DE3415542A1 - Steuerung eines elektrischen durchlauferhitzers - Google Patents

Steuerung eines elektrischen durchlauferhitzers

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DE3415542A1 DE19843415542 DE3415542A DE3415542A1 DE 3415542 A1 DE3415542 A1 DE 3415542A1 DE 19843415542 DE19843415542 DE 19843415542 DE 3415542 A DE3415542 A DE 3415542A DE 3415542 A1 DE3415542 A1 DE 3415542A1
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Description

  • Steuerung eines elektrischen Durchlauferhitzers
  • Die Erfindung betrifft die Steuerung eines elektrischen Durchlauferhitzers mit mehreren schaltbaren Heizleistungsstufen, wobei eine Heizleistungsstufe regelbar ist.
  • Eine derartige Durchlauferhitzersteuerung ist in der DE-AS 21 54 523 beschrieben. Die schaltbaren Heizleistungsstufen werden von einem Differenzdruckschalter in Abhängigkeit von der Wasserdurchlaufmenge geschaltet.
  • Die Verwendunq eines Differenzdruckschalters begrenzt die Anzahl der schaltbaren Leistungsstufen. Dadurch müssen große Leistungen geschaltet werden. Einem haufigen Schalten großer Leistungen stehen jedoch die technischen Anschlußbedingungen (TAB) entgegen.
  • Bei marktbekannten Durchlauferhitzern ist eine grobe Stufung der Heizleistung vorgenommmen. Dies führt zu störenden Temperaturschwankungen des auslaufenden Wassers. Solche Temperaturschwankungen können mit einer nachgeschalteten thermostatisch gesteuerten Nischbatterie ausgeregelt werden. Eine solche Mischbatterie ist jedoch aufwendig.
  • In der älteren Patentanmeldung P 33 04 322 ist eine feinstufige Steuerung der Heizleistung vorgeschlagen. Hierfür sind die Heizkörperleistungen nach dem binären Schema 20, 21, 22, 23... abgestuft. Hierbei können sich stark unterschiedliche Belastungen der Phasen des Drehstromnetzes ergeben, an das der Durchlauferhitzer angeschlossen ist. Auch dies ist unerlxnscht.
  • In der älteren Patentanmeldung P 33 21 521 ist eine Durchlauferhitzersteuerung beschrieben, durch die mittels zahlreicher Schalter eine gleichmäßigere Netzbelastung möglich ist. Die Schalter werden in Abhängigkeit von der Durchflußmenge geschaltet. Eine solche durchflußmengenabhängige Steuerung ist ungünstig, da sie von Schwankungen des Drucks des Wassernetzes abhängt und einen erheblichen Wasserdruckabfall im Durchlauferhitzer zur Folge hat.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Durchlauferhitzersteuerung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit der sich auch bei unterschiedlichen Durchflußmengen eine gelQnschte Solltemperatur des auslaufenden Wassers einstellt.
  • Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Steuerung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in einer Steuerphase beim Heizbeginn die Heizleistung fast bis an eine durch Messungen der Einlauftemperatur und der Temperaturerhöhung der Auslauftemperatur pro Zeiteinheit ermittelte Sollheizleistung herangeschaltet wird, die zum Erreichen der Solltemperatur bei der vorliegenden Durchflußmenge und Einlauftemperatur nötig ist, und daß in einer nachfolgenden Regelphase die Auslauftemperatur der Solltemperatur durch die regelbare Heizleistungsstufe nachgeführt wird.
  • Die Temperaturerhöhung der Auslauftemperatur pro Zeiteinheit sowie die im Augenblick geschaltete Heizleistung sind ein Maß für die Durchflußmenge. Ein die Durchflußmenge messender Differenzdruckschalter erübrigt sich deshalb. Dies hat folgende Vorteile: a) Das Erreichen der Solltemperatur ist unabhängig von der Durchflußmenge. Deshalb ist bei der Bedienung nur die gewünschte Solltemperatur vorzuwählen.
  • b) Da nur Temperatur- und Leistungsmessungen erfolgen, kann dem Durchlauferhitzer auch vorerwärmtes Wasser zugeführt werden. Dies ist beispielsweise günstig, wenn Warmwasser aus einer Solaranlage oder einer Wärmepumpe zur Verfügung steht.
  • c) Im Durchlauferhitzer tritt nur ein geringer Wasserdruckverlust auf.
  • d) Auch kleine Durchflußmengen sind mit Solltemperatur zapfbar, da kein Mindestdifferenzdruck zum Einschalten der Heizkörper nötig ist.
  • Das Heranführen der Heizleistung an die Solleistung bringt den Vorteil einer geringen Schalthäufigkeit und macht es möglich, daß in der Regelphase nur noch eine im Vergleich zur Alaximalleistung kleine Heizleistung zu regeln ist.
  • Die Vorteile der Regelung bestehen insbesondere darin, daß eine eingestellte Solltemperatur exakt, bis beispielsweise auf i1 Kmöglich ist. Eine Mischbatterie erübrigt sich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird beim Heizbeginn im wesentlichen die maximale Heizleistung unabhängig von der Durchflußmenge eingeschaltet und vor Erreichen der Solltemperatur wird auf eine Heizleistung heruntergeschaltet, die etwa um die regelbare Leistung kleiner als die Solleistung ist. Dadurch ist erreicht, daß die Auslauftemperatur sehr schnell in den Bereich der Solltemperatur kommt, Hiermit kann eine Energieeinsparung verbunden sein, da dem Benutzer Wasser mit der gewünschten Temperatur schnell zur Verfügung gestellt wird. Günstig dabei ist auch, daß in der Steuerphase nur eine Leistungsschaltung vorgenommen werden muß. Es wird nach der Ermittlung der Solleistung verglichen, um wieviel größer die eingeschaltete Heizleistung als die Sollheizleistung ist. Ist die Differenz dieser Leistungswerte nur noch gleich oder kleiner als der Regelbereich der regelbaren Heizleistung, dann übernimmt diese die weitere Heizung.
  • Vorzugsweise wird in der Steuerphase die Temperaturerhöhung pro Zeiteinheit der Auslauftemperatur zyklisch gemessen, wobei die Zeiteinheit klein gegenüber der Zeit ist, in der eine Solltemperatur erreichbar ist.
  • Die obige Aufgabe läßt sich bei einer Steuerung der eingangs genannten Art auch dadurch lösen, daß in einer Steuerphase beim Heizbeginn die maximale Heizleistung unabhängig von der Durchflußmenge eingeschaltet wird und daß die Temperaturerhöhung pro Zeiteinheit der Auslauftemperatur zyklisch gemessen wird und daß dann, wenn bei dieser Temperaturerhöhung pro Zeiteinheit in der oder den nächsten Zeiteinheiten die Solltemperatur überschritten würde, die Heizleistung heruntergeschaltet wird und daß dann, wenn die Auslauftemperatur nur noch wenig niedriger als die Solltemperatur ist, in einer nachfolgenden Regelphase die Auslauftemperatur der Solltemperatur durch die regelbare Heizleistungsstufe nachgeführt wird. Auch bei dieser Steuerung lassen sich die obengenannten Vorteile im wesentlichen erreichen.
  • In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Steuerung * mittels eines Mikroprozessors bzw. Mikrocomputers.
  • Vorzugsweise sind die Heizkörper des Durchlauferhitzers im Dreieck geschaltet und in jedem Dreieckszweig liegen mehrere Heizkörper parallel. Die Heizkörperleistungen sind in jedem Zweig binär abgestuft und der regelbare heizkörper ist in einem der Dreieckszweige den anderen Heizkörpern parallelgeschaltet.
  • * und die Regelung Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen: Figur 1 ein Schaltbild der Steuerung eines elektrischen Durchlauferhitzers und Figur 2 den Aufbau des Durchlauferhitzers schematisch.
  • Am Drehstromnetz R, S, T liegen in Dreieckschaltung drei Heizkörpergruppen 1, 2 und 3. Die Heizkörpergruppen 1, 2 weisen je drei parallelgeschaltete Heizkörper 4, 5 und 6 bzw. 7, 8 und 9 auf. In der Heizkörpergruppe 3 sind vier Heizkörper 10, 11, 12 und 13 parallelgeschaltet. Die Heizleistungen der Heizkörper der Gruppen 1 und 2 und die Heizleistungen dreier Heizkörper der Heizkörpergruppe 3 sind binär gestuft und untereinander gleich. So weisen beispielsweise die Heizkörper 4, 7 und 10 eine Leistung von je 1 kW, die Heizkörper 5, 8 und 11 eine Leistung von je 2 kW und die Heizkörper 6, 9 und 12 eine Heizleistung von je 4 kW auf.
  • Jedem der Heizkörper 1 bis 12 ist ein Schalter 14 vorgeschaltet. Der Heizkörper 13 weist eine Heizleistung von 2 kW auf. Er ist über eine Schwingungspaketsteuerung 15 wenigstens in seinem Leistungsbereich zwischen 0 kW und 2 kW stufenlos steuerbar.
  • Die Schalter 14 und die Schwingungspaketsteuerung 15 sind an eine Ausgabelogik 16 eines Mikroprozessors 17 angeschlossen. Mit dem Mikroprozessor 17 ist eine Sollwerteingabeeinrichtung 1 8 verbunden.
  • Die Heizkörper 4 bis 12 sind in einem Wasserbehälter 19 eines Durchlauferhitzers untergebracht. An den Wasserbehälter 19 ist eine Kaltwasser-Einlaufleitung 20 und eine Warmwasser-Auslaufleitung 21 angeschlossen. Vor der Auslaufleitung 21 ist im Wasserbehälter 19 ein Rohrsttick 22 angeordnet. In dieses ragt der Heizkörper 13.
  • Dadurch hat er eine direkte Finwirkung auf das auslaufende Wasser. Nahe bei der Einlaufleitung 2Q ist ein Temperaturfühler 23 angeordnet, der über A/D-Wandler 24 mit dem Nikroprozessor 17 verbunden ist. Im Rohrstück 22 bei der Auslaufleitung 21 ist ein Temperaturfuhler 25 angeordnet, der über einen A/D-Wandler 26 mit dem Mikroprozessor 17 verbunden ist.
  • Die Ausgabelogik 16 ist so ausgelegt, daß dann, wenn der Mikroprozessor 17 die in der folgenden Tabelle in der Spalte B angegebene Heizleistung anfordert, die in den Zeilen mit "x" angegebenen Heizkörper 4 bis 12 eingeschaltet werden. Wie der Tabelle zu entnehmen, ist der Heizkörper 13 nur bei der Maximalleistung von 23 kW mit 2 kW voll eingeschaltet. In den anderen Schaltzuständen arbeitet er unter Nennbedingungen mit der halben Leistung, also mit 1 kW, wobei er entsprechend der Abweichllng der Isttemperatur von der Solltemperatur zwischen 0 kW und 2 kW geregelt wird.
  • Tabelle
    Heizkörper | 10 | 11 | 12 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
    kW 1 2 4 1 2 4 1 2 4 1) 0-2
    PkW
    1 1 1/2
    2 x 1 1/2
    3 x x 0 1/2
    4 x x x 1 1/2
    5 x x x 1 1/2
    6 x x x 0 1/2
    7 x x x 1 1/2
    8 x x x x 1 1/2
    9 x x x x x 0 1/2
    10 x x x x x x 1 1/2
    11 X x x x x 1 1/2
    12 x x x x 0 1/2
    13 x x x 1 1/2
    14 x x x x 1 1/2
    15 x x x x | x c ) 1/2
    16 x x x x x x 1 1/2
    17 x x x x x x 1 1/2
    18 x x x x x x 0 1/2
    19 x x x x x x 1 1/2
    20 x x x x x x x 1 1/2
    21 x x x x x x x x x 0 1/2
    22 x x x x x x x x x 1 1/2
    23 | x | x | x | x | x | x | x | x | x | 1 | 1/2
    Wie der Tabelle zu entnehmen, ist - abgesehen von der regelbaren Leistung - die Leistung in Stufen von 1 kW schaltbar.
  • In der Spalte D der Tabelle ist die maximale Abweichung der Belastung zwischen den Phasen R, S und T angegeben.
  • Bei den Heizleistungen B von 3 kW, 6 kW, 9 kW, 12 kW, 15 kW, 18 kW und 21 k besteht keine Abweichung. Denn in allen drei Heizkörpergruppen ist jeweils die gleiche Heizleistung geschaltet. Bei den anderen Heizleistungen B besteht eine Abweichung der Belastung zwischen den Phasen R, S, T von nur 1 kW. Beispielsweise besteht bei einer Ileizleistung P von 10 kW eine Abweichung von 1 kW, weil in der Heizkörpergruppe 3 4kW und in den Heizkörpergruppen 1 und 2 je 3 kW geschaltet sind. Diese geringe Abweichung der Phasenbelastung ist ohne weiteres zulässig.
  • An die Auslaufleitung 21 ist eine Zapfstelle 27 angeschlossen. Im Griffbereich des Benutzers der Zapfstelle 27 ist ein Temperatur-Sollwerteinsteller 28 angeordnet, der elektrisch mit der Sollwerteingabeeinrichtung 18 verbunden ist. Der Benutzer kann an dem Sollwerteinsteller 28 cinstellen, ob er Kaltwasser, Warmwasser mit einer bestimmten Solltemperatur oder kochendes Wasser wünscht.
  • Der Mikroprozessor 17 fragt die Sollwerteingabeeinrichtung 18 und die Wandler 24 und 26 zyklisch ab und verarbeitet die abgefragten Werte. Er steuert die Ausgabelogik 16 dementsprechend an.
  • Ist der Sollwerteinsteller 28 beispielsweise auf 11K'altwasser " gestellt, dann schaltet der Mikroprozessor 17 bei einer Txaltwasserzapfung keinen der Heizkörper 4 bis 13 ein. Dies ist in der Praxis von erheblicher Bedeutung, da es sich dadurch erübrigt, eine Kaltwasserleitung an die Zapfstelle 27 zu führen.
  • Wird am Sollwerteinsteller 28 oder direkt an der Sollwerteingabeeinrichtung 18 eine Solltemperatur, beispielsweise im Bereich zwischen 900C und 600C eingestellt und wird die Zapfstelle 27 geöffnet, dann erhält der Mikroprozessor 17 einen Einschaltbefehl. Dieser kann entweder aus der Tatsache abgeleitet sein, daß zu Beginn einer Wasserzapfung die Temperatur im Bereich des Temperaturfühlers 23 sinkt. Zur t'rzeugung des binschaltbefehls kanii auch der Wasserfluß ausgewertet erden.
  • Auf den Einschlatbefehl hin schaltet der Mikroprozessor 17 alle Heizkörper 4 bis 13 ein, so daß mit maximaler Leistung, im Beispielsfalle mit 23 kW, geheizt wird. Der A^iRroprozessor 17 fragt dann vom Temperaturfühler 23 die Einlauftemperatur ab, die in der interessierenden Zapfzeit relativ konstant sein wird. Der Mikroprozessor 17 fragt außerdem nach kurzen Zeiteinheiten, beispielsweise ms, zyklisch die vom Temperaturfühler 25 gemessene Auslauftemperatur ab. Aus den Werten der Auslauftemperatur zu Beginn der Zeiteinheit und am Ende der Zeiteinheit ermittelt er eine Temperaturerhöhung pro Zeiteinheit.
  • Diese entspricht im wesentlichen - abgesehen von der Wärmeaufnahme des Durchlauferhitzers selbst - der durchfließenden Wassermenge. Der Mikroprozessor 17 berechnet die durchfließende Wassermenge. Sodann errechnet er je nach jedem Meßzyklus diejenige Solleistung, die nötig ist, um die errechnete Wassermenge von der Einlauftemperatur auf die Soll temperatur zu erwärmen.
  • Der Mikroprozessor 17 erfaßt außerdem zyklisch die Differenz zwischen der Solltemperatur und der Auslauftemperatur. Wenn die Sollter.lperatur nur mehr wenig grösser als die Auslauftemperatur ist, schaltet der Mikroprozessor 17 die fleizkörper von der Naximalleistung auf diejenige beistungsstufe um, die unterhalb der ermittelten Solleistung liegt. liat der Mikroprozessor 17 beispielsweise eine Solleistung von 9,5 kW ermittelt, dann schaltet er die Heizkörper 4 bis 12 auf die 9 kli-Stufe Die restliche Heizleistung erbringt dann der über die SchwingungspalSetsteuerung 15 steuerbare Heizkörper 13.
  • Dieser führt die Isttemperatur auf die Solltemperatur Durch den Heizkörper 13 werden auch Leistungstoleranzen der Heizkörper, Netzspannungsschwankungen und Wassernetzdruckschwankungen ausgeglichen.
  • Mit der beschriebenen Steuerung ist es auch möglich, geringe Wassermengen, beispielsweise unter 2,5 1/min bei niedriger Temperatur, beispielsweise 200C zu zapfen.
  • Um ein Überschwingen der Auslauftemperatur über die Solltemperatur zu vermeiden, kann der Mikroprozessor 17 die Temperaturdifferenz, bei der er von der Maximale leistung auf die errechnete Solleistung umschaltet, entsprechend anpassen.
  • Wird der Sollwerteinsteller 28 auf "Rochendwasser" gestellt, dann erfolgt über die Ausgabelogik 15 eine Anzeige, wenn der Benutzer die Durchlaufmenge zu hoch stellt. Ane optische oder akustische Anzeige erfolgt auch, wenn der Benutzer die Auslauftemperatur und die Durchlaufmenge so wählt, daß die maximale Heizleistung hierfür nicht ausreicht.
  • Durch den Einsatz eines Mikroprozessors ist es auch möglich, verschiedene Temperaturprogramme voreinzus tel -len, wie sie beispielsweise für Temperaturwecllselduscllen nach gesundheitlichen Gesichtspun1ten empfohlen sincl.
  • Der Mikroprozessor kann durch Speicherfunktionen auch zur Verkalkungsmeldung herangezogen werden. Es wird dabei dann die Tatsache erfaßt, daß bei zunehmender Verkalkung solche Heizkörper zum Erreichen der Solltemperatur nicht mehr ausreichen, die vorher in weniger verkalktem Zustand zum Erreichen der Solltemperatur in vorgegebener Zeit ausreichten.
  • Im Laufe der Zeit können die Temperaturfühler 23 und 25 ihre elektrischen Eigenschaften andern. Durch die Verwendung des Mikroprozessors 17 ist es möglich, solche Änderungen abzugleichen. Im Normalfall haben beispielsweise beide Temperaturfühler bei gleicher Temperatur den gleichen elektrischen Widerstand. Dieser kann über den Mikroprozessor nach einem länger dauernden Nichteinschalten des Durchlauferhitzers, überprüft werden. Einen dem Prüfergebnis entsprechenden Korrekturwert kann der Mikroprozessor übernehmen.
  • Uberschreitet der Korrekturwert entweder hinsichtlich der Verkalkung oder der Temperaturfühlerverstimmung einen Grenzwert, dann erfolgt eine entsprechende Anzeige.

Claims (8)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Steuerung eines elektrischen Durchlauferhitzers mit mehreren schaltbaren Heizleistungsstufen, wobei eine Heizleistungsstufe regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Steuerphase beim Heizbeginn die Heizleistun fast bis an eine durch tiessungen der Einlauftemperatur und der Temperaturerhöhung der Auslauftemperatur pro Zeiteinheit ermittelte Sollheizleistung herangeschaltet wird, die zum Erreichen der Soll temperatur bei der vorliegenden Durchflußmenge und Einlauftemperatur nötig ist, und daß in einer nachfolgenden Regelphase die Auslauftemperatur der Solltemperatur durch die regelbare Heizleistungsstufe nachgeführt.
  2. 2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsregelbereich der regelbaren Heizleistungsstufo wesentlich kleiner als die maximale Hei.zleistung ist.
  3. 3. Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Heizbeginn im wesentlichen. die maximale Heizleistung unabhängig von der Durchlaufmenge eingeschaltet wird und daß vor Erreichen der Solltemperatur auf eine iteizleistung heruntergeschaltet wird, die etwa um die regelbare Heizleistun.g kleiner als die Solleistung ist.
  4. 4. Steuerung n.ach einem der vorhergehenden sRnsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerphase die Temperaturerhöhung pro Zeiteinheit der Auslauftemperatur zyklisch gemessen wird, wobei die Zeiteinheit klein gegeniiber der Zeit ist, in der eine Solltemperatur erreichbar ist.
  5. Steuerung eines elektrischen Durchlauferhitzers mit mehreren schaltbaren Heizleistungsstufen, wobei eine Heizleistungsstufe regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Steuerphase beim Heizbeginn die maximale Ileizleistung unabhängig von der Durchflußmenge eingescl-laltet wird, daß die Temperaturerhöhung pro Zeiteinheit der Auslauftemperatur zyklisch gemessen wird, daß dann, wenn bei dieser Temperaturerhöhung pro Zeiteinheit in der oder den nächsten Zeiteinheiten die Solltemperatur überschritten würde, die Heizleistung heruntergeschaltet wird und daß dann, wenn die Auslauftemperatur nur noch wenig niedriger als die Solltemperatur ist, in einer nachfolgenden Regelphase die Auslauftemperatur der Solltemperatur durch die regelbare Heizleistungsstufe nachgeführt wird.
  6. 5, Steuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung mittels eines Mikroprozessors erfolgt.
  7. 7. Steuerung nach einen der vorhergehenden Ansprüche rlit r)reieckschaltung und mehreren parallelen Heizkörpern in den Dreieckzweigen, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkörperleistungen in jedem Zweig binär abgestuft sind und daß der regelbare Heizkörper in einem der Dreieckszweige den anderen Heizkörpern parallelgeschaltet ist.
  8. 8. Steuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der regelbare Heizkörper in einem beim Auslauf angeordneten Innenrohrstück des Durchlauferhitzers angeordnet ist.
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