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Elektronische Schaltung zum Verarbeiten
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von Sollwerten Die vorliegende Erfindung geht aus von einer elektronischen
Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Es ist bereits bekannt, zur Speisung eines Verbrauchers, beispielsweise
einer Sammelheizung und/oder eines Gebrauchswasserbereiters, sowohl eine Wärmepumpe
als auch eine brennstoffbeheizte Wärmequelle vorzusehen. Bei der Wärmepumpe kann
es sich sowohl um eine Kompressions- wie auch eine Absorptions-oder Resorptionswärmepumpe
handeln. Die Kompressionswärmepumpe kann sowohl von einem Verbrennungsmotor als
auch von einem Elektromotor betrieben sein. Die Wärmequelle kann ihrerseits aus
einem gas- oder ölbeheizten Kessel bzw. Umlaufwasserheizer bestehen.
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Bei solchen sogenannten bivalenten Systemen ist es relativ schwierig,
die Grenztemperatur zu finden, bis zu der einerseits ein Wärmepumpenbetrieb ohne
weiteres möglich ist und ab welcher andererseits ein ausschließlicher Betrieb der
Wärmequelle zweckmäßig ist. Als zusätzliche Schwierigkeit tritt hierbei noch in
Erscheinung, daß diese Grenztemperatur nicht nur außentemperaturabhängig ist, sondern
vom System und des sen Arbeit zusätzlich abhängt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine
elektronische Schaltung zu schaffen, bei der sowohl das Umschalten vom Wärmepumpenbetrieb
auf Kesselbetrieb in beiden Richtungen möglich ist und bei der nur die Sollwerte
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die Stellgrößen auf den Wärmepumpen- bzw. Kesselregler durchgeschaltet
werden, die für den gerade angewählten Betrieb notwendig sind.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Weitere besonders vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung,
die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren eins und zwei näher
erläutert.
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Es bedeuten
Figur eins ein Blockschaltbild der elektronischen
Schaltung und Figur zwei die wesentlichen Details aus dem Blockschaltbild.
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In beiden Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen
Einzelheiten.
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Die elektronische Schaltung gemäß Figur eins weist eine Schaltuhr
1 auf, die über eine Leitung 2 mit einem Umschalter 3 verbunden ist und diesen nur
zwischen zwei Kontakten 4 oder 5 schalten kann. Der Kontakt 4 ist mit einem internen
Tag-Sollwertgeber 6, der Kontakt 5 mit einem internen Nacht-Sollwertgeber 7 verbunden.
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Der Kontakt 7 ist seinerseits mit einem Eingang 8 eines Sollwert-Meßumformers
9 verbunden. Weitere Eingänge dieses Sollwert-Meßumformers 9 sind über eine Leitung
10 ein Außentemperaturfühler, über eine Leitung 12 ein externer Sollwertgeber 13
und über eine Leitung 14 ein weiterer externer Sollwertgeber in Form eines Raumtemperaturfühlers
15.
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Ein Ausgang 16 des Sollwert-Meßumformers ist auf einen Eingang eines
Sollwertbilders 17 geschaltet, dessen weiterer Eingang 18 mit einem Heizwert-Kurvengeber
19 verbunden ist.
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Ein Ausgang 2Q des Sollwertbilders 17 ist mit einem Eingang eines
Sollwertbegrenzers 21 verbunden, auf dessem weiteren
Eingang 22
ein Maximal-Sollwertgeber 23 für den Wärmepumpenwert geschaltet ist. Ein Ausgang
24 des Sollwertbegrenzers ist auf einen Umschalter 25 - vergleiche Figur zwei -
für die Umschaltung vom Wärmepumpen- auf Kesselbetrieb geführt.
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Der Ausgang 20 ist über eine Leitung 26 mit Eingängen 27 eines Mischer
reglers 28 und einem Eingang 29 für einen Wärmepumpen-Zweipunktregler 30 verbunden.
Weiterhin führt die Leitung 26 zu einem Eingang 31 eines Sollwert-Minimumbegrenzers
32, dessen Ausgang einen Eingang 33 eines Kesselzweipunktreglers 34 bildet.
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Ein Vorlauftemperaturfühler 35 ist über eine Leitung 36 auf einen
Eingang eines Istwert-Meßumformers 37 geschaltet, dessen weiterer Eingang 38 von
einem Rücklauftemperaturfühler 39 beaufschlagt ist. Ein Ausgang 40 des Istwert-Meßumformers
ist mit Eingängen 41 des Mischerreglers 28 und 42 des Wärmepumpen-Zweipunktreglers
30 verbunden.
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Ein weiterer Sollwertgeber 43 ist fur die Minimal-Kesseltemperatur
vorgesehen, sein Ausgang 44 bildet einen Eingang des Sollwert-Minimumbegrenzers
32.
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Ein Kesseltemperaturfühler 45 bildet einen Eingang 46 eines weiteren
Istwert-Meßumformers 47, der über einen Eingang 48 von einem Offsetgeber 49 beaufschlagt
ist. Ein Ausgang 50 des Istwert-Meßumformers 47 bildet einen Eingang des Kesselzweipunktreglers
34.
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Der Mischerregler 28 besitzt zwei Stelleitungen 51 und 52, der Wärmepumpen-Zweipunktregler
weist eine Ausgangsstelleitung 53 und der Kessel-Zweipunktregler eine Ausgangsstelleitung
54 auf.
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Aus der Figur zwei geht der Schaltplan des Blockschaltbildes detaillierter
hervor.
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Veränderungen bezüglich des Blockschaltbildes sind insoweit vorgenommen
worden, als daß der Rücklauffühler 39 ersatzlos entfallen ist. Weiterhin ist der
externe Sollwertgeber mit die Raumtemperaturfühler 15 entfallen.
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Es zeigt sich, daß gemäß Figur zwei sämtliche Istwertgeber wie Kesselfühler
45, Vorlauftemperaturfühler 35, Außentemperaturfühler 11 als temperaturabhängige
Widerstände in Form von NTC-Widerständen ausgebildet sind. Sämtliche Sollwertgeber
wie 6, 7, 13, 23, 19 sind als einstellbare Potentiometer ausgebildet.
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Ausgehend von einer Betriebsspannung UB, deren positiver Pol an einer
Leitung 61 und deren negativer Pol an einer Leitung 62 anliegen, sind die beiden
Leitungen 61 und 62 über zueinander parallelliegenden Widerstandszweige 63, 64,
65, 66, 67 und 68 miteinander verbunden. Im Zweig 69 liegt der Maximal-Sollwertgeber
23 in Form des bereits erwähnten Potentiometers, dessen Schleifer die Leitung 22
bildet. Im Zuge des
Zweiges 64 sind zwei Festwertwiderstände 69
und 70 vorgesehen, wobei der Verbindungspunkt 71 beider einen Eingang 72 eines Operationsverstärkers
73 bildet. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers ist der Ausgang 20 und gleichermaßen
der Eingang des Sollwertbegrenzers 21.
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Im Zweig 66 liegt ein Widerstand 74, der mit dem Fußpunkt des Umschalters
3 verbunden ist. Der Umschalter liegt entweder auf dem Kontakt 4 oder 5, so daß
sich der Zweig 66 entweder über den Sollwertgeber 6 oder den Sollwertgeber 7 zum
Zweig 62 fortsetzt. Im Zuge des Zweiges 67 ist ein Festwertwiderstand 75 vorgesehen,
der mit dem externen Sollwertgeber-Widerstand 13 in Serie liegt. Ein Verbindungspunkt
zwischen beiden Widerständen 76 ist über eine Leitung 77 mit einem Kontakt 78 verbunden.
Ein weiterer Kontakt 79 ist mit dem Fußpunkt des Kontaktes 3 verbunden. Von den
Kontakten 78 und 79 kann über einen Umschalter 80 jeweils einer auf eine Leitung
81 geschaltet werden, in der ein Widerstand 82 liegt und die zu einer Verzweigung
83 führt. Von dem Verzweigungspunkt 83 geht eine Leitung 84 über den Heizkurven-Sollwertgeber
19 zum Ausgang 20. Eine weitere Leitung 85 führt zu einem Eingang 86 des Operationsverstärkers
77. Der Eingang 86 ist über einen Festwertwiderstand 87 mit einer Leitung 88 verbunden,
die zu einem Verzweigungspunkt 89 führt. Der Verzweigungspunkt 89 ist über einen
Festwertwiderstand 90 mit der Leitung 61 und über den Außentemperaturfühler 11 mit
der Leitung 62 verbunden. Über eine Leitung 91 ist die Leitung 88 mit einem weiteren
Eingang 92 des Wärmepumpen-Zweipunktreglers
30 verbunden.
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Eine Stelleitung 93 führt vom Ausgang des Wärmepumpen-Zweipunktreglers
30 zum Sollwertbegrenzer 21.
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Die Leitung 62 ist über eine Leitung 94 mit den einen Anschlüssen
der beiden Istwertgeber 35 und 45 verbunden. Der Istwertgeber 45 ist mit einem Verzweigungspunkt
95 verbunden, von dem eine Leitung 96 über einen Festwertwiderstand 97 mit einem
Verzweigungspunkt 98 verbunden ist. Der Verzweigungepunkt 98 führt über einen Festwertwiderstand
99 zu einem weiteren Verzweigungspunkt 100, der unmittelbar mit dem anderen Anschluß
des Istwert-Gebers 35 verbunden ist. Der Verzweigungspunkt 95 ist über eine Leitung
101, die dem Ausgang des nicht weiter dargestellten Meßwertumformers 47 entspricht,
mit dem einen Eingang des Kessel-Zweipunktreglers 34 verbunden. Der Verzweigungspunkt
100 entspricht dem Ausgang 40.
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In der Ausgangsleitung 24 des Sollwert-Begrenzers 21 liegt ein von
einer Spule 102 betätigter Umschalter 25, dessen Fußpunkt über eine Leitung 103
mit einer Netzklemme R verbunden ist. Der eine Kontakt des Umschalters 25, 104 ist
über eine Leitung 105 mit einem Eingang 106 eines nicht weiter dargestellten Nischermotors
verbunden, bei Stromspannungsbeau£-schlagung des Eingangs 106 läuft der Mischer
in seine Geschlossen-Stellung. Das bedeutet, daß der Kessel von der Sammelheizungsanlage
getrennt wird.
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Der Kontakt 104 ist über einen weiteren Kontakt 107 geführt, der von
einer Spule 108 betätigbar ist, die dem Ausgang 53 zugeordnet ist. Bei dem Kontakt
107 handelt es sich um einen Arbeitskontakt. Die an ihn auf der anderen Seite angeschlossene
Leitung 109 bewirkt beim Spannungsbeaufschlagen ein Inbetriebgehen der Wärmepumpe.
Wärmepumpe bzw. Kessel werden über Puls-Pausen-Signale auf den Leitungen 109 bzw.
125 als Funktion der Soll-Ist-Vergleiche gesteuert.
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Der andere Kontakt 110 des Umschalters 25 ist mit einer Leitung 111
verbunden, die zu einem Fußpunkt eines Kontaktes 112 führt. Dieser Kontakt ist einer
Magnetspule 113 zugeordnet, die vom Ausgang 51 des Mischerreglers 28. abhängig ist.
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Der eine Kontakt 114 des Kontaktes 112 führt zu einem Eingang 115,
der den bereits erwähnten Mischermotor beaufschlagt.
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Erscheint auf dem Eingang 115 Spannung, so läuft der Motor entgegengesetzt
zu der Richtung an, die dem Eingang 106 zugeordnet ist, das heißt, der Mischer geht
in Offen-Stellung.
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Das bedeutet, daß der Kessel mit der Heizungsanlage mehr oder minder
verbunden ist. Der andere Kontakt 116 des Kontaktes 112 führt über eine Leitung
117 zu einem Fußpunkt 118 eines weiteren Kontaktes, der von einer Magnetspule 119
beherrscht ist, die dem Ausgang 52 zugeordnet ist. Bei diesem Kontakt handelt es
sich gleichermaßen um einen Arbeitskontakt. Das Gegenstück 120 des Arbeitskontaktes
ist mit einer Leitung 121 verbunden, die sowohl mit der Leitung 105 als auch mit
dem Eingang 106 verbunden ist.
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Die Leitung 111 ist mit einer Leitung 122 verbunden, die über einen
Arbeitskontakt 123 geführt ist. Dieser Arbeitskontakt hängt von einer weiteren Magnetspule
124 ab, die dem Ausgang 54 zugeordnet ist. Der Arbeitskontakt 123 ist an eine Eingangsleitung
125 angeschaltet, die dem Kessel zugeordnet ist'. Bei Spannungsbeaufschlagung des
Eingangs 125 geht der Kessel in Betrieb.
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Bei der Funktionsbeschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß Figuren
eins und zwei .wird von einer Außentemperatur von + 10 Grad C ausgegangen9 so daß
bei diesem Betriebszustand eine ausschließliche Speisung des als Radiatorheizung
ausgebildeten Verbrauchers durch die Wärmepumpe stattfindet. Hierbei wird davon
ausgegangen, daß die Umschalttemperatur vom Wärmepumpenbetrieb auf Kesselbetrieb
entsprechend dem zum Einsatz kommenden Kältemittel bei + 3 Grad C liegt. Die Vorlauftemperatur
für den Tagwert sei als Solltemperatur von 43 Grad C angenommen. Weiterhin sei angenommen,
daß eine Umschaltung vom Wärmepumpen- auf Kesselbetrieb unabhängig vom Absolutwert
der Außentemperatur bei einem Sollwert von 55 Grad C in der Vorlaufleitung stattfindet,
wobei höheren Temperaturwerten der Kesselbetrieb zugeordnet ist. Liegt, was meistens
der Fall ist, der Nachttemperatur-Sollwert unter dem Tagtemperatur-Sollwert, so
wirkt sich das beim Wärmepumpenbetrieb nicht aus. Es ist aber durchaus möglich,
daß die Umschalttemperatur in ihrem Wert zwischen dem Tag- und dem Nachttemperatursollwert
liegt, dann muß unabhängig von der Außentemperatur
bei dem niedrigen
Nachtsollwert die Wärmepumpe und bei dem höheren Tagsollwert der Kessel arbeiten.
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Fällt nunmehr unter den beschriebenen Eingangsvoraussetzungen die
Außentemperatur, so steigt aufgrund der Heizkurvenzuordnung des Vorlauftemperaturwertes
der Sollwert am Ausgang 20 an. Überschreitet dieser Sollwert den am Maximal-Sollwertgeber
23 eingestellten Sollwert, im angenommenen Beispiel also 55 Grad, so geht die Wärmepumpe
außer Betrieb. Das kommt daher, daß der Ausgang 24 des Sollwertbegrenzers 21 stromführend
wird und der Umschalter 25 von der Magnetspule 102 beaufschlagt wird. Somit ist
R über die Leitung 103 mit 110 verbunden, das bedeutet, daß R auf der Leitung 122
ansteht. Das bedeutet aber weiterhin, daß je nach Stellung des Dreipunktreglers
28 entweder der Kontakt 114 oder Kontakt 116 oder keiner von beiden vom Fußpunkt
112 angesteuert ist. Der Mischer bewegt sich über die Leitungen 106 und 115 entweder
in Auf- oder Schließrichtung oder bleibt stehen. Die Sollwerte werden im Mischerregler
über die Leitung 26 parallel vorgegeben. Somit arbeitet der Kessel mit einer normalen
Kesselvorlauftemperatur-Regelung. Die Wärmepumpe ist ausgeschaltet, der Wärmepumpen-Regler
ist wirkungslos. Fällt die Außentemperatur weiter, so ändert sich an diesem beschriebenen
Betriebszustand nichts.
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Steigt die Außentemperatur hingegen, so wird nach Erreichen des maximalen
Wärmepumpen-Sollwertes der Kessel abgeschaltet und die Wärmepumpe in Betrieb geschaltet.
Dieser Zustand kann nicht nur über steigende Außentemperatur, sondern auch über
einen fallenden Sollwert erreicht werden, beispielsweise
nach Wirksamwerden
des für die Nacht geltenden Sollwertes.
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Wenn der Kessel abgeschaltet wird, geht der Umschalter 25 wieder in
die dargestellte Lage zurück, das heißt, daß der Mischer-Dreipunktregler wirkungslos
geschaltet ist. Das bedeutet aber, daß die vorgegebenen Sollwerte über die Leitung
29 dem Wärmepumpen-Zweipunktregler 30 aufgeschaltet werden, der somit seine Magnetspule
108 betätigt und den Kontakt 107 auf Schließen schaltet. Somit liegt R an der Wärmepumpe
an, die in Betrieb gehen kann. Die eigentliche Wärmepumpenregelung, wie Druck des
Kompressors, Durchsatz von Kältemittel usw., sind Gegenstand eigener Regelkreise
im Internen der Wärmepumpe.
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In jedem Fall ist es zweckmäßig, die Wärmepumpe unabhängig von den
gerade eingestellten Sollwerten bei einem bestimmten Istwert der Außentemperatur
abschalten zu lassen, weil bei Unterschreiten einer bestimmten Außentemperatur eine
gewinnbringende Punktion der Wärmepumpe nicht mehr gewährleistet ist. Das kann über
die Leitung 91 und den dritten Eingang 92 des Wärmepumpenreglers erreicht werden.
In diesem Falle resultiert auch ein Ausgangssignal auf der Leitung 93, so daß der
Maximal-Sollwert-Geber entsprechend beaufschlagt wird.