmter Nutzungszeiten durch Regelung innerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen auf einer Solltemperatur gehalten wird, während die Raumheizung am Ende jeder Nutzungszeit abgeschaltet wird, wobei kontinuierlich oder zyklisch ein die Isttemperatur des Raums anzeigendes Signal geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abkühlung des Raums bei abgeschalteter Heizanlage nach dem Ende jeder Nutzungszeit die durch den Verlauf der Isttemperatur als Funktion der Zeit gegebene Abkühlkurve ermittelt wird, wobei jeder Abkühlkurve eine Vorheizzeit zugeordnet ist, in der nach dem Einschalten der Raumheizung die Solltemperatur erreicht wird, und daß die Raumheizung eingeschaltet wird, sobald die der Abkühlkurve zugeordnete Vorheizzeit den bis zum Beginn der nächsten Nutzungszeit verbleibenden Zeitabstand erreicht oder überschreitet.

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Lei/Gl .

- 2 - 3X129131

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet/ daß während der Abkühlung des Raums bei abgeschalteter Heizanlage nach dem Ende jeder Nutzungszeit zyklisch die Differenz zwischen der Solltemperatur und der Isttemperatur gebildet und durch Integration der Differenzwerte die bis zu jedem Integrationszeitpunkt erreichte Abkühlfläche bestimmt wird, daß jedem Wert der Abkühlfläche eine Vorheizzeit zugeordnet ist/ an der nach dem Einschalten der Raumheizung die Solltemperatur erreicht wird, und daß iiie Raumheizung .eingeschaltet wird, sobald die dem zuletzt ermittelten Wert der Abkühlfläche zugeordnete Vorheiz zeit den bis zum Beginn der nächsten Nutzungzeit verbleibenden Zeitabstand erreicht oder überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Wert der Abkühlflache eine zugehörige Aufheizzeit experimentell durch Messung der Zeitdauer vom Einschalten der Raumheizung bis zum Erreichen der Solltemperatur bestimmt wird, und daß die gemessene Aufheizzeit als die -dem Wert der Abkühlfläche zugeordnete Vorheizzeit gespeichert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der einem gegebenen Wert der Abkühlfläche zugeordnete Wert der Vorheizzeit durch Einspeicherung des jeweils letzten Meßwerts der Aufheizzeit unter Löschung des zuvor gespeicherten Wertes ersetzt wird und durch dieses adaptive Verhalten mit der Zeit die gültigen Wertepaare ermittelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Aj dadurch gekennzeichnet, daß für Werte der Abkühlfläche, für die noch keine zugeordneten Werte der Vorheizzeit bestimmt sind, ein Wert aufgrund der bereits ermittelten Werte interpoliert oder extrapoliert wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für

den ersten Aufheizvorgang, bei dem noch keine Werte der

Vorheizzeit bestimmt sind, eine maximale Vorheizzeit fest vorgegeben ist.

Ί * Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6_r mit einem Raumtemperaturfühler, der ein die Isttemperatur anzeigendes Istwertsignal liefert, einem Sollwertgeber, der ein die Solltemperatur angebendes Sollwertsignal liefert, einem Zeitgeber, an dem die Nutzungszeiten einstellbar sind, und mit einem Temperaturregler, der das Istwertsignal und das Sollwertsignal empfängt und während der Nutzungszeiten ein das Ein- und Ausschalten der Raumheizung steuerndes Stellsignal liefert, gekennzeichnet durch eine Subtrahierschaltung (7), die das Sollwertsignal (Θ_Ν) und das Istwertsignal (θ.) empfängt und ein die Differenz (ΔΘ.) von Sollwert und Istwert darstellendes Differenzsignal liefert, einen Integrator (8), der das Differenzsignal (ΔΘ.) empfängt und ein das Integral des Differenzsignals darstellendes Integrationssignal (A.) liefert, einen Speicher (11), in dem für verschiedene Werte des Integrationssignals (A.) zugeordnete Werte von Vorheizzeiten (T-) gespeichert sind, und durch eine Schaltungsanordnung (9) , die für jeden Wert des Integrationssignals (A.) den zugeordneten Wert der Vorheizzeit (^T _Vj) ^aus äem Speicher (11) entnimmt, mit der bis zum Beginn der nächsten Nutzungszeit verbleibenden Zeit (T ) vergleicht und bei Gleichheit oder Überschreitung das Einschalten der Raumheizung auslöst.

8. Anordnung -nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Zeitmesser (14), der beim Einschalten der Raumheizung in Gang gesetzt wird, einen Komparator (13), der das Sollwertsignal (Θ_Ν) und das Istwertsignal (Θ.) vergleicht und

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-A-

029131

bei Feststellung der Gleichheit die Übertragung des im Zeitmesser (14) ermittelten Zeitwerts (T„.) in dem Speicher (11) auslöst, und durch eine Steueranordnung (9, 12), die das Abspeichern des Zeitwerts (T_H·) im Speichern 1) an einer Adresse bewirkt, die dem im Zeitpunkt des Einschaltens der Raumheizung vom Integrator (8) gelieferten Wert des Integrationssignals (A.) zugeordnet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen zweiten Speicher (10) , eine Schaltungsanordnung (9/ 16) , die im Zeitpunkt des Einschaltens der Raumheizung die übertragung des vom Integrator (8) gelieferten Werts des Integrationssignals in den zweiten Speicher (10) bewirkt, und durch eine Steueranordnung (9, 12), die das Abspeichern des Wertes des Integrationssignals (A.) im zweiten Speicher (11) an einer diesem Wert zugeordneten Adresse bewirkt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die Auslösung der Raumheizung und das Abspeichern steuernde Schaltungsanordnung eine Rechenschaltung (9) ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung (9) so ausgebildet ist, daß sie für Werte des Integrationssignals (A.), für die noch kein zugeordneter Wert der Vorheizzeit (T_v.) gespeichert ist, einen Näherungswert durch Interpolation bzw. Extrapolation ermittelt.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehreren Räumen mit getrennt steuerbaren Raumheizungen zugeordnet ist, daß eine zyklisch arbeitende Meßwerterfassungsanordnung (2) vorgesehen ist, die die von den Raumtemperaturfühlern (1a bis 1n) gelieferten Istwertsignale zyklisch abtastet und der Anordnung zuführt, und daß die Anordnung für die zyklische Verarbeitung der Abtastwerte ausgebildet ist.

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