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Verfahren zur zeitabhängigen Aufheizung einer Flüssig-
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keit Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zeitabhängigen
Aufheizung einer Flüssigkeit, insbesondere von in einem Warmwasserspeicher befindlichem
Wasser, bei dem während einer ersten Zeitspanne die Flüssigkeit aufgeheizt wird
(Langsamaufheizung) und während einer zweiten Zeitspanne die Flüssigkeit mit gleicher
oder größerer Heizleistung (Schnellaufheizung) bis zu einer vorgegbenen Temperatur
aufheizbar ist und bei dem ständig mit einem Temperaturfühler die Temperatur der
Flüssigkeit ermittelt und eine daraus abgeleitete erste elektrische Größe erzeugt
wird.
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Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (K. Wicht "Elektrische Hausgeräte"
1978, Seiten 122, 123) wird das in einem Warmwasserspeicher befindliche Wasser während
der Nachtzeit (erste Zeitspanne) unter Ausnutzung eines billigen Stromtarifs mit
geringer Heizleistung langsam aufgeheizt. Während der Tageszeit (zweite Zeitspanne)
kann mit einer manuell betätigbaren Schnellaufheiztaste das Wasser auf eine eingestellte
Temperatur aufgeheizt werden. Ein am Warmwasserspeicher angebrachter Temperaturfühler
gibt eine von der Temperatur des Wassers abhängige elektrische Größe ab, die eine
Beendigung des Heizvorganges bei einer manuell einstellbaren Temperatur bewirkt.
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Eine Schnellaufheizung während des Tages verursacht in der Regel erhebliche
Stromkosten, da der gesamte Speicherinhalt zu dieser Zeit zu einem relativ hohen
Stromtarif aufgeheizt wird und darüber hinaus eine optimale
Vorgabe
der zu erreichenden Temperatur bzw. des Wärmeinhalts des Wassers schwierig ist.
Diese Vorgabe der optimalen mittleren Temperatur während des Tages (zweite Zeitspanne)
hängt insbesondere von der Tageszeit ab, zu der die Schnellaufheiztaste betätigt
wird, da z. B. gegen Ende dieser zweiten Zeitspanne, also kurz vor Beginn des Nachtbetriebs
(erste Zeitspanne), in der Regel nur noch geringe Mengen aufgeheizten Wassers benötigt
werden und somit eine vollständige Aufheizung des gesamten Speichers nicht notwendig
ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zeitabhängigen
Aufheizung einer Flüssigkeit zu schaffen9 mit dem eine optimale Aufheizung der Flüssigkeit
während einer festgelegten Zeitspanne erreicht werden kann Zur Lösung dieser Aufgabe
wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art während des Verlaufs der zweiten
Zeitspanne eine weitere elektrische Größe erzeugt 9 deren Wert sich vom Beginn bis
zum Ende dieser Zeitspanne verändert und der ein im Verlauf dieser zweiten Zeitspanne
abfallender Wert einer vorgegebenen mittleren Temperatur bzw des Wärmeinhalts der
Flüssigkeit zugeordnet ist9 und während der zweiten Zeitspanne, nach einem durch
Vergleich der ersten mit der weiteren elektrischen Größe festgestellten Absinken
der mit dem Temperaturfühler ermittelten Temperatur unter die jeweils vorgegebene
mittlere Temperatur die Flüssigkeit in etwa auf diese vorgegebene Temperatur aufgeheizt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insofern vorteilhaft, als daß durch
die weitere elektrische Größe ein vom Zeitpunkt während der zweiten Zeitspanne abhängiges
Signal erzeugt wird 9 das eine optimale Vorgabe eines gewünschten Wärmeinhalts,
z. B. von in einem Speicher befindlichen Wasser, ermöglicht. Es kann somit beispiels-
weise
ein vom Beginn der zweiten Zeitspanne - z. B.
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6.00 Uhr - bis zum Ende der zweiten Zeitspanne - z. B.
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22.00 Uhr - linear abfallendes Signal erzeugt werden, das einem linearen
Absinken des vorgegebenen Wärmeinhaltes entspricht. Somit ist mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren auf einfache Weise erreicht, daß z. B. zu Beginn der zweiten Zeitspanne
eine Wiederaufheizung auf eine relativ hohe mittlere Temperatur (großer Wärmeinhalt)
und zum Ende der zweiten Zeitspanne eine Aufheizung auf eine relativ niedrige mittlere
Temperatur (geringer Wärmeinhalt) erfolgt; durch die Temperaturschichtung des Wassers
ist hierbei gewährleistet, daß ausreichend aufgeheiztes Wasser am Auslauf des Speichers
vorhanden ist. Die benötigte Heizenergie während der zweiten Zeitspanne (Tagbetrieb)
ist somit auf ein Minimum reduziert; eine Aufheizung des Stoffes auf die höhere
Temperatur kann somit während der ersten Zeitspanne (Nachtbetrieb) zu niedrigen
Stromtarifen erfolgen. Außerdem kann durch eine geeignete Wahl der jeweiligen Zeitspannen
auch eine Ausnutzung günstiger Energiequellen, z. B. mittels Wärmepumpen, vorgenommen
werden.
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Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Zeitschalteinrichtung,
mit der die erste und die zweite Zeitspanne einschaltbar ist, ist eine Vergleichsschaltung
vorhanden, bei der an jeweils einem Eingang die erste und die weitere elektrische
Größe anliegen und die für den Fall, daß der Wert der ersten elektrischen Größe
niedriger ist als der Wert der weiteren elektrischen Größe, ein Signal zur Aufheizung
der Flüssigkeit abgibt.
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Diese erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung enthält eine
Zeitschalteinrichtung, die entweder ein mechanisches oder ein elektronisches Uhrwerk
zur Einschaltung der ersten Zeitspanne - z. B. um 22.00 Uhr (Nachtbetrieb) - und
zur Einschaltung der zweiten Zeitspanne
- z. B. 6.00 Uhr (Tagbetrieb)
- enthält. Die während des Verlaufs der zweiten Zeitspanne erzeugte weitere elektrische
Größe, deren Wert sich im Verlauf dieser zweiten Zeitspanne kontinuierlich ändert,
z. B. entweder linear ansteigt oder abfällt, liegt an einem Eingang der Vergleichsschaltung
an und wird permanent mit der vom tatsächlichen Wärmeinhalt der aufgeheizten Flüssigkeit
abgeleiteten ersten elektrischen Größe verglichen. Aufgrund dieses auf einfache
Weise durchführbaren Größenvergleichs wird bei Verringerung des tatsächlichen Wärmeinhalts
der Flüssigkeit ein Signal zur Aufheizung der Flüssigkeit auf die zu diesem Zeitpunkt
durch die kontnuierlich veränderte weitere elektrische Größe vorgegebeines dem Wärmeinhalt
entsprechende mittlere Temperatur erzeugt.
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Die Ermittlung des tatsächlichen Wärme inhalts der Flüssigkeit läßt
sich auf einfache Weise ausreichend genau durchführen, wenn der Temperaturfühler
aus einer Anzahl temperaturabhängiger Widerstände besteht, die verschiedenen Schichten
der Flüssigkeit benachbart angeordnet sind, und die vom Temperaturfühler erzeugte
erste elektrische Größe dem Mittelwert der Ausgangssignale der temperaturabhängigen
Widerstände entspricht. Da sich während der Aufheizung und der Entnahme der Flüssigkeit
Schichten verschiedener Temperatur vertikal übereinander ausbilden, wird bei dieser
erfindungsgemäßen Ausführungsform der Mittelwert von an mehreren Orten entsprechend
der Temperaturschichten gemessenen Temperaturen ermittelt. Die Bildung dieser Schichten
ergibt sich durch Konvektion der erwärmten Flüssigkeit; durch eine zusätzliche Anordnung
von außen am Warmwasserspeicher angebrachten Pumpen kann die Ausbildung dieser Schichten
beschleunigt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich auf einfache Weise realisieren,
wenn eine Pumpe derart angeordnet ist, daß die aufgeheizte Flüssigkeit in die oberste
Schicht
der aufzuheizenden Flüssigkeit gepumpt wird. Die Erzeugung
und Verarbeitung von Digitalsignalen als die erste und die weitere elektrische Größe
ermöglicht ein genaues und zuverlässiges Arbeiten der Vorrichtung und macht darüber
hinaus die Verwendung von genormten, universell verwendbaren Digitalbausteinen möglich.
Mit den Digitalsignalen kann auch eine sich schrittweise ändernde weitere elektrische
Größe vorgegeben werden. Außerdem ergibt sich durch die Verwendung von Digitalsignalen
die Möglichkeit, mehrere Vorrichtungen der erfindungsgemäßen Art zur Aufheizung
einer Flüssigkeit mit einem zentralen Mikrocomputer zu verbinden, der den Vergleich
der elektrischen Größen und die Zeitschaltung ausführt.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei Figur 1 ein
Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeisplels einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens und Figur 2 Diagramme zur Darstellung der einen
und der weiteren elektrischen Größe zeigt.
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Bei der in der Figur 1 dargestellten Vorrichtung zur Aufheizung von
Wasser in einem Warmwasserspeicher 1 weist dieser Warmwasserspeicher ein Heizelement
2 zur Schnellaufheizung des Wassers und ein Heizelement 3 zur Langsamaufheizung
des Wassers auf. Die Heizelemente 2 und 3 werden über Steuerleitungen 4 und 5 angesteuert.
An der Wand des Warmwasserspeichers 1 befinden sich temperaturabhängige Widerstände
6, deren Widerstandswerte in einem Baustein 7 derart ausgewertet werden, daß am
Ausgang des Bausteins 7 eine dem Mittelwert der Widerstandswerte der Widerstände
6 entsprechende erste elektrische Größe UTT ansteht.
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Die Steuerleitungen 4 und 5 sind jeweils über Schaltkontakte einer
Einschaltvorrichtung 8 mit Ausgängen 9 und 10 einer Zeitschalteinrichtung 11 verbunden.
Die Zeitschalt-
einrichtung 11 ist derart aufgebaut, daß sie beispielsweise
für eine erste Zeitspanne von 22.00 Uhr bis 6000 Uhr über die Steuerleitung-5 ein
Freigabesignal für das Heizelement 3 und während einer zweiten Zeitspanne, beispielsweise
von 6.00 Uhr bis 22.00 Uhr, über die Steuerleitung 4 dem Heizelement 2 ein Freigabesignal
zur Verfügung stellen kann. Ein weiterer Steuerausgang 12 der Zeitschalteinrichtung
11 ist mit einem digital aufgebauten Funktionsgeber 13 verbunden, der in der ersten
Zeitspanne von 22.00 Uhr bis 6.00 Uhr einen konstanten Wert und in der zweiten Zeitspanne
von 6.00 Uhr bis 22.00 Uhr einen abnehmenden Wert einer weiteren elektrischen Größe
UTV an seinem Ausgang 14 erzeugt. Die weitere elektrische Größe UTv wird über einen
Digital-Analog-Wandler 15 geführt, der eventuell auch eine Linearisierung der weiteren
elektrischen Größe im Zeitraum von 6.00 Uhr bis 22.00 Uhr bewirken kann. Die erste
elektrische Größe UTT und die weitere elektrische Größe UTV liegen jeweils an Eingängen
16 und 17 einer Vergleicherschaltung 18 an.
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Für den Fall, daß die erste elektrische Größe UTT, die dem tatsächlichen
Wärmeinhalt bzw. der mittleren Temperatur des Wassers im Warmwasserspeicher 1 entspricht,
unter die weitere elektrische Größe UTV, die dem vorgegebenen Wärmeinhalt zum Jeweiligen
Zeitpunkt entspricht, absinkt, wird über einen Ausgang 19 der Vergleicherschaltung
18 ein Signal auf die Einschalteinrichtung 8 gegeben, mit der die Steuerleitungen
4 und 5 zur übertragung eines Steuersignals von der Zeitschalteinrichtung 11 auf
die Heizelemente 2 und 3 aktiviert werden können.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens nach Figur 1 wird anhand des Diagramms in der Figur 2 erläutert. In diesem
Diagramm sind insbesondere die Verläufe der ersten elektri-
schen
Größe UTT und der weiteren elektrischen Größe UTV für einen angenommenen Betriebsfall
dargestellt. Die weitere elektrische Größe UTV liegt in dieser Form am Ausgang des
Digital-Analog-Wandlers 15 an und ist hier einem Bereich des Wärmeinhalts von 0
% bis 100 % zugeordnet; dieser Bereich wird im Verlauf der zweiten Zeitspanne von
6.00 Uhr bis 22.00 Uhr hier linear absinkend durchfahren. Die erste elektrische
Größe entspricht während der ersten Zeitspanne von 22.00 Uhr bis 6.00 Uhr einem
konstanten Temperaturwert z. B. von 40 OC bzw. einem Wärmeinhalt von 100 %. Der
Wert der weiteren elektrischen Größe UTT, der dem tatsächlichen Wärmeinhalt des
Wassers im Warmwasserspeicher 1 entspricht, ist gestrichelt dargestellt und weist
zu den Zeitpunkten 20 und 21 (10.00 Uhr und 20.00 Uhr) ein rapides A-bsinken, z.
B. durch Entnahme warmen Wassers, auf. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist
sichergestellt, daß, nachdem der tatsächliche Wert des Wärme inhalts unter den für
diesen Zeitpunkt vorgegebenen Wert des Warmwasserspeichers (UTV) abgesunken ist,
nur eine Aufheizung des Wassers bis in etwa auf den zeitabhängig vorgegebenen Wert
des Wärmeinhalts erfolgt.
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5 Patentansprüche 2 Figuren