DE3206035C2

DE3206035C2 - Verfahren zum Erwärmen von Wasser und Anordnung zum Steuern eines Warmwasserbereiters

Info

Publication number: DE3206035C2
Application number: DE3206035A
Authority: DE
Inventors: Frederick Fountain Valley Calif. Blau jun.; John M. San José Calif. Gross
Original assignee: Fluidmaster Inc
Current assignee: Fluidmaster Inc
Priority date: 1981-02-27
Filing date: 1982-02-19
Publication date: 1986-09-18
Also published as: US4449178A; GB2096358A; FR2500916A1; GB2096358B; CA1189934A; CH660415A5; FR2500916B1; DE3206035A1

Abstract

Die Anordnung und das Verfahren dienen zum Steuern eines Warmwasserbereiters (20), um Wasser während Schwachlastperioden auf eine gewünschte Temperatur bis zum Ende einer vorbestimmten Zeitspanne zu erwärmen. Das Erwärmen erfolgt in Teilschritten, wobei das Wasser in mehreren vorbestimmten Zeitabschnitten jeweils in einem Teilausmaß erwärmt wird, um die gewünschte Temperatur am Ende der vorbestimmten Zeitspanne zu erreichen. Das Wasser wird erwärmt, indem der Warmwasserbereiter (20) in jedem Zeitabschnitt auf seine Maximalleistung oder auf einen Teil derselben eingestellt wird. Das Verfahren beinhaltet die Schritte, die Warmwasserbereiterleistung zu berechnen, die für den nächsten Zeitabschnitt erforderlich ist, die Warmwasserbereiterleistung entsprechend einzustellen, bis zum Ende des Zeitabschnitts zu warten, die neue Temperatur des Wassers zu bestimmen und die Schritte bis zum Ende der Zeitspanne zu wiederholen.

Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt:

Wiederholen der Schritte 4) bis 6), bis die vorbestimmte Zeitspanne zu Ende ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellschritte jeweils ausgeführt werden, indem nur ein Teil eines Wechselstromeingangssignals zu der Heizeinrichtung des Warmwasserbereiters durchgelassen wird.

4. Anordnung zum Steuern eines Warmwasserbereiters, um bis zu einer bestimmten Zeit Wasser auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen, mit einer Einrichtung (34) zum Verfolgen der Zeit, mit einer Temperaturabfühleinrichtung (24), die mit dem Wasser in dem Warmwasserbereiter (20) in Verbindung steht, um die Temperatur des Wassers zu bestimmen, mit einer einstellbaren Heizeinrichtung (22,40, 42), die in Wirkverbindung mit dem Warmwasserbereiter (20) steht, um das Wasser in dem Warmwasserbereiter zu erwärmen, und mit einer Verarbeitungseinrichtung (28), die in Wirkverbindung mit der Temperaturabfühleinrichtung (24), der Zeiteinrichtung (34) und der einstellbaren Heizeinrichtung (22, 40, 42) steht, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Heizeinrichtung (22,40,42) eine Eingangsleistungseinstelleinrichtung (40, 42) enthält, die in Wirkverbindung mit dem Warmwasserbereiter (20) steht, um dessen Eingangsleistung einzustellen, und daß die Verarbeitungseinrichtung (28) wiederholt die Anzahl von Zeitabschnitten bestimmt, die bis zum Ende einer vorbestimmten Gesamtzeitspanne verbleiben, um die Einstellung der Eingangsleistung zu berechnen, die notwendig ist, um die Temperatur des Wassers über dem nächsten Abschnitt der Zeitspanne in einem Ausmaß zu erhöhen, das in Beziehung zu dem gesamten gewünschten Temperaturanstieg für die Gesamtzeitspanne steht, und um die einstellbare Heizeinrichtung auf den berechneten Anteil einzustellen.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeiteinrichtung (34) eine 7-T>ge-Uhr ist, wodurch die Verarbeitungseinrichtung (28) eingestellt werden kann, um die gewünschte Temperatur, die Länge der vorbestimmten Zeitspanne und die Anzahl und die Länge jedes Zeitabschnitts gemäß dem Wochentag einzustellen.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturabfühleinrichtung (24) einen Thermistor in Kombination mit einer Spannungsquelle enthält

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbaren Heizeinrichtung (22.40,42) eine Impulseinrichtung zugeordnet ist zum Durchlassen nur eines Teils eines Wechselstromeingangssignals.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 4.

Bei einem solchen bekannten Verfahren (US-PS 22 38 624) wird Wasser außerhalb der Spitzenlastzeit erwärmt Außerhalb der Spitzeniastzeit wird bei dem bekannten Verfahren die Zeitspanne bestimmt, die erforderlich ist, um das Wasser von seiner zu dieser Zeit vorhandenen Temperatur auf eine gewünschte Maximaltemperatur unter Verwendung der vollen Eingangsleistung der Heizeinrichtung des Warnv-vasserbereiters zu erwärmen, woraufhin dann die Heizeinrichtung die maximale Eingangsleistung für die ermittelte Zeitspanne aufnimmt, damit das Wasser in der verbleibenden Zeit auf die gewünschte maximale Temperatur erwärmt wird. Bei dem bekannten Verfahren wird also die zunächst noch niedrige Wassertemperatur im Anfangsteil der Gesamtzeitspanne abgefühlt und auf der Basis der besonderen Wassertemperatur, die abgefühlt wird, wird die volle Heizleistung zur richtigen Zeit eingeschaltet, so daß die gewünschte maximale Wassertemperatur am Ende der Gesamtzeitspanne erreicht wird. Bei dem bekannten Vefahren wird also nur der Beginn der Heizperiode entsprechend der abgefühlten Wassertemperatur variiert. Nachdem die sogenannte kritische Lasttemperatur im Anfangsteil der Gesamtzeitspanne abgefühlt worden ist, wird die Heizeinrichtung mit voller maximaler Eingangsleistung eingeschaltet, und die Erwärmung erfolgt fortschreitend bis zum Ende der Gesamtzeitspanne. Grundsätzlich befindet sich das Wasser auf seiner kritischen Lasttemperatur, wenn die Zeitspanne, die erforderlich ist, um das Wasser mit voller Warmwasserbereiterleistung von seiner gegenwärtigen Temperatur auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen, gleich oder größer als die Zeitspanne ist, die bis zu dem bestimmten Abschaltzeitpunkt verbleibt. Wenn beispielsweise eine gewünschte Temperatur von 82°C um 8.00 Uhr und weiter ein Warmwasserbereiter angenommen wird, der das Wasser um 5,5°C pro Stunde erwärmt, so

sind einige kritische Temperaturen:

37,7°Cum0.00Uhr
48,8°Cum2.00Uhr
60⁰C um 4.00 Uhr
71,rCum6.00Uhr

Der Warmwasserbereiter wird daher um 0.00 Uhr eingeschaltet wenn das Wasser eine Temperatur von 37,7° C oder weniger hat.

Nachteilig ist bei dem bekannten Verfahren, daß sich verändernde Bedingungen nicht kompensiert werden. Wenn beispielsweise die Wärmeverluste während der Heizperiode zunehmen, beispielsweise durch Absinken der Temperatur der umgebenden Luft, kann das Wasser nicht mehr auf die gewünschte maximale Temperatur erwärmt werden. Das gleiche ist der Fall, wenn während der Heizperiode Warmwasser verbraucht wird. Wenn nämlich die volle Heizleistung einmal eingeschaltet ist, bleibt sie bis zum Ende der Heizperiode eingeschaltet. Zum Berücksichtigen des Warmwasserverbrauches hätte der Einschaitzeiipunki früher liegen müssen, was dann aber nicht mehr berücksichti_öt werden kann.

Bei einer bekannten Anordnung der eingangs genannten Art (DE-OS 29 47 969) werden die Heizphasen der Heizeinrichtung des Warmwasserbereiters einem Verbrauchsrhythmus angepaßt der besteht oder zu bestimmen ist. Zu diesem Zweck werden in eine Programmsteuereinrichtung Steuerdaten wie Einschaltzeit, Einschaltdauer, Wassertemperatur und Warmwassermenge entsprechend dem vorgegebenen Bedarf zur Steuerung der Heizeinrichtung des Warmwasserbereiters eingegeben. Der Betrieb der Heizeinrichtung des Warmwasserbereiters wird an die verschiedenen Wasseraufheizphasen angepaßt, die während des Tages vorhanden sind, so daß eine minimale Wassererv/ärir.ung in jeder dieser Wasserheizphasen erfolgt. Beispielsweise kann dabei die Bereitstellung von Warmwasser vier Wasserheiznhasen beinhalten, von denen jede einen unterschiedlichen Warmwasserbedarf aufweist, welcher durch die bekannte Steueranordnung berücksichtigt wird. Der Warmwasserbereiter ist dabei mit verschiedenen Steuervorrichtungen einschließlich eines Mikroprozessors versehen und gemäß den vorgegebenen Heizphasen beginnt das Aufheizen ausreichend rechtzeitig, so daß die richtige Warmwassermenge mit der richtigen Temperatur zur richtigen Zeit verfügbar ist Nachteilig ist dabei, daß die Steueranordnung nur von einem vorgegebenen Badarf ausgehen kann, der vorher einzugeben ist. Da deshalb das Wasser in gegenseitigen Abstand aufweisenden Zeitspannen jeweils entsprechend dem vorgegebenen Bedarf aufgeheizt wird, kann beispielsweise ein von dem eingegebenen vorgegebenen Bedarf abweichender Warmwasserverbrauch nicht kompensiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 4 angegebenen Art so zu verbessern, daß sich ein Warmwasserverbrauch während der vorbestimmten Zeitspanne sowie Änderungen der Umgebungsbedingungen'automätisch berücksichtigen lassen.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen der Palentansprüche 1 und 4 angegebenen Schritte bzw. Merkmale gelöst.

Bei dem Verfahren und der Anordnung nach der Er^j findung wird nicht mit der maximalen Eingangsleistung gearbeitet, sondern nuü» mit einem Anteil derselben.

Wenn beispielsweise außerhalb der Spitzenlastzeit Wasser in einer bestimmten Anzahl von Stunden (etwa den Nachstunden) erwärmt werden soll, wird ein Anteil der maximalen Eingangsleistung der Heizeinrichtung bestimmt, mit dem sich das Wasser in dem Warmwasserbereiter mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit während der Gesamtzeit auf eine gewünschte maximale Temperatur erwärmen läßt. Der Anteil der maximalen Eingangsleistung wird von der Heizeinrichtung für einen ersten Zeitabschnitt aufgenommen, beispielsweise für die erste Stunde und am Ende des ersten Zeitabschnitts wird der Leistungsanteil erneut berechnet wobei die noch verbleibende Zeitspanne und die am Ende des ersten Zeitabschnitts erhöhte Wassertemperatur berücksichtigt werden. Der neu berechnete Leistungsanteil wird für den nächsten Zeitabschnitt, z. B. die nächste Stunde, von der Heizeinrichtung aufgenommen, und danach wird für die verbleibende Zeitspanne die Berechnung erneut ausgeführt. Diese Prozedur wird bis zum Ende der Gesamtzeitspanne wiederholt Dadurch, daß nach jedem Zeitabschnitt die zfnführende Heizleistung erneut bestimmt wird, können kleine Berechnungsfehler und alle Änderungen der Wärmeverluste des Warmwasserbereiters, die durch sich ändernde Umgebungsbedingungen verursacht werden, sowie Änderungen, die durch Warmwasserverbrauch während der Gesamtzeitspanne verursacht werden, berücksichtigt werden. Auf diese Weise wird sich die Wassertemperatur am Ende der Gesamtzeitspanne auf der gewünschten maximalen Temperatur befinden. Fs werden also die Ausgangstemperatur und der Wasserverbrauch während der Erwärmungszeitspanne automatisch berücksichtigt Darüber hinaus werden auch automatisch Faktoren, wie die besondere Kennlinie des besonderen Warmwasserbereiters berücksichtigt, und zwar durch das Einstellen des Anteils der maximalen Eingangsleistung der Heizeinrichtung des Warmwasserbereiters, wodurch sich langsamer oder schneller heizende Heizeinrichtungen berücksichtigen lassen. Durch dis Verfahren und die Anordnung nach der Erfindung wird Wasser außerhalb der Spitzenlastzeit bei geringerer Lc.stungsaufnahme über einer längeren Zeitspanne erwärmt, um den Spitzenlastbedarf des Warmwasserbereiters weiter zu verringern. Außerdem wird durch das automatische Einstellen des Anteils der maximalen Eingangsleistung der Heizeinrichtung des vVarmwasserbereiters der Energieverbrauch desselben verringert, wann immer das möglich ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F^;g. 1 ein Flußdiagramm, das die Reihenfolge der Verfahrensschritte einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig.2 ein Schaltbild, das einige der Schaltungskonv ponenten zeigt, die in der Anordnung nach der Erfindung benutzt werden,

F i g. 3 eine Tabelle, die die Temperaturänderung über einei vorbestimmten Zeitspanne zusammen mit dem Anteil der maximalen Warmwasserberejlejleistung für jeder Zeitabschnitt in einem hypöthedscheri Warmwasserbereiter für den Fall zeigt, daß während! der Zeitspanne kein Warmwasser verbraucht wird, und

F i g. 4 ein Diagramm, das den Temperaturanstieg des Wassers in dem hypothetischen Warmwasserbereiter von F i g. 3 über der Zeit zeigt.

Beschrieben sind im folgenden ein Verfahren und eine Anordnung zum inkrementellen Erwärmen von Wasser während der Zeit geringer Belastung auf eine vorbestimmte Spitzentemperatur am Ende einer vorbestimmten Zeitspanne. Dadurch wird der Leistungsbedarf während der Spitzenlastzeit verringert.

Mittels dieses Verfahrens und dieser Anordnung wird ein Wassertank, der ausreichend groß ist, um den Warmwasserbedarf für den gesamten Tag zu decken, bis zum Tagesbeginn erwärmt. Dabei werden automa-(Jj tisch die Heizkennlinie des besonderen Warmwasserbereiters und der Warmwasserverbrauch während der Erwärmungszeitspanne berücksichtigt, und zwar durch periodisches Prüfen der Temperatur des Wassers in dem Warmwasserbereiter und anschließendes Berechnen des Anteils der maximalen Eingangsleistung, der erforderlich ist, um die Temperatur des Wassers während des nächsten Zeitabschnitts um ein bestimmtes Ausmaß zu erhöhen. Die Größe der gewünschten Temperaturanderung wird durch Berechnen der Anzahl von Zeitabschnitten bestimmt, die verbleiben, bis das Heizsystem abgeschaltet wird, und durch Aufteilen dieser Zahl auf die gesamte gewünschte Temperaturänderung ab dem gegenwärtigen Zeitpunkt bis zum Abschalten. Da diese Berechnungen periodisch wiederholt werden, erfolgen automatisch Einstellungen für jeden Warmwasserverbrauch während eines Zeitabschnittes durch Vergrößern der von der Heizeinrichtung des Warmwasserbereiters aufgenommenen Leistung während der folgenden Zeitabschnitte.

Zu Erläuterungszwecken ist in Fig. 1 angenommen, daß das Wasser von 22.00 Uhr bis 8.00 Uhr erwärmt werden soll und daß jeder Zeitabschnitt über der gesamten Zeitspanne von 10 h eine Dauer von einer Stunde hat.

F i g. 1 zeigt, daß der Warmwasserbereiter bis 22.00 Uhr abgeschaltet ist. Wenn dieses Verfahren mit verbleibenden Zeitabschnitte,

30

35

BiT,

nimmt,

ser eine Uhr jede Stunde einmal prüfen, um den Beginn der Zeitspanne, den Beginn und das Ende jedes Zeitab-Schnitts und das Ende der Zeitspanne festzustellen. Die Uhr könnte eine 7-Tage-Uhr sein, um verschiedene Start- und Stopzeiten in Abhängigkeit von dem Wochentag zu ermöglichen. Andere Uhren könnten ebenfalls verwendet werden, beispielsweise eine 1-Jahr-Uhr, die gestattet, die Start- und Stopzeiten gemäß der Jahreszeit zu verändern. Wenn die Zeitspanne beginnt, wird der Warmwasserbereiter für den nächsten Zeitabschnitt, in diesem Fall eine Stunde, mit einem Prozentsatz seiner maximalen Eingangsleistung, der hier als Auslastungsgrad A bezeichnet wird, eingeschaltet. Beim Berechnen des Auslastungsgrades A₁ für den nächsten Zeitabschnitt werden die gewünschte Temperaturänderung, die Länge der verbleibenden Zeit und die Heizkennlinie des besonderen Warmwasserbereiters berücksichtigt. Zum Berechnen des Auslastungsgrades Ai wird die gegenwärtige Temperatur des Wassers gemessen und folgende Formel verwendet:

Ai =

60

wobei

ΔΤ = gewünschte Temperatur minus gegenwärtige Temperatur (Sollteniperatür minus isttemperatur),

NS = Anzahl der bis zum Abschalten des Heizsystems Τ,-Τ,-χ

wobei

Λ-ι

= Länge des vorangehenden Zeitabschnitts in Stunden,

= Auslastungsgrad im vorangehenden Zeitabschnitt, d. h. Prozentsatz der maximalen Eingangsleistung, der während des vorangehenden Zeitabschnitts aufgenommen worden ist, T₁ = gegenwärtige Temperatur,

T,-x — Temperatur am Beginn des voran

gehenden Zeitabschnitts,

Τ,— Ti-x = T/ins/ici=Temperaturanstieg wäh

rend des vorangehenden Zeitabschnitts.

Da es keine Information über TAnsueg oder die Größe des vorherigen Auslastungsgrades A,-x bis zu dem zweiten Zeitabschnitt gibt, wird k am Anfang gemäß der Spezifikationen des besonderen Warmwasserbereiters eingestellt. Es werden beispielsweise ein Warmwasserbereiter betrachtet, der Wasser um 27,8° C in einer Stunde bei voller Leistung erwärmt. Der Wert k eines solchen Warmwasserbereiter wird am Anfang folgendermaßen berechnet:

KZx A₁-X

1 χ 1
27,8°C

0,036.

Der Warmwasserbereiter muß dann auf den berechneten Eingangsleistungswert eingestellt werden. Die meisten Warmwasserbereiter haben keine Leistungsstcucranordnung irgendwelcher Art für das Heizelement. Es müssen deshalb Vorkehrungen getroffen werden, damit die Leistung des Warmwasserbereiters eingestellt werden kann. Eine Möglichkeit besteht darin, die Eingangsleistung des Warmwasserbereiters ein- und abzuschalten, um den mittleren Energieverbrauch pro Zeiteinheit zu verringern. Das kann bei einem elektrisch gespeisten Warmwasserbereiter durch Zählen der Wechselstromperioden und durch Zufuhr von Wechselstrom in weniger als sämtlichen Perioden in jeder Zeiteinheit zu dem Warmwasserbereiter erfolgen. Die Anzahl der Perioden pro Zeiteinheit, während denen dem Warmwasserbereiter Strom zugeführt wird, ist selbstverständlich von dem berechneten Auslastungsgrad Λ abhängig. Als Beispiel sei weiter angenommen, daß die Berechnungen ergeben haben, daß dem Warmwasserbereiter 25% der maximalen Eingangsleistung für den nächsten Zeitabschnitt zugeführt werden sollten. Der Warmwasserbereiter würde dann vier Perioden lang Leistung aufnehmen, woran sich 12 Perioden anschließen, in denen der Warmwasserbereiter keine Leistung aufnimmt usw. Das würde bewirken, daß das Heizelement 25% der maximalen Eingangsleistung aufnimmt

Am Ende des Zeitabschnitts wird die Temperatur des Wassers wieder gemessen. Der neue Wert k-, wird für den Warmwasserbereiter berechnet, und, wenn der neue Wert k, innerhalb 30% des zuvor berechneten Wertes kj-χ liegt, dann wird der nächste Auslastungsgrad unter Verwendung dss neuen Wertes k; berechnet. Wenn dagegen der neue Wert k-, nicht innerhalb von 30% des Wertes £,_i liegt dann wird der Wert k auf

diesen vorherigen Wert kj-\ eingestellt, um starke Schwankungen des Werts k zu vermeiden. Es sei angemerkt, das T_Amiicg ziemlich niedrig sein würde, beispielsweise wenn eine beträchtliche Menge an Warmwasser während des vorherigen Zeitabschnitts verbraucht wurde. Diese Schritte werden bis 8.00 Uhr wiederholt, zu welcher Zeit die Temperatur des Wassers in dem Warmwasserbereiter normalerweise auf die gewünschte Temperatur angestiegen sein wird. Selbstverständlich gibt es eine Grenze für die Wassermenge, die der Warmwasserbereiter um eine bestimmte Anzahl Grad in einer bestimmten Zeitspanne erwärmen kann, und zwar auch bei voller Leistung. Wenn ein Ausmaß an Wassererwärmung, das über dieser Grenze liegt, erzielt werden muß, beispielsweise wegen hohen Verbrauches, wird das Wasser bis zum Ende der Erwärmungszeitspanne nicht die gewünschte Temperatur erreichen.

F i g. 1 zeigt ein Schaltbild, das die verschiedenen Schaltungskomponenten der Anordnung zum Steuern des warmwasserbereiters veranschaulicht. Die Leitungen, die mit Datenbus, Adreßbus und Steuerbus bezeichnet sind, geben den Informationsfluß zwischen den verschiedenen Schaltungskomponenten an, die in F i g. 2 gezeigt sind. Sie geben nicht notwendigerweise die tatsächlichen körperlichen Verbindungen zwischen diesen Schaltungskomponenten an.

Der Warmwasserbereiter 20, der ein Heizelement 22 enthält, ist mit einem Temperaturabfühlelement 24 versehen. Das Temperaturabfühlelement ist hier ein Thermistor, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert, in Kombination mit einer Spannungsquelle Vco Der 'ihermistor ist an die Eingangsklemme 26 eines Mikroprozessors 28 angeschlossen. Der Mikroprozessor 28 wandelt die analogen Meßwerte aus dem Thermistor in für die Berechnungen geeignete Digitalwerte um. Der Mikroprozessor ist so programmiert, daß er den oben in Verbindung mit der Erläuterung von Fig. 1 «v*~a»o.k<in£in C/%Kfitt<»n fixiert

Die Elemente innerhalb des durch gestrichelte Linien umrahmten und mit der Bezugszahl 30 bezeichneten Bereiches bilden einen Taktsignalgenerator. Dieser erzeugt ein Signal sehr hoher Frequenz. Diese Frequenz wird einer Teilerschaltung 32 zugeführt, die die Frequenz durch 4 dividiert, um den Mikroprozessor 28 zu takten, und die Frequenz durch 256 dividiert, um eine 7-Tage-Uhr 34 zu takten. Eine Leuchtdiodenzeitanzeige 36 zeigt die Zeit an.

Eine Wechselstromquelle 38 wird durch ein Festkörperrelais 40 auf ausgewählte Weise an das Heizelement 22 angeschlossen. Das Festkörperrelais 40 wird durch einen Zähler 42 aktiviert.

Der Zähler 42 stellt in Verbindung mit dem Festkörperrelais 40 die von dem Heizelement 22 aufgenommene Leistung durch Verändern der Anzahl der Perioden ein, während denen der Warmwasserbereiter 20 Leistung pro Zeiteinheit aufnimmt, wie es oben in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben worden ist Es können auch Einrichtungen benutzt werden, die in der Lage sind, die Stromzufuhr zu dem Heizelement 22 schnell ein- und abzuschalten.

In den F i g. 3 und 4 sind die Daten für ein hypothetisches Heizsystem dargestellt, bei dem ein Warmwasserbereiter benutzt wird, der bei voller Leistung Wasser in einer Stunde um 27,8° C erwärmt In diesem Beispiel ist es erwünscht, das Wasser bis 8.00 Uhr auf 71,1⁰C zu erwärmen. Die Anfangswassertemperatur beträgt um 22.00 Uhr 433° C. Für den Auslastungsgrad A gilt, wie oben angegeben,

A =

ΔΤ (gewünschte Temperatur — gegenwärtige Temperatur) wird berechnet zu 71,1⁰C - 43,3°C=27,8°C. NS, die Anzahl der Zeitabschnitte von je einer Stunde bis 8.00 Uhr beträgt 10. Um 22.00 Uhr wird der Wert k aus 0,0359 eingestellt. Gemäß obiger Beschreibung erfolgt seine Berechnung folgendermaßen:

KZx Λ,-ι ₌ 1*1
T₁-T,., 27,8

0,0359.

Für den Auslastungsgrad A wird deshalb berechnet:

ΔΤ

27,8
10

χ 0,0359-0,1,0.

Ein Aüslastungsgrad von 0,10 ist 10% der maximalen V/armwasserbereitereingangsleistung gleichwertig. V/enn deshalb der Zähler 42 in F i g. 2 sechzehn Perioden in Halbperiodenschritten zählt, würde er auf 10% oder 1,5 Halbperioden eingestellt. Daher würden die

ersten drei Halbperioden (1,2, 3) des Stroms durch das Festkörperrelais 40 zu dem Heizelement 22 durchgelassen werden. Die anschließenden neunundzwanzig Halbperioden (4—32) würden von dem Relais 40 nicht durchgelassen werden. Der Zähier 42 wird automatisch rück-

gesetzt und beginnt wieder zu zählen, um das Festkörperrelais 40 während der ersten drei Perioden zu betätigen, usw. Das wird fortgesetzt, bis der Auslastungsgrad A bei der nächsten Stunde rückgesetzt wird.
Am Beginn des nächsten Zeitabschnitts kann der

Wert für Jt aus den verfügbaren Daten bestimmt werden. Um 23.00 Uhr hat die Temperatur T einen Wert von 45,5°C, so daß gilt T₁- T₁-1 =45,5° C-433⁰C = S^⁰C, was, dividiert in dem Produkt ans 1 Stunde mal dem vorherigen Auslastungsgrad von 0,1, einen Wert von 0,045 für k ergibt (mit JT= 71,1—45,5 = 25,6; NS =9). Der neue Auslactungsgrad A wird dann, wie zuvor, berechnet, indem die neuen Werte für ΔΤ, NS und k benutzt werden:

0,045 = 0,128.

Diese Zahl bedeutet 12,8% der vollen Leistung, womit der Warmwasserbereiter dann für den nächsten Zeitabschnitt arbeitet. Die Schritte »Temperatur messen«, »Auslastungsgrad berechnen« und »Warmwasserbereiter einstellen« werden jede Stunde bis 8.00 Uhr wiederholt Gemäß dem Diagramm in F i g. 4 erfolgt der Temperaturanstieg über der Zeit im wesentlichen linear, wo·

bei vorausgesetzt wird, daß während der Zeitspanne kein Warmwasserverbrauch stattfindet.

Einer der Vorteile des hier beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß, da die Temperatureinstellung jede Stunde nachgestellt wird, eine automatische Berücksichtigung jedes Warmwasserverbrauchs während der Zeitspanne, in der das Heizsystem in Betrieb ist, erfolgt Es sei daher nun der Fall betrachtet, in welchem Warmwasser während der Erwärmungszeitspanne verbraucht wird. Es sei angenommen, daß in dem vorherigen Beispiel der Haushalt etwas Warmwasser zwischen 3.00 Uhr und 4.00 Uhr verbraucht hat In Abhängigkeit von der verbrauchten Warmwassermenge würde die Wassertemperatur um 4.00 Uhr niedriger sein als sie in

F i g. 3 dargestellt ist. Aus Erläuterungsgründen sei angenommen, daß genug Warmwasser verbraucht wird, um die Temperatur des Wassers um 4.00 Uhr auf 59,4° C zu verringern. Es sei daran erinnert, daß in dem vorherigen Beispiel die Temperatur des Wassers um 4.00 Uhr 59,7⁰C betrug. Die Berechnungen für die Leistungseinstellung für die nächste Zeitspanne lauten dann folgendermaßen:

ΔΤ*= 71,11 -5'ö,44= 11,67

7Ά_η!1,_ΐ?=59,4-56,8 = 2,56
-4,-, =0.128

15

,0128

2,56

= 0,05

k,-1 ± 30% = 0,045 - 0,3 χ 0,045 bis
0.045 + 0.3 χ 0.045 = 0.0315 his 0.0585 ₂Q

(Es sei beachtet, daß der neue /r-Wert 0,0492 innerhalb von 30% des vorherigen k-Wertes liegt.)

NS =4

A, = -^p- x 0,05 = 0,14587, was ungefähr 15% entspricht.

30

Es ist zu erkennen, daß der Auslastungsgrad A von 0,15 größer ist als der in dem vorherigen Beispiel berechnete Auslastungsgrad von 0,13. Dieser höhere Auslastungsgrad würde selbstverständlich zur Folge haben, daß der Warmwasserbereiter auf einen höheren Prozentsatz der maximalen Eingangsleistung eingestellt wird, um den Warmwasserverbrauch zu kompensieren.

Verschiedene Faktoren, bei denen es sich nicht um den Warmwasserverbrauch handelt, werden in der Praxis die Fähigkeit des Warmwasserbereiters, das Wasser linear über der Zeit zu erwärmen, beeinflussen. Die Wärmedämmeigenschaften der Isolation beispielsweise sind umgekehrt proportions' zu der Temperaturdifferenz zwischen innerhalb und außerhalb des Warmwasserbereiters. Deshalb ergibt sich ein größerer Wärmeverlust während der letzten Zeitabschnitte, wenn die Temperatur des Wassers höher ist. Die Außenlufttemperatur kann sich ebenfalls ändern, was auch für die Temperatur des in den Warmwasserbereiter eintretenden Wassers gilt. Außerdem braucht das Erwärmungsvermögen des Warmwasserbereiters nicht proportional zu dem Leistungsprozentsatz zu sein, mit dem der Warmwasserbereiter betrieben wird. In dieser Hinsicht stellen die angegebenen Daten nur ein Beispiel dar. Die tatsächliche Leistungsfähigkeit des Verfahrens und der Anordnung werden in der Praxis von Faktoren wie der Heizkennlinie und den Wärmedämmeigenschaften des gewählten besonderen Wärmewasserbereiters abhängigsein.

60

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erwärmen von Wasser über einer vorbestimmten Zeitspanne in folgenden Schritten:

1) Bestimmen der Ist-Wassertemperatur in einem Warmwasserbereiter;

2) Betätigen einer Heizeinrichtung des Warmwasserbereiters derart, daß die Temperatur des Wassers in der vorbestimmten Zeitspanne auf eine Soll-Temperatur erhöht wird, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

3) Bestimmen eines Anteils der maximalen Eingangsleistung des Warmwasserbereiters und entsprechendes Einstellen der Heizeinrichtung in dem Schritt 2) derart, daß die Temperatur des Wassers über einem vorbestimmten Abschnitt der vorbestimmten Zeitspanne in einem Aue· maß erhöii'. wird, das in Beziehung zu dem gesamten gewünschten Temperaturanstieg über der gesamten vorbestimmten Zeitspanne steht;

4) Warten bis zum Ende des vorbestimmten Abschnitts der vorbestimmten Zeitspanne;

5) Bestimmen der neuen Temperatur des Wassers in dem Warmwasserbereiter;

6) Nachstellen der Heizeinrichtung des Warmwasserbereiters derart, daß die Temperatur des Wassers über einem weiteren vorbestimmten Abschnitt des verbleibenden Teils der vorbestimmten Zeitspanne in einem Ausmaß erhöht wird, das in Beziehung zu dem gesamten gewünschten Temperaiuranstkg über dem gesamten verbleibenden Teil der vorbestimmten Zeitspanne steht.