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Regeleinrichtung für eine Heizungsanlage
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für
eine Heizungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Solche Heizungsanlagen sind in Form von Mehrkesselheizungen oder dem
Zusammenschalten von Wärmepumpen mit Zusatzkesseln bekannt. Hierbei weist Jede Wärmequelle
ihren eigenen Regler auf, die Regler unterscheiden sich durch unterschiedlich liegende
Ein- und Ausschaltschwellen beziehungsweise bei der Verwendung von stetigen Reglern
durch unterschiedlich liegende Regel-Bereiche beziehungsweise Sollwerte.
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Die Regelgröße ist bei solchen von mehreren Wärmequellen beaufschlagten
Heizungsanlagen in der Regel die Heizungsvorlauftemperatur. Da wenigstens zwei Regler
zur Anwendung kommen
und die Regler insbesondere bei der Verwendung
von 2-Punkt-Reglern Schalthysteresen aufweisen, die zudem noch von einem Abstand
zwischen der Ausschaltschwelle des auf die niedrigere Temperatur gelegten Reglers
und der Einschaltschwelle des auf die höhere Temperatur gelegten Reglers gekennzeichnet
sind, ergibt sich eine relativ große Regelabweichung, die nicht unterschritten werden
kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Verwendung
von zwei oder mehr Reglern, seien es stet-ige oder unstetige Regler, die Größe der
Regelabweichung, die die gemeinsame Regeleinrichtung verarbeiten kann, zu minimieren
und ein unkontrolliertes Ein- und Ausschalten der zugehörigen Wärmequellen verhindern.
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Die Lösung dieser Aufgabe liegt in den kennzeichnenden Merkmalen der
vier nebengeordneten Ansprüche.
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Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sOwie der nachfolgenden Beschreibung,
die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines 2-Punkt-Reglers näher erläutert.
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Es zeigen: Figur eins eine schematische Darstellung einer Heizungsanlage,
Figur
zwei ein Diagramm und Figur drei ein Blockschaltbild der Regeleinrichtung.
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In allen drei Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen Jeweils die gleichen
Einzelheiten.
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Eine Heizungsanlage 1 weist einen Verbraucher 2, bestehend aus einer
Vielzahl parallel und/oder in Serie geschalteter Heizkörper, oder einer Fußboden-Heizungsanlage,
auf, die über eine Vorlaufleitung 3, in der ein Temperaturfühler 4 angeordnet ist,
mit einer Leitungsverzweigung 5 verbunden ist, von der zwei Wärmequellenzweige 6
und 7 abzweigen, in die Wärmequellen 8 und 9 eingeschaltet sind. Rücklaufseitig
ist Rücklaufleitung 11 über eine Verzweigungsstelle 12 mit den beiden Wärmequellen
8 und 9 verbunden, die aus einem Wärmetauscher 13 beziehungsweise 14 bestehen, der
von einem Brenner 15 beziehungsweise 16 beheizt ist. Bei den Wärmequellen kann es
sich um Gas-Durchlauferhitzer, blkessel, also gleichartige Geräte, die sich in der
Leistung unterscheiden können, aber nicht müssen, handeln. Die eine Wärmequelle
kann auch eine Wärmepumpe sein, während die andere Wärmequelle eines der eben genannten
Geräte sein kann. Gegebenenfalls können auch als Wärmequellen die Zusammenschaltung
einer Kompresstons- und einer Absorptionswärmepumpe in Frage kommen. SchlieR-lich
wäre es auch möglich, die eine Wärmequelle als Sonnenkollektor und die andere Wärmequelle
als eines der eben beschriebenen
Geräte auszubilden. Die Erfindung
ist im übrigen nicht auf die Verwendung von zwei Wärmequellen beschränkt, es können
auch noch mehr sein. So wird im Extremfall die Zusammenschaltung von vier Wärmequellen
möglich, wobei im einen Wärmequellen zweig ein Sonnenkollektor, im zweiten eine
Kompressionswärmepumpe, im dritten eine Absorptionswärmepumpe und im vierten Zweig
ein Kessel angeordnet ist.
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Die Brenner 15 und 16 der beiden Wärmequellen sind über eine Brennstoffzuleitung
17 gespeist, die eine Abzweigung 18 aufweist und mit den Jeweiligen Brennern über
Magnetventile 19 und 20 in Verbindung steht, die über Stellmagneten 21 und 22 bedient
werden können. Diese Stellmagneten beziehungsweise die Magnetventile können 2-Punkt-Stellungen
aufweisen, es besteht aucil die Möglichkeit, kontinuierlich stetige Offnungsquerschnitte
anzusteuern.
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Die beiden Stellmagnete 21 und 22 werden über Stelleitungen 23 und
24 von einer Regeleinrichtung 25 beaufschlagt, die zwei Regler 26 und 27 aufweist.
Jeder Regler besitzt einen Sollwertgeber 28 und 29, beide Regler sind über eine
Meßleitung 30 mit dem Vorlauftemperatur-Istwertgeber 4 verbunden.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur eins ist somit die Meß-und Regelgröße
die Vorlauftemperatur. Es ist aber auch möglich, als Regel- und Meßgröße die Rücklauftemperatur
oder die Raumtemperatur zu nehmen. Im ersteren Fall müßte der Fühler 4 in der Rücklaufleitung
liegen, im zweiten Fall müßte
ein Raumtemperaturfühler vorhanden
sein.
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Aus Vereinfachungsgründen ist es auch möglich, die beiden Regler 26
und 27 zusammenzufassen beziehungsweise nur einen einzigen Regler vorzusehen und
dessen Signalabgabe zum nicht gewünschten Magnetventil zu unterdrücken. So könnte
die Regeleinrichtung 25 weiter vereinfacht werden, daß die Sollwertgeber zu einem
einzigen Sollwertgeber zusammengefaßt werden.
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Die Regeleinrichtung 25 wird nun anhand des Blockschaltbilds der Figur
drei näher beschrieben.
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Der Istwertgeber 4 ist über seine Leitung 30 unmittelbar auf den Regler
26 gegeben. Der Regler 27 ist in Fortfall gekommen beziehungsweise der Regler 26
erledigt seine Aufgaben mit.
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Vom Regler führt eine Ausgangsleitung 40 zu einem Undgatter 41, dessen
Ausgang 42 auf einen Leistungsverstärker 43 geschaltet ist, von dem die erste Stelleitung
23 zu der Wärmequelle mit der kleinsten Leistung, beispielsweise einem Sonnenkollektor,
führt. Von der Leitung 40 zweigen Leitungen 44, 45 und 46 ab, die zu weiteren Undgliedern
47, 48 und 49 führen, deren Ausgänge 50, 51 und 52 auf weitere zugehörige Leistungsverstärker
53, 54 und 55 geschaltet sind, wobei den Ausgang des Leistungsverstärkers 53 die
Stelleitung 24 bildet, während die Ausgänge der Leistungsverstärker 54 und 55 von
Stelleitungen 56 und 57 gebildet werden. Die Stelleitung 24 führt zu der Wärmequelle
mit der nächst größeren Leistung, beispielsweise eine Kompressionswärmepumpe. Die
Leitung 56
ist mit der nächst leistungsstärkeren Wärmequelle verbunden,
beispielsweise eine Absorptionswärmepumpe. Die Leitung 57 geht auf einen Kessel,
der die größte Leistung aller Wärmequellen aufweist.
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Die Leitung 30 verzweigt sich in weitere Leitungen 58 und 59, wobei
die Leitung zu einer Grenzwert-Uberwachungseinrichtung 60 und die Leitung 59 zu
einer weiteren Grenzwert-Uberwachungseinrichtung 61 führt. Die Grenzwert-Uberwachungseinrichtungen
60 und 61 unterscheiden sich durch unterschiedliche Höhen. Wird die Vorlauftemperatur
der Leitung 3 durch einen oder zwei 2-Punkt-Regler überwacht, so liegt der Schaltpunkt
der Grenzwert-Überwachungseinrichtung 60 unterhalb des Einschaltpunktes des 2-Punkt-Reglers,
während der Schaltpunkt der Grenzwert-Überwachungseinrichtung 61 oberhalb des Abschaltpunktes
liegt. Bei der Verwendung von stetigen Reglern würden die beiden Schaltschwellen
oberhalb beziehungsweise unterhalb des P-Bereichs liegen, bei der Verwendung eines
Reglers oberhalb beziehungsweise unterhalb des Sollwertes.
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Die Grenzwert-Überwachungseinrichtung 60 ist über eine Leitung 62
mit einem Zähler 63 verbunden. Von der Leitung 62 zweigt eine Leitung 64 ab, die
zu einem Zeitglied 65 führt.
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Ein weiterer Eingang des Zeitgliedes wird von einer Leitung 66 gebildet,
die von einer Leitung 67 abgeht, die den Ausgang der zweiten Grenzwert-Überwachungseinrichtung
61 bildet und die zu einem Rückwärtszähleingang 69 des Zählers 63 führt. Die Leitung
62 führt zu einem Vorwärtszähleingang 70
des Zählers 63. Die Leitung
62 ist weiterhin über eine Leitung 71 mit einem Oderglied 72 verbunden, dessen zweiter
Eingang mit der Leitung 68 beziehungsweise 67 verbunden ist.
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Ein Ausgang 73 des Odergliedes bildet einen Eingang eines Undgliedes
74, dessen anderer Eingang vom Ausgang des Zeitgliedes 65 über eine Leitung 75 gebildet
ist. Der Ausgang des Undgliedes 74 ist über eine Leitung 94 auf den Zähleingang
95 des Zählers 63 geführt. Der Zähler 63 ist ein Binärzähler und ist mit einem Leitungsbündel
76 mit einer Kodiereinrichtung 77 verbunden, die so viel Ausgänge hat wie Wärmequellen
und damit Leistungsverstärker und Undglieder 41, 43, 47, 48, 49, 53, 54 und 55 vorhanden
sind. So ist die Kodiereinrichtung über eine Leitung 78 mit dem Undglied 41, über
eine Leitung 79 mit dem Undglied 47, über eine Leitung 80 mit dem Undglied 48 und
über eine Leitung 81 mit dem Undglied 49 verbunden.
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Die Funktion der Regeleinrichtung 25 wird nunmehr anhand des Diagramms
der Figur zwei beschrieben. Bei dem Diagramm ist in der Abszisse die Regelgröße,
im Ausführungsbeispiel also die Vorlauftemperatur in OC, aufgetragen, in der Ordinate
die Leistung P durch P max. von 0 bis 100 %. Da erfindungsgemäß die Ein- und Ausschaltschwellen
der im Ausführungsbeispiel zur Anwendung kommenden 2-Punkt-Regler übereinandergelegt
werden, kann man mit einem 2-Punkt-Regler 26 auskommen. Dieser 8-Punkt-Regler steuert
beide oder mehrere Wärmequellen, er weist eine Einschaltschwelle X 11 und eine Ausschaltschwelle
X 12 auf. Bei der Verwendung eines stetigen insbesonderen
Proportionalreglers
würde das P-Band über den Temperaturbereich X 11 bis X 12 reichen. Bei der Verwendung
eines I-Reglzrs würde man dessen Sollwert etwa auf eine mittlere Temperatur zwischen
X 11 und X 12 legen. Es ist weiterhin eine Schaltschwelle X 21 vorgesehen, die unterhalb
von X 11 liegt, es ist weiterhin eine zweite Schaltschwelle X 22 vorgesehen, die
auf einem Temperaturwert oberhalb von X 12 liegt. Die Schaltschwellen X 21 und X
22 liegen demgemäß höher und tiefer als die Ein- und Ausschaltschwelle beziehungsweise
ober-und unterhalb des P-Bereichs oder bei der Verwendung eines Reglers ober- und
unterhalb des Sollwertes. Für das Ausführungsbeispiel sei Jetzt weiterhin angenommen,
daß sich die Leistung der beiden Wärme quellen des Ausführungsbeispiels um den Faktor
2 der Leistung unterscheiden, das heißt, die eine Wärmequelle weist 1/3 der Gesamtleistung
auf.
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Im Diagramm ist eine Kurvenschar 82, 83, 84 bis 87 gezeichnet, die
vom O-Punkt ausgeht und die Zuordnung einer Leistung beziehungsweise einer Vorlauftemperatur
zu einer möglichen Außentemperatur darstellt. Je tiefer die Außentemperatur liegt
um so mehr nähert sich die Gerade der Kurve 82 und umgekehrt.
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Für die Erklärung der Funktion wird zunächst davon ausgegangen, daß
eine hohe Außentemperatur herrscht, beispielsweise der Verlauf von Leistung und
Außentemperatur gemäß der Kurve 87 festliegt und die Heizungsanlage kalt ist. Da
die Einschaltschwelle X 11 von der Ist-Vorlauftemperatur unterschritten ist, bewirkt
der Regler ein Einschaltsignal auf die Leitung
40, das an allen
Undgliedern 41, 47, 48 und 49 anliegt. Im Falle eines 2-Punkt-Reglers ist das ein
Einschaltbefehl, im Falle eines P-Reglers ist es eine der Regelabweichung proportionale
Stellgröße, im Falle des Reglers ein Befehl, das zugehörige Magnetventil fortlaufend
weiter zu öffnen.
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Die Kodiereinrichtung 77 befindet sich in Grundstellung, das heißt,
sie gibt auf die Leitung 78 ein Freigabe-Signal für das Undglied 41, so daß die
Wärmequelle, die an Leitung 23, zum-Beispiel die Wärmequelle 8, angeschlossen ist,
eingeschaltet und im Falle eines P-Reglers in ihrer Leistung gesteuert wird.
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Die Meßgröße liegt aber über die Leitung 30 und die Leitung 58 und
59 auch an den beiden Grenzwert-Oberwachungseinrichtungen 60 und 61 an. An diesen
liegt auch der eingestellte Sollwert vom Geber 28 über die Leitung 31 an, der Sollwert
ist gleichermaßen dem Regler zugeführt.
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Nunmehr können folgende Möglichkeiten auftreten: Die Regelgröße läuft
auf der Kurve 87 hoch und überschreitet die Ausschaltschwelle X 12, damit taktet
die Wärmequelle 8 zwischen Ein- und Ausschaltpunkt hin und her. Erreicht die Regelgröße
nicht den Wert X 12, überschreitet aber den Wert X 11, so bleibt die Wärmequelle
8 dauernd eingeschaltet. Überschreitet die Regelgröße den Wert X 21, so schaltet
die Grenzwert-Uberwachungseinrichtung 60 zurück, damit kann der Zähler nicht weiterzählen.
Ist die Wärmeanforderung durch den
Verbraucher 2 Jedoch so hoch,
daß die erste Wärmequelle kein Überschreiten der Vorlauftemperatur über den Wert
von X 21 bewirkt, so bleibt das Ausgangssignal der Grenzwert-Überwachungs einrichtung
60 länger bestehen als die am Zeitglied eingestellte Dauer. Die Grenzwert-Überwachungseinrichtung
60 gibt auf ihre Ausgangsleitung 62 ein Signal, das einmal an den Vorwärtszähleingang
70 des Zählers gelangt und über die Abzweigleitung 64 auf das Zeitglied 65 geschaltet
wird. Das Zeitglied 65 wirkt als Verzögerungsglied, und nach Ablauf einer am Zeitglied
einstellbaren Zeitspanne gelangt ein Ausgangssignal über die Leitung 75 auf den
einen Eingang des Undgliedes 74. Dem Undglied ist das Oderglied 72 vorgeschaltet,
dessen einer Eingang über die Leitung 71 bereits Spannung- führt. Nach Ablauf der
Schaltdauer des Zeitgliedes liegt Spannung am Eingang 75 des Undgliedes 74, aber
auch Spannung über die Leitung 71 und des Odergliedes 72. Damit schaltet der Zähler
um einen weiteren Schritt weiter. Damit wird von der Kodiereinrichtung 77 neben
der Leitung 78 auch die Leitung 79 mit Spannung beaufschlagt, so daß das Undglied
47 durchschaltet, so daß die zweite Wärmequelle über die Leitung 24 erregt wird.
Bei diesem Zuschalten wird über die Leitung 78 von der Kodiereinrichtung ein Dauersignal
auf das Undglied 41 gegeben. Die erste Wärmequelle arbeitet nun mit der maximal
möglichen Leistung. Hierzu hat die Kodiereinrichtung einen Ausgang 88, der zu einem
Maximalwertgeber 89 führt, der über eine Leitung 90 an alle Undglieder angeschlossen
ist, so daß immer nur die Leistung einer Wärmequelle über den Regler 26 verändert
wird, während die übrigen zugeschalteten
Wärmequellen mit ihrer
Maximalleistung betrieben werden.
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Für diesen Fall kommt Jetzt allerdings aus praktischen Erwägungen
nicht mehr die Kurve 87 in Frage, sondern eine wesentlich steiler liegende Kurve,
zum Beispiel die Kurve 83.
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Ist nur die Wärmequelle 8 in Betrieb, so bedeutet das, daß der Arbeitspunkt
sich auf der Kurve 83 unterhalb des Punktes 91 bewegt. Da nunmehr, wie beschrieben,
die zweite Wärmequelle zugeschaltet wird, wird der Punkt 91 in Richtllng auf das
höher liegende Kurvenstück der Kurve 83 überfahren.
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Hierbei gibt es Jetzt wieder die Möglichkeiten, daß der Punkt 92 erreicht
wird, hier würde die zweite Wärmequelle abgeschaltet werden, da der Wert X 12, der
Abschaltwert, erreicht wird.
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Damit wird die Wärmequelle 9, also die nächst höhere, abgeschaltet,
die Leitung 24 wird spannungslos. Da das Undglied 41 ein Dauersignal bekommt, bleibt
die Wärmequelle 8 eingeschaltet. Die Regelgröße geht durch das Abschalten der zweiten
Wärmequelle zurück, so daß schon aus diesem Grund die Wärmequelle nicht abgeschaltet
werden würde.
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Läuft beispielsweise aus dem Grunde einer geringeren Verbraucherwärmeanforderung
die Kurve 83 Jedoch über einen Punkt 93 hinaus, so wird die Schaltschwelle X 22
erreicht. Beim Erreichen dieser Schaltschwelle spricht die Grenzwert-Uberwachungseinrichtung
61 an. Das Ausgangssignal dieser Grenzwert-Uberwachungseinrichtung liegt über die
Leitung 67 und 68 am Rückwärtszähleingang 69 des Zählers an. Das Zeitglied
wird
zum gleichen Zeitpunkt über die Leitung 66 aktiviert, nach Ablauf der am Zeitglied
eingestellten Zeit zählt der Zähler zurück. Damit steht der Zähler wieder in der
Grundstellung, was einem normalen Einschaltbefehl mit der Regelabweichung der Leitung
40 auf der Leitung 23 entspricht, so daß neben dem Abschalten der zweiten größeren
Wärmequelle die erste Wärmequelle von der Maximalleistung auf die in Betrieb gemäß
der Regelabweichung zurückgeführt wird beziehungsweise beim Überfahren der Schaltschwelle
X 12 mit abgeschaltet wird.
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Das Zu- und Abschalten der anderen Wärmequellen würde analog geschehen.
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Es besteht nur noch die Möglichkeit, daß Wärmequellen gleicher Leistung
gewählt werden, hierbei müßte von der Kodiereinrichtung 77 eine Zwangsauswahl der
Wärmequellen beim Ein-und Ausschalten vorgenommen werden. Das heißt, die Kodiereinrichtung
müßte zunächst das Undglied 41, anschließend das Undgl-ied 47 aktivieren und so
weiter. Bei einer minimalen Wärmeanforderung würde zunächst die an das Undglied
41 angeschlossene Wärmequelle arbeiten. Erreicht die Regelgröße hierbei nicht den
Sollwert, so wird das Undglied 41 mit einem Maximumsignal beaufschlagt, also daß
die zugehörige Wärmequelle auf Maximalleistung geht. Die Wärmequelle 47 wird getaktet,
die Wärmequellen 48 und 49 sind noch verriegelt. Reicht auch diese Leistung nicht
aus, so gehen die an die Undglieder 41 und 47 schon geschlossenen Wärmequellen auf
Maximalleistung,
während die Wärmequelle, die dem Undglied 48 zugehörig
ist, getaktet wird und die Wärmequelle, die dem Undglied 49 zugehörig ist, verriegelt
wird.
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Es besteht auch die Möglichkeit, daß bei der Wahl in der Leistung
stark ungleicher Wärmequellen die erste Wärmequelle abgeschaltet wird und nur die
zweite Wärmequelle, die taktende, die Beheizung der Heizungsanlage 1 übernimmt.
Würde die Wärmequelle 9 diese Leistung nicht schaffen, so würde über das Undglied
48 die nächst größere Wärmequelle zugeschaltet werden, so daß die Wärmequellen 8
und 9 sowie die größte Wärmequelle in ihrer Ausschaltung blockiert würden.
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