DE3501429A1

DE3501429A1 - Verfahren zum regeln einer raumheizanlage

Info

Publication number: DE3501429A1
Application number: DE19853501429
Authority: DE
Inventors: George Rudich jun.; David Leonard Goshen Ind. Troup
Original assignee: Johnson Service Co
Current assignee: Johnson Service Co
Priority date: 1984-02-13
Filing date: 1985-01-17
Publication date: 1985-08-14
Also published as: NL8500064A; SE8500605L; AU576814B2; HK591A; FR2559596A1; GB2154029B; BE901712A; US4559441A; GB2154029A; JPH0235905B2; CA1233216A; SE8500605D0; GB8500756D0; CH668631A5; AU3757885A; JPS6122135A

Description

Henkel, Feiler, Hänzel & Partner 3501429 Patentanwälte

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JOHNSON SERVICE COMPANY VC straße 37

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A84-4

Verfahren zum Regeln einer Raumheiζanlage

350H29

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Steuerung oder Regelung von Raumheiz(ungs)anlagen und betrifft insbesondere ein Regelverfahren unter Verwendung mehrerer elektrischer Widerstandsheizelemente, von denen eines für die modulierte Regelung zur genauen Abstimmung der Wärmeausgangsleitung auf einen Heiz-(leistungs)bedarf geeignet ist.

Bei bekannten Anlagen ist es üblich, die gesamte Heizanlage zu aktivieren, sobald die Ist-Temperatur in einem zu beheizenden Raum um eine vorbestimmte Mindestgröße unter eine Soll(wert)-Temperatur abfällt. Es ist bekannt, daß thermostatische Regelungen dieser Art unweigerlich eine Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt des Anstiegs der Ist-Temperatur im Raum auf den Sollwert und dem Zeitpunkt, zu dem das Thermostatelement diesen Temperaturanstieg zu messen vermag, einführen. Ähnlich zeigt die thermostatische Vorrichtung typischerweise eine Verzögerung bei der Messung dann, wenn die Ist-Temperatur unter den Sollwert absinkt. Das resultierende Über- und Unterschwingen der Ist-Temperatur gegenüber der Soll-Temperatur kann für die Bewohner des Raums unangenehm sein und bedeutet zudem eine Energievergeudung.

Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems ist in der US-PS 4 379 483 beschrieben, die ein Verfahren zum Regeln von Wärmequellen unter Anwendung einer anfängliehen, proportionalen Aktivierung einer ersten(Wärme-)-Quelle zum Inhalt hat. Wenn diese Quelle den Wärmebedarf nicht zu befriedigen vermag, wird sie voll aktiviert, worauf eine zweite (Wärme-)Quelle proportional aktiviert, d.h. zugeschaltet wird. Diese Sequenz wird fortgesetzt, bis die Wärmequelle(n) genügend Wärme entwickelt (entwickeln), um dem Bedarf zu entsprechen. Wenn nach der anfänglichen Betätigung oder Aktivierung

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die Ist-Raumtemperatur um mehr als etwa 0,8⁰C (1,5°F) unter der Soll-Temperatur liegt, werden alle Wärmequellen aktiviert und aktiviert gehalten, bis die Ist-Temperatur auf eine Größe innerhalb von etwa 0,5⁰C (1°F) der Soll-Temperatur angestiegen ist. Zu diesem Zeitpunkt werden alle Wärmequellen abgeschaltet, worauf die beschriebene proportionale Aktivierung eingeleitet wird. Die Raumtemperatur muß jedesmal dann einen vollen Temperaturanstiegs- und -abfallzyklus durchlaufen, wenn eine Wärmequelle von der proportionalen auf die voll aktivierte Regelung umgeschaltet werden soll.

Obgleich derartige Regelverfahren bisher als zufriedenstellend angesehen wurden, können sie mit bestimmten Mangeln behaftet sein. Insbesondere erfordern sie die Aktivierung (energization) aller Wärmequellen, sofern nicht die Ist-Raumtemperatur innerhalb eines vorbestimmten Näherungsbereichs an der Soll-Raumtemperatur liegt. Weiterhin bedingen sie eine Anzahl periodischer Auswanderungen der Ist-Raumtemperatur. Beides kann aber für die Bewohner unangenehm sein und zudem eine Energievergeudung bedeuten.

Ein Verfahren zum Regeln einer Heizanlage, mit dem die Heiz- oder Wärmequellen nach Maßgabe der Größe der Differenz zwischen Ist- und Soll-Temperatur genau aktiviert werden können, würde einen deutlichen technischen Fortschritt darstellen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Heizanlagen-Regelverfahrens, bei dem Heizquellen auf der Grundlage einer Berechnung der für die Erhöhung der Ist-Raumtemperatur auf eine Soll-Temperatur erforderliehen Gesamtzahl von Heizelementen aktiviert werden, wobei eines der Widerstands-Heizelemente für modulierte Regelung durch intermittierende Aktivierung geeignet ist.

Bei diesem Verfahren soll die Gesamt-Wärmeausgangsleistung einer Gesamtzahl von Widerstands-Heizelementen in Inkremente aufgelöst werden, die nicht größer sind als ein kleiner Prozentsatz dieser Gesamtleistung. Zudem soll dabei nur ein einziges Widerstands-Heizelement für modulierte intermittierende Aktivierung geeignet oder angepaßt sein.

Bei diesem Verfahren soll zudem ein Unter- und Überschwingen der Raumtemperatur praktisch verhindert werden.

Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines solchen Heizanlagen-Regelverfahrens, bei dem die Gesamtzahl der zu aktivierenden Widerstands-Heizelemente eine Funktion der in Temperaturgraden ausgedrückten Bandbreite eines Heiz(ungs)regelbands oder -bereichs und der Zahl der einzelnen, in der Anlage enthaltenen Widerstands-Heizelemente ist.

Gegenstand der Erfindung ist damit ein Verfahren zum Regeln einer Raumheizanlage mit mehreren elektrischen Widerstands-Heizelementen, bei dem die Gesamtzahl (aggregate number) der Widerstands-Heizelemente berechnet wird, die zur Erhöhung der Ist-Temperatur in einem Raum auf eine Soll(wert)-Temperatur aktiviert bzw. an Spannung gelegt werden müssen. Diese Gesamtzahl kann ganzzahlige Komponenten und Bruchkomponenten enthalten. Eines der Heizelemente, als geregeltes Heizelement bezeichnet, ist sowohl für kontinuierliche Aktivierung als auch für modulierte Regelung durch intermittierende Aktivierung ausgelegt. Eine Gruppe zweiter Widerstands-Heizelemente, die für kontinuierliehe, stufenweise Aktivierung geeignet sind, enthält eine der ganzzahligen Komponente entsprechende Zahl von Heizelementen. Die Aktivierung der diese Gruppe

umfassenden Heizelemente erfolgt vorzugsweise sequentiell nach Ablauf einer vorgewählten Zwischen(stufen)-Zeitverzögerung zwischen der Aktivierung des geregelten Heizelements und des ersten Heizelements der Gruppe. Auf ähnliche Weise werden Zeitverzögerungen (Verzugszeiten) zwischen den Aktivierungszeitpunkt des ersten Heizelements der Gruppe und den Aktivierungszeitpunkt der folgenden Heizelemente der Gruppe eingeschaltet.

Die Gesamt- oder Totalzahl wird wiederholt neu berechnet, und die die Gruppe der zweiten Heizelemente bildenden Heizelemente werden aufeinanderfolgend in einer der ganzzahligen Komponente gleichen Zahl (quantity) aktiviert. Das geregelte Heizelement wird während einer mittleren Zeit oder Durchschnittszeit aktiviert, die der Bruch(zahl)komponente gleich ist. Wenn sich die Ist-Temperatur der Soll-Temperatur nähert, so daß die ganzzahlige Komponente zu Null wird, werden alle Heizelemente der Gruppe abgeschaltet; wenn die Ist-Temperatur der Soll-Temperatur gleich ist, wird auch das geregelte Heizelement abgeschaltet.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Luftführungsanlage, deren Raumheizanlagenteil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren regelbar ist,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Leistungskennlinien der Raumheizanlage nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein Schaltbild einer Schaltung zur Verwendung in Verbindung mit einem der Widerstands-Heizelemente der Raumheizanlage nach Fig. 1.

Ein besseres Verständnis des Verfahrens gemäß der Erfindung wird begünstigt durch die Beschreibung einer typischen Luftführungsanlage (air handling unit) der verbreitet industriell und kommerziell angewandten Art. Die Luftführungsanlage 10 gemäß Fig. 1 enthält eine Einlaßleitung 11 zum Einführen von Außenluft in einen zu erwärmenden Raum 13, eine Abführ- oder Auslaßleitung 15 und eine verbindende Mischleitung 17.

In der Luftführungsanlage 10 befinden sich Schieber oder Klappen 19 zur Regelung des Luftstroms, während ein Gebläse 21 dazu dient, die Luft in Bewegung zu versetzen. Innerhalb der Einlaßleitung 11 befinden sich Sensoren oder Meßfühler 23, 25 und 27 zur Lieferung von Signalen, welche die Außenlufttemperatur, die Mischlufttemperatur bzw. die Abführlufttemperatur angeben. Die Luftführungsanlage 10 enthält weiterhin eine Raumheizanlage 29 mit einer Anzahl elektrischer Widerstands-Heizelemente 31, die im aktivierten bzw. an Spannung gelegten Zustand die die Einlaßleitung 11 zum Raum 13 hin durchströmende Luft erwärmen. Ein Raum- oder Zonen-Temperaturfühler 33 innerhalb des Raums 13 vermag ein die im Raum 13 herrschende Ist-Lufttemperatur angebendes Signal zu erzeugen. Die den Zonen-Temperaturfühler 33 enthaltende Anordnung kann auch eine Vorrichtung 35 zum Wählen oder Einstellen einer im Raum 13 aufrechtzuerhaltenden Soll-Temperatur und zur Lieferung eines für diese Soll-Temperatur repräsentativen Signals aufweisen.

In der graphischen Darstellung von Fig. 2 ist auf einer waagerechten Achse 37 eine Reihe (continuum) von Ist-Temperatur innerhalb eines Raums aufgetragen. Eine lotrechte Achse 39 schneidet die waagerechte Achse 37 an einer einer Soll-Temperatur, die durch einen Bewohner des Raums gewählt werden kann, entsprechenden Stelle. Über der waagerechten Achse 37

sind, auf die lotrechte Achse 39 bezogen, graphisch eine Anzahl von Regelbereichen 41 und Totbereichen 43 dargestellt. Der Fig. 2 entsprechende Darstellungen werden von Fachleuten auf dem Gebiet des Heizungsanlagenbaus verbreitet benutzt, um die Art und das Ausmaß der Temperatur-Korrekturwirkung anzugeben, die bei einer bestimmten Anlage nach Maßgabe verschiedener Faktoren, einschließlich etwaiger Differenzen zwischen Ist- und Soll-Temperatur, vorliegen; für die vorliegende Beschreibung sind nur die links der lotrechten Sollwert-Achse 39 angegebenen Bereiche relevant. Obgleich nicht unbedingt erforderlich, ist es nicht unüblich, daß ein Heizungsanlagenkonstrukteur einen Heizungs-Totbereich 43a als Leistungsfunktion einfügt. In diesem Fall, d.h. in diesem Bereich, wird dem Raum 13 keine Wärme zugeführt, auch wenn die Ist-Temperatur geringfügig unter der Soll-Temperatur liegt. Falls jedoch die Ist-Temperatur unterhalb der linken lotrechten Achse 45 des Heizungs-Totbereichs 43a liegt, werden je nach der in Temperaturgraden ausgedrückten Differenz zwischen der Temperatur, die durch den Schnittpunkt der Achse 45 mit der waagerechten Temperaturachse 37 repräsentiert wird, und der Ist-Raumtemperatür ein oder mehrere elektrische Widerstands-Heizelemente 31 aktiviert, d.h. an Spannung geJegt. Bei der beispielhaften Darstellung ist vorausgesetzt, daß die Raumheizanlage vier elektrische Widerstands-Heizelemente umfaßt, deren zyklische oder periodische Betätigung jeweils durch rechteckige Hüllkurven 47, 49, 51 und 53 veranschaulicht ist. Bisherige Anlagen dieser Art sind so ausgelegt, daß dann, wenn die Ist-Temperatur durch eine einen Punkt A schneidende lotrechte Achse wiedergegeben wird, entweder zwei oder drei Widerstands-Heizelemente 31 aktiviert werden, obgleich ein genaueres, energiesparendes Regelverfahren erfordern würde, daß effektiv und idealerweise

nur etwa 2,5 Heizelemente zum Einsatz kommen sollen. In der Praxis kann die tatsächliche Zahl der Widerstands-Heizelemente 31 in einer bestimmten Luftführungsanlage 10 je nach deren Größe bzw. Abmessungen von einer Mindestzahl entsprechend einem Heizelement bis zu zwölf oder mehr Heizelementen variieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Durchführung beim Zonenzustandsregler mit FoIge-Steuereinheit gemäß DE-OS 34 90 205.8, auf die hiermit Bezug genommen wird. Der in dieser DE-OS beschriebene Zonenzustandsregler ist ein mikroprozessorgestütztes Gerät, das Meßfühlersignale abzunehmen vermag, die unter anderem die Ist-Temperatur der Luft in einem

¹^ Raum, die Soll-Temperatur und die Abführlufttemperatur angeben. Die in Fig. 1 dieser DE-OS dargestellte Recheneinheit 55, ebenfalls eine mikroprozessorgestützte Anordnung, kann benutzt werden, um eine Impulsbreitenmodulation der in Fig. 3 dieser DE-OS dargestellten elektronischen Schaltung 57 durchzuführen. Die Schaltung 57 gemäß dieser DE-OS umfaßt eine Leitung 59, die mit dem Stift 11 (PC2) des Mikroprozessors in der Recheneinheit 55 verbunden ist, sowie zwei Ausgangsklemmen 60 zum Anlegen des 20 mA-Ausgangssignals an die Klemmen 61 einer Lastregelschaltung 63. Wenn diese Verbindung zwischen der Schaltung 57 und dem Stift 11 hergestellt ist, wird bzw. ist der Verbindungsdraht zwischen den Elementen R18 und R53 entfernt. Die Lastregelschaltung 63 weist zwei Leistungs- oder Netzklemmen 65 für den Anschluß an die Wechselspannungsleitung und eines der Heizelemente 3b, als erstes geregeltes Heizelement bezeichnet, sowie eine optisch gekoppelte Nullspannung-Triggerschaltung 67 auf, um einen Leistungs-Triac, gegensinnig gepolte siliziumgesteuerte Gleichrichter oder deren funktionelle Äquivalente das angeschlossene, erste geregelte Heizelement 31a selektiv aktivieren bzw. an Spannung legen

zu lassen. Wahlweise kann zur Gewährleistung geringfügig niedrigerer Fertigungskosten die Triggerschaltung 67 mit dem Leistungs-Triac durch ein Festkörperrelais 69 eines handelsüblichen Typs (Crydom type
D2425) ersetzt werden.

Ein besseres Verständnis des erfindungsgemäßen Regelverfahrens ergibt sich auch auf der Grundlage der Voraussetzung, daß zum Zeitpunkt eines anfänglichen Bedarfs für Wärmezufuhr bestimmte beispielhafte Bedingungen vorliegen. (Im folgenden sind die Temperaturen jeweils in "Grad-Fahrenheit" angegeben. Entsprechende Celsius-Angaben - sofern umrechenbar - sind je-

weils in Klammern angegeben). Es sei angenommen, daß die Zonen- oder Raum-Soll-Temperatur 70⁰F (21,1°C) beträgt und daß in der Anlage keine Vorkehrungen für
einen Heizung-Totbereich vorgesehen sind. Bei graphischer Darstellung auf ähnliche Weise wie in Fig. 2

würde die lotrechte Achse 45 mit der rechten lotrechten Grenzachse 39 des Heizregelbereichs 41 koinzidieren. Weiterhin sei angenommen, daß der Heizregelbereich 41 eine Bandbreite, in Temperaturgraden ausgedrückt, von 10⁰F (ungefähr 5,5°C) aufweist; diese

Temperaturbandbreite ist durch den waagerechten Abstand zwischen rechter und linker Grenzlinie 45 bzw. 71 dargestellt. Ferner sei vorausgesetzt, daß die Luftführungsanlage 10 vier Widerstands-Heizelemente enthält, nämlich drei Heizelemente 31 und ein geregeltes Heizelement 31a, und daß die Ist-Temperatur im Raum
13 63,75°F beträgt. Ein Merkmal der in der genannten DE-OS beschriebenen Einheit 55 (sequence panel) besteht darin, daß ihr Mikroprozessor so programmiert
sein kann, daß er die Bandbreite des Heizung-Regelbereichs 41 und weiterhin auch die Zahl der in die Luftführungsanlage 10 eingebauten Widerstands-Heizelemente erkennt bzw. festzustellen vermag. Die Einheit 55 verteilt daraufhin die Heizwirkung oder -leistung

der Widerstands-Heizelemente 31, 31a gleichmäßig über den Heizung-Regelbereich 41.

Der Anlagenregler 73 (gemäß der genannten DE-OS) berechnet nach Empfang der die Ist- und Soll-Temperaturen angebenden Signale die kombinierte Zahl oder Gesamtzahl (aggregate number) der Widerstands-Heizelemente 31, 31a, die aktiviert werden müssen, um die im Raum 13 herrschende Ist-Temperatur auf die Größe der Soll-Temperatur anzuheben. Unter den vorstehend vorausgesetzten und in Fig. 2 als Punkt A graphisch dargestellten allgemeinen Bedingungen beträgt diese Gesamtzahl 2,5; dabei entspricht "2" der durch die Hüllkurven 47 und 49 dargestellten ganzzahligen Komponente, während "0,5" die durch die halbe Weite der Hüllkurve 51 wiedergegebene Bruchkomponente darstellt. Wenn der Regler 73 weiterhin zum Zeitpunkt der Initialisierung feststellt, daß keine Widerstands-Heizelemente 31, 31a aktiviert sind, liefert er einen Befehl, welcher die Einheit 55 veranlaßt, das geregelte Heizelement 31a und eine Gruppe zweiter Heizelemente 31 zu aktivieren, und zwar die letzteren in einer Folge nach Ablauf vorgewählter Zwischenstufen-Zeitverzögerungen. Diese Gruppe enthält eine Anzahl von Heizelementen 31 entsprechend der ganzzahligen Komponente, d.h. 2 im beispielhaft angenommenen Fall. Hierauf wird Wärme in den Raum 13 eingeführt, bis die Ist-Temperatur darin ansteigt und sich dem Sollwert nähert. Der Regler 63 berechnet wiederholt die Gesamtzahl erneut, um damit das geregelte Heizelement 31a für eine sich verkürzende mittlere bzw. Durchschnittszeit aktiviert zu halten. Wenn sich die Gesamtzahl im angenommenen Beispiel über 2,0 auf z.B. 1,95 verringert, deaktiviert die Einheit 55 eines der beiden vorher an Spannung gelegten Heizelemente in der Gruppe bei gleichzeitiger intermittierender Aktivierung des geregelten Heizelements

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31a für 95% der gewählten oder eingestellten Taktzeit. Die intermittierende Aktivierung findet für einen sich verringernden Prozentsatz jeder Taktzeit statt, bis die Ist-Temperatur der Soll-Temperatur gleich ist; an diesem Punkt wird das erste Heizelement 31a deaktiviert.

Diese Betätigungs- oder Betriebsart ist in Fig. 2 graphisch veranschaulicht, die für die beispielhafte Heizanlage 29 mit vier Widerstands-Heizelementen die Betriebskurven bzw. Kennlinien für das geregelte Heizelement der Stufe 4 (Hüllkurve 53) und diejenigen der Heizelemente der Stufen 1 bis 3 (Hüllkurven 47, 49 bzw. 51) wiedergibt, wobei die ersten beiden dieser (letzteren) Heizelemente im angenommenen Beispiel die zweite Heizelement-Gruppe bilden. Hierbei ist ein anfänglicher Befehl aufgrund der Berechnung einer Gesamtzahl von 2,5 durch den Punkt A dargestellt. Unter diesen Bedingungen werden die Stufen 1 und 2, vorzugsweise stufenweise bzw. sequentiell, aktiviert, während die Stufe 4 für 50 % der gewählten Periode oder Taktzeit intermittierend aktiviert wird. Wenn sich die Ist-Temperatur der Soll-Temperatur nähert, verringert sich der Prozentsatz der Taktzeit, während welcher die Stufe 4 aktiviert ist, auf die durch das Gefälle der Linie 75 angegebene Weise. Bei Erreichen einer durch die Gesamtzahl 1,95 angegebenen Differenztemperatur, die allgemein durch den Punkt B bezeichnet ist, werden die Stufe 2 deaktiviert und die Stufe 4 während 95 % jeder Taktzeit aktiviert.

Eine auf diese Weise erfolgende Regelung erlaubt die genaue Zufuhr nur der für die Erhöhung der Raumtemperatur erforderlichen Wärmemenge und läßt die Ist-Temperatür sich dem Sollwert praktisch asymptotisch nähern, ohne über oder unter die Soll-Temperatur hinaus zu schwingen. Beim vorstehend umrissenen Verfahren wird

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jedes der Heizelemente 31, welche die Gruppe der zweiten Widerstands-Heizelemente bilden, nach Ablauf einer Zwischenstufen-Zeitverzögerung im Anschluß an die Aktivierung des geregelten Widerstands-Heizelements 31a oder gegebenenfalls des vorhergehenden oder vorgeschalteten Heizelements in der Gruppe aktiviert. Der Grund für diese sequentielle Aktivierung liegt darin, daß diese Verzögerungen die Verhinderung eines Kurzschließens (short cycling) von Kontaktgebern begünstigen und es dem Zonenregler 73 erlauben, die Wirkung der Aktivierung einer Stufe vor der Aktivierung der nächsten Stufe festzustellen. Weiterhin kann die örtliche Kraftwerksgesellschaft möglicherweise Beschränkungen bezüglich der maximalen Lasterhöhung, die auf einer Leitung zu einem vorgegebenen Zeitpunkt vorgenommen wird, vorgeben.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel werden keine Zwischenstufen-Zeitverzögerungen angewandt. Der Anlagenregler 73 berechnet wiederum die Gesamtzahl der Widerstands-Heizelemente 31, 31a, die aktiviert werden müssen, um die Ist-Temperatur im Raum 13 auf die Größe der Soll-Temperatur zu erhöhen. Der Regler 73 liefert daraufhin einen Befehl, der die (Folgesteuer-)-Einheit 55 veranlaßt, das geregelte Heizelement 31a intermittierend während einer mittleren oder Durchschnittszeit zu aktivieren, die der Bruchkomponente gleich ist. Gleichzeitig wird eine Gruppe zweiter Heizelemente kontinuierlich aktiviert, wobei diese Gruppe eine der ganzzahligen Komponente entsprechende Zahl von Heizelementen 31 umfaßt. Die Gesamtzahl wird wiederholt neu berechnet, und die Heizelemente 31 dieser Gruppe werden aufeinanderfolgend deaktiviert, während sich die ganzzahlige Komponente der Größe 0 annähert und schließlich zu 0 wird. Das geregelte Heizelement 31a wird weiterhin intermittierend für eine Durch-

schnittszeit aktiviert, die der Bruchkomponente gleich ist. Wenn die Ist-Temperatur die Soll-Temperatur erreicht hat, wird auch das geregelte Heizelement 31a deaktiviert.

Die Berechnung der Gesamtzahl (aggregate number) der Widerstands-Heizelemente 31 und 31a erfolgt vorzugsweise durch Wählen einer in Temperaturgraden ausgedrückten Bandbreite BW eines Heizung-Regelbereichs Im angenommenen Beispiel beträgt diese Bandbreite 10⁰F. Die Bandbreite wird dann in mehrere Inkremente unterteilt, die jeweils eine Inkrement- bzw. Teilbreite in Temperaturgraden besitzen. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht die Zahl der Inkremente der Zahl N von in der Anlage vorhandenen Widerstands-Heizelementen 31 und 31a (im vorliegenden Fall vier Heizelemente), und die Bandbreite jedes Inkrements beträgt dabei BW dividiert durch N_r, d.h. 2,5°F. Die in Temperaturgraden angegebene Differenz zwischen SoIl- und Ist-Temperatur wird sodann bestimmt, und diese Differenz (im vorliegenden Fall 6,25°F) wird durch die Inkrementbreite von 2,5°F dividiert, um die Gesamtzahl der Heizelemente von 2,5 zu erhalten.

Für den Fachmann ist offensichtlich, daß die Raumheizanlage über einen Heizung-Proportionalregelbereich 41 geregelt werden kann, der eine Funktion der Abführlufttemperatur (DA) und nicht eine Funktion der Raumtemperatur ist. In diesem Fall wird in einem breiten Abführluft-Proportionalband eine Abführlufttemperatur auf z.B. 70⁰F für eine Raum-Soll-Temperatur von 7O⁰F (21,1°C) und auf 140⁰F für eine Raumtemperatur von 60⁰F (15,6°C) geregelt oder eingestellt, unter Voraussetzung eines auf Raumtemperatur bezogenen Proportionalbands einer Bandbreite BW von 10⁰F. Eine genauere Regelung und eine bessere Energieeinsparung werden

jedoch dann erzielt, wenn ein inkrementelles Abführluft-Proportionalband mit einer Bandbreite gewählt wird, die wesentlich kleiner ist als die weite Bandbreite von 70⁰P (140⁰F - 7O⁰F); bevorzugt wird eine inkrementelle Bandbreite im Bereich von 15°F - 30⁰F. Mittels einer Regelmaßnahme, die eine Funktion der durch einen Meßfühler 27 erfaßten Abführlufttemperatur ist, wird vermieden, daß die Ausgangssignale des Temperaturfühlers 33 zu extrem kleinen Inkrementen oder Teilstücken aufgelöst werden müssen. Außerdem werden hierdurch Probleme vermieden, die mit der inhärenten Zeitverzögerung zwischen der Erzeugung einer bestimmten Temperatur im Raum 13 und der Fähigkeit der handelsüblichen Meßfühler, diese Temperatur zu messen oder zu erfassen, zusammenhängen. Es wird daher bevorzugt, daß das Regelverfahren auf die Abführlufttemperaturen und nicht auf die auf der Raumtemperatur beruhenden Grenzen des Heizung-Regelbereichs 41 gestützt ist.

Beim vorstehend beschriebenen Beispiel wird das erste Widerstands-Heizelement 31a intermittierend aktiviert und deaktiviert, wobei die beispielhafte mittlere Zeit oder Durchschnittszeit der intermittierenden Aktivierung gleich der Bruchkomponente 0,5 ist, d.h. 50% der Taktzeit beträgt. Bei der Auslegung der für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Ausrüstung und der erforderlichen Programme ist es wünschenswert, eine Taktzeit zu wählen, die lang genug ist, um das erste Heizelement 31a praktisch eine Betriebstemperatur erreichen zu lassen, die dennoch so kurz ist, daß die Zeitspanne, während welcher das erste Heizelement 31a aktiviert ist, nicht zu einem Temperatur-Überschwingen im Raum 13 führt. Für optimalen Betrieb kann eine Taktzeit zwischen 1 s und 30 s gewählt werden; bevorzugt wird eine Taktzeit von etwa 2 s. Vorzugsweise wird weiterhin für

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eine mit feiner Auflösung erfolgende Regelung der Raumheizanlage 29 gesorgt. Eine inkrementelle Auflösungsfähigkeit im Bereich von 0-4% gewährleistet eine allgemein annehmbare Leistung; eine Auflösung von etwa 1% wird bevorzugt. Im Hinblick darauf, daß bei Mikroprozessoren durchwegs Binärzahlen benutzt werden, sowie auf die bevorzugte Auflösung von 1% ist es zusätzlich wünschenswert, daß die Aktivierung aller (100%) Widerstands-Heizelemente 31, 31a in der Anlage 29 durch eine Binärzahl wiedergebbar ist, die eine Auflösung auf zumindest 1% zuläßt. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die kleinste Gesamt-Digitalbitzahl, die eine solche Auflösung zuläßt, gleich 128, d.h. sie entspricht der kleinsten Binärzahl, die der Zahl 100 am nächsten, aber darüber liegt. Es ist somit ersichtlich, daß die bevorzugte Taktzeit von etwa 2 s zweckmäßig im Hinblick auf die angegebene Gesamt-Bitzahl und weiterhin im Hinblick auf den Umstand gewählt werden kann, daß eine 60 Hz-Netzwechselspannung ihre Nullspannungsachse in 2s 120-mal durchläuft, wobei diese Zahl der Zahl von 128 gut angenähert ist. Außerdem dürfte ersichtlich sein, daß (damit) die Auflösung zu einem beliebigen präzisen Prozentsatz erfolgen und die gewählte Auflösung in eine beliebige Binärzahl umgesetzt werden kann. Die direkte Auflösung mittels der angegebenen Digitalbitzahl oder -zählung spart jedoch Befehlsschritte bei der Mikroprozessor-Programmierung ein.

Nachdem die Gesamtzahl berechnet und ihre Bruchkomponente bekannt ist, kann diese Komponente sodann zu einer ersten Bitzahl oder -zählung aufgelöst werden, die einen Teil der gewählten Taktzeit, während welcher das erste geregelte Heizelement 31a aktiviert werden soll, repräsentiert. Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem die Gesamtzahl zu 2,5 berechnet ist, wird das erste Widerstands-Heizelement

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31a für 50% jeder Taktzeit aktiviert, und diese Taktzeit beträgt beim bevorzugten Ausführungsbeispiel etwa 2 s. Umgesetzt in Bitzahlen (bit counts) und unter Berücksichtigung, daß 1) die vorausgesetzte Raumheizanlage 29 vier Widerstandsheizelemente 31 und 31a enthält und 2) die gesamte Anlage 29 durch eine Gesamtbitzahl von 128 dargestellt werden kann, wird das geregelte Widerstands-Heizelement 31a für eine erste Bitzahl von 16 (128 dividiert durch 4 Heizelemente; Quotient 32 multipliziert mit 50% bzw. 0,5) aktiviert und während 50% jeder Taktzeit deaktiviert, d.h. während des Teils der Taktzeit, der durch die Differenz zwischen der Quotient-Bitzahl und der ersten Bitzahl ausgedrückt ist.

Unter Zugrundelegung eines anderen Beispiels sei angenommen, daß die Raumheizanlage 29 acht Widerstands-Heizelemente 31, 31a enthält, von denen eines das geregelte

*^ Heizelement 31a ist. Weiterhin sei angenommen, daß das auf die Raumtemperatur bezogene Heizung-Proportionalregelband 41 eine Bandbreite BW von 16°F besitzt, die Soll-Temperatur 70⁰F (21,1°C) beträgt und die Ist-Raumtemperatur bei 62,5°F (17,0⁰C) liegt. Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Berechnen der Gesamtzahl betragen die Proportionalbandbreite BW 16 und die Zahl der Heizelemente N und somit die Zahl der Inkremente 8, und die Breite oder Weite jedes Inkrements ist bzw. wird zu 2°F berechnet. Da die

^ow Differenz zwischen Ist- und Soll-Temperatur 7,5°F beträgt, berechnet sich die Gesamtzahl zu 7,5 dividiert durch 2 bzw. zu 3,75. Die Gesamtzahl läßt sich dahingehend interpretieren, daß die (Folgesteuer-)Einheit 55, um die Ist-Temperatur in Übereinstimmung mit der

°° Soll-Temperatur zu bringen, anfänglich drei Heizelemente 31 in der Gruppe und weiterhin das geregelte Heizelement 31a für 75% jeder Taktzeit aktivieren muß.

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Da alle acht Heizelemente durch eine Bitzahl oder -zählung von 128 ausgedrückt sind, steht für das geregelte Heizelement 31a eine Bitzahl von 128 dividiert durch 8 bzw. von 16 Bits. Da dieses letztere Heizelement 31a für 75% jeder Taktzeit aktiviert werden soll, wird es für 12 Bits aus jeder Bitzahl von 16 aktiviert.

Bei der intermittierenden Aktivierung des ersten geregelten Heizelements 31a auf die vorstehend beschriebene Weise und bei Verwendung der mikroprozessorgestützten Ausrüstung wird bevorzugt, daß die Zufuhr von elektrischem Strom zum Heizelement 31a durch eine elektronische Schaltung 57 erfolgt, die auf digitale ° Regelsignale von der (Folgesteuer-)Einheit 55 anspricht, sowie durch eine Stromversorgungs-oder -speiseschaltung 63, welche die Aktivierung und Deaktivierung des geregelten Widerstands-Heizelements 31a nur während derjenigen kurzen Zeitspannen zuläßt, wenn die an

^O Stromklemmen 65 angeschlossene Netzwechselspannung nicht größer ist als etwa 9% ihres Spitzenwerts, d.h. etwa 12,5% ihres quadratischen Mittelwerts beträgt. Diese kurzen Zeitspannen treten offensichtlich nur dann auf, wenn die Netzwechselspannung dicht an einer

^° Nulldurchgangslinie liegt, was im Fall eines 60 Hz-Netzes pro Sekunde 120-mal der Fall ist. Ein auf diese Weise erfolgendes Schalten ist deshalb wünschenswert oder vorteilhaft, weil hierdurch die Erzeugung von störender Hochfrequenzinterferenz deutlich verringert wird.

Die folgenden Bauteile haben sich für die Realisierung der Schaltung gemäß Fig. 3 als zweckmäßig erwiesen. Sofern nicht anders angegeben, sind die Widerstands-³^ werte in Ohm, 5% Toleranz, angeführt.

x"7

Tabelle (Fig. 3)

Rl 4	51	R15	560
Rl 6	820	R17	10 k Ii-
Rl 8	47 kil	R19	360
Ql	ZN3703	Q2	GES5822
Ml	MOC3041	M2	Crydom D2425

Obgleich vorstehend nur einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind, ist die Erfindung keineswegs hierauf beschränkt, sondern weiteren Abwandlungen zugänglich.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Regeln einer Raumheizanlage mit mehreren elektrischen Widerstands-Heizelementen, dadurch gekennzeichnet, daß

eine für die Erhöhung der Ist-Temperatur in einem Raum auf eine Soll(wert)-Temperatur erforderliche, zu aktivierende Gesamtzahl (aggregate number) der Widerstands-Heizelemente berechnet wird, wobei diese Gesamtzahl eine ganzzahlige Komponente und eine Bruchkomponente (hiervon) aufweist, ein erstes geregeltes Heizelement intermittierend aktiviert (an Spannung gelegt) wird, eine Gruppe zweiter Widerstands-Heizelemente kontinuierlich aktiviert wird, wobei diese Gruppe Heizelemente in einer Zahl entsprechend der ganzzahligen Komponente enthält,

die Gesamtzahl wiederholt neu berechnet wird, die Gruppe der zweiten Heizelemente als Funktion der ganzzahligen Komponente der Gesamtzahl deaktiviert (stromlos gemacht) wird,

wobei die mittlere Zeit oder Durchschnittszeit der intermittierenden Aktivierung des ersten Heizelements der Bruchkomponente gleich ist, und das erste Heizelement deaktiviert wird, wenn die Bruchkomponente gleich Null ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Berechnungsschritt

eine in Temperaturgraden ausgedrückte Bandbreite eines Heizung-Proportional(regel)bereichs gewählt,

die Bandbreite in eine Anzahl von Inkrementen (Teilstücken) mit jeweils einer äquivalenten

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Inkrementbreite in Temperaturgraden unterteilt, die Differenz, in Temperaturgraden ausgedrückt, zwischen der Soll- und der Ist-Temperatur im Raum bestimmt und

die Differenz zur Ermittlung der Gesamtzahl der Heizelemente durch die Inkrementbreite dividiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite auf die Temperatur(en) der Abführluft (aus) der Anlage bezogen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Gruppe der zweiten Widerstands-Heizelemente bildenden Heizelemente in einer Sequenz (aufeinanderfolgend) aktiviert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

> 20 daß der Bandbreitenteilungsschritt durch Teilen der

Bandbreite durch die Zahl der elektrischen Widerstands-Heizelemente in der Raumheizanlage durchgeführt wird.

6. Verfahren zum Regeln einer Raumheizanlage mit einem ersten geregelten, für modulierte Regelung durch intermittierende Aktivierung geeigneten Widerstands-Heizelement und mehreren zweiten Widerstands-Heizelementen, dadurch gekennzeichnet, daß eine für die gesamte Heizleistung der Heizanlage repräsentative Gesamtbitzahl oder -zählung (total bit count) gewählt wird,

ein für eine im Raum aufrechtzuerhaltende Soll-Temperatur repräsentatives Signal erzeugt wird,

die Gesamtzahl der Widerstands-Heizelemente berechnet wird, die zur Erhöhung der Ist-Temperatur auf eine Größe entsprechend der Soll-Temperatur

350H29

aktiviert werden müssen, wobei diese Gesamtzahl eine Bruchkomponente enthält,

die Bruchkomponente zu einer ersten Bitzahl oder -zählung (bit count) aufgelöst wird, die für einen Teil einer Periode oder Taktzeit (cycle time), während welcher das geregelte Heizelement aktiviert werden soll, repräsentativ ist, und das geregelte Heizelement wiederholt intermittierend während der Taktzeit aktiviert wird, wobei das geregelte Heizelement während des durch die erste Bitzahl repräsentierten Teils der Taktzeit aktiviert und während des Teils der Taktzeit deaktiviert wird, der durch die Differenz zwischen der Gesamtbitzahl und der ersten Bitzahl bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl weiterhin eine ganzzahlige Komponente enthält und daß eine der ganzzahligen Komponente gleiche Zahl zweiter Widerstands-Heizelemente kontinuierlich aktiviert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Berechnungsschritt

ein für die Differenz zwischen Soll- und Ist-Temperatursignal repräsentatives Befehlssignal erzeugt,

ein für die Differenz zwischen der Gesamtzahl der zu aktivierenden Widerstands-Heizelemente und einer Gesamtzahl von jeweils tatsächlich aktivierten Widerstands-Heizelementen repräsentatives Ansprechsignal (response signal) erzeugt, ein etwaiger Fehler zwischen dem Befehlssignal und dem Ansprechsignal erfaßt und

mindestens eines der zweiten Widerstands-Heizelemente aktiviert werden und damit der erfaßte Fehler ausgeschaltet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Taktzeit mindestens 1 s und nicht mehr als 30 s beträgt.
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10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtbitzahl diejenige Binärzahl ist, die dem Produkt aus einem Multiplikanden 60 und einem Multiplikator, welcher der Zahl der Sekunden in der gewählten Taktzeit entspricht, am nächsten liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Taktzeit mindestens 1 s und nicht mehr als 30 s beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtbitzahl diejenige Binärzahl ist, die dem Produkt aus einem Multiplikanden 60 und einem Multiplikator, welcher der Zahl der Sekunden in der gewählten Taktzeit entspricht, am nächsten liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die intermittierende Aktivierung des geregelten Heizelements über eine Anzahl von nacheinander oder sequentiell auftretenden Taktzeiten wiederholt erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Taktzeit etwa 2 s und die Gesamtbitzahl 128 betragen.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die intermittierende Aktivierung des modulierten Heizelements mittels digitaler Signale erfolgt, die zu einer elektronischen Schaltung zur regel-

baren oder gesteuerten An- und Abschaltung des modulierten Heizelements an eine bzw. von einer Wechselspannungsleitung geleitet werden. 5

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung einen Triac geregelt oder steuerbar zu schalten vermag und daß das An- und Abschalten nur in kurzen Zeitspannen zugelassen wird, in denen die Wechselspannung dicht an einer Nulldurchgangslinie liegt, um damit störende Hochfrequenzinterferenz zu vermindern.