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Verfahren und Einrichtung zur selbsttätigen Ermittlung der Dauer
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einer Schnellaufheizung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
und eine Einrichtung zur selbsttätigen Ermittlung der Dauer einer vor dem Ende einer
Absenkperiode durch Sollwertumschaltung der Vorlauftemperatur einer Heizung ausgelösten
Schnellaufheizung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3.
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Ein Verfahren und eine Einrichtung der genannten Art ist aus der europäischen
Patentschrift 0 013 287 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden
und eine Einrichtung zu realisieren, die es gestatten, die Dauer einer Schnellaufheizung
möglichst einfach und ohne Verwendung komplizierter, mathematischer Formeln selbsttätig
zu ermitteln, so dass das Ende der Schnellaufheizung schlussendlich optimal mit
dem Beginn der nächsten Nutzungsperiode übereinstimmt.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3 angegebenen Merkmale gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer Heizeinrichtung,
Fig. 2 ein Block-Schaltbild eines Sollwertgebers, Fig. 3 ein Block-Schaltbild eines
Gerätes zur Steuerung einer Schnellaufheizung, Fig. 4 eine Darstellung der Schnellaufheizung
in einem Raumtemperatur/Zeit-Diagramm und Fig. 5 ein Flussdiagramm zugehörig zum
in der Fig. 3 dargestellten Steuergerät.
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Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche
Teile.
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Die in der Fig. 1 dargestellte und an sich bekannte Heizeinrichtung
besteht aus einem Heizkessel 1, einem Brenner 2, einem Vorlauf 3, einem Rücklauf
4, einem Bypass 5, einer Umwälzpumpe 6, einem Mischventil 7 mit dazugehörigem Stellglied
8, einem Aussenfühler 9 zur Messung einer Aussentemperatur TA, einem Raumfühler
10 zur Messung einer Raumtemperatur TR, einem Sollwertgeber 11, einem Vorlauffühler
12 zur Messung einer Vorlauf-Istwerttemperatur TV,T, einem Regelgerät 13, einem
Pumpensteuergerät 14, einem Brennersteuergerät 15 sowie mehreren z.B. miteinander
parallel verbundenen Heizkörpern oder Heizsträngen H1 bis Hx.
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Das im Heizkessel 1 mit Hilfe des Brenners 2 erzeugte -warme Heizungswasser
durchfliesst in der angegebenen Reihenfolge das Mischventil 7, die Umwälzpumpe 6,
den Vorlauf 3, die Heizkörper bzw. die Heizsträngen H1 bis Hx und den Rücklauf 4,
um dann anschliessend teilweise zum Heizkessel 1 zurückzukehren um dort wieder aufgewärmt
zu werden.
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Bei einer aussentemperatur-geführten Heizeinrichtung ist der Aussenfühler
9 mit einem Eingang des Sollwertgebers 11 verbunden, dem ausserdem noch, falls er
eine Heizkennlinie selbsttätig anpasst, über z.B. je ein-en getrennten weiteren
Eingang die vom Raumfühler 10 gemessene Raumtemperatur TR, je eine Raum-Sollwerttemperatur
TR,l und TR,O für eine Nutzungs- bzw. Absenkperiode und ein Nutzungsprogramm Pr(t)
der Heizeinrichtung zugeleitet werden. Der Sollwertgeber 11 erzeugt mindestens eine
Heizkennlinie TV,S = f (TA), di-e bekanntlich die Abhängigkeit einer Vorlauf-Solwerttemperatur
TV S von der Aussentemperatur TA darstellt. Derjenige Ausgang des Sollwertgebers
11, an dem die Vorlauf-Sollwerttemperatur TV S erscheint, ist mit einem Sollwert-Eingang
und der Vorlauffühler 12 mit einem Istwert-Eingang des Regel gerätes 13 verbunden,
dessen Ausgang seinerseits auf einen Steuereingang des Stell-gliedes 8, z.B. eines
Stellmotors, geführt ist. Das Regelgerät 13 erz-eugt in Abhängigkeit der Sollwert/Istwert-Abweichung
TV,S - TV,I der Vorlauftemperatur TV z.B. einen impulslängenmodulierten Steuerimpuls,
der über das Stellglied 8 das Mischventil 7 mehr oder weniger stark öffnet, so dass
dementsprechend mehr
oder weniger viel kälteres Rücklaufwasser über
den Bypass 5 dem warmen Vorlaufwasser beigemischt wird und so die Vorlauf-Istwerttemperatur
TV I in der richtigen Richtung dermassen beeinflusst wird, dass die Sollwert/Istwert-Abweichung
TV S - TV,I der Vorlauftemperatur TV verkleinert und im Verlaufe der Regel zeit
vernachlässigbar klein wird.
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Der Sollwertgeber 11 besitzt noch einen weiteren Ausgang, an dem eine
Steuerspannung UH erscheint und der mit je einem Eingang des Pumpensteuergerätes
14 und des Brennersteuergerätes 15 verbunden ist. Die Steuerspannung UH schaltet
mit Hilfe der beiden Steuergeräte 14 und 15 die Heizeinrichtung von Sommer- auf
Winterbetrieb oder umgekehrt von Winter- auf Sommerbetrieb um.
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Der in der Fig. 2 dargestellte Sollwertgeber 11 besteht aus einem
Heizkurven-Einsteller 16, einem Gerät 17 zur Steuerung der Schnellaufheizung (nachfolgend
kurz Steuergerät genannt), einem Addierer 18, einer Freigabeschaltung 19 für einen
während einer Absenkperiode geltenden Sollwert TV,O der Vorlauftemperatur Tv, einer
Freigabeschaltung 20 für einen während einer Nutzungsperiode geltenden Sollwert
TV,1 der Vorlauftemperatur TV, einer Freigabeschaltung 21 für einen während einer
Schnellaufheizung geltenden überhöhten Sollwert V,l 1 der Vorlauftemperatur TV und
einer Oderschaltung 22.
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Ueber je eine Eindrahtverbindung erreichen die analogen Messwerte
der Aussentemperatur TA und der Raumtemperatur TR je einen Eingang des Heizkurven-Einstellers
16. Das Nutzungsprogramm Pr(t) besitzt einen Logikwert "1" zur Zeit der Nutzungsperioden
und einen Logikwert "0" zur Zeit der Absenkperioden. Es wird über eine Eindrahtverbindung
je einem Eingang des Heizkurven-Einstellers 16, der Freigabeschaltung 20 und des
Steuergerätes 17 sowie je einem invertierenden Eingang der Freigabeschaltungen 19
und 21 zugeführt. Es gilt die Annahme, dass die Werte der Raum-Sollwertemperaturen
TR,1 und TR,0 Digitalwerte sind, die beide über je einen Datenbus je einen weiteren
Eingang des Heizkurven-Einstellers 16 erreichen. Die Raum-Sollwerttemperatur TR,1
wird ausserdem über einen Datenbus einem weiteren Eingang des Steuergerätes 17 zugeführt.
Ein erster Ausgang des Heizkurven-Einstellers 16 ist gleichzeitig der Ausgang des
Sollwertgebers
11 für die Steuerspannung UH. Im Heizkurven-Einsteller 16 werden in Abhängigkeit
der Aussentemperatur TA, der Raumtemperatur TR, des Nutz-ungsprogramms Pr(t) und
der Raum-Sollwerttemperaturen TR,l und-- 0 die Sollwerte TV,1 und TV,O der Vorlauftemperatur
TV selbsttätig ermittelt und als Digita-l-werte- je einem Ausgang des Heizkurven-Einstellers
16 zugeführt. Der Ausgang, an dem TV 0 ansteht, ist über einen Datenbus mit einem
weiteren Eingang der Freigabeschaltung 19 verbunden, während der Ausgang, an dem
TV,1 ansteht, über einen Datenbus auf einen weiteren Eingang der Freigabeschaltung
20 und einen ersten Eingang des Addi-erers 18 geführt ist. Am zweiten Eingang des
Addierers 18 steht der Digitalwert einer Sollwertüberhöhung A TV S der Vorlauftemperatur
an. Der Ausgang des Addierers 18 ist über einen Datenbus mit einem weiteren Eingang
der Freigabeschaltung 21 verbunden. Die Ausgänge der drei Freigabeschaltungen 19,
20 und 21 sind. über je einen Datenbus auf je einen Eingang der Oderschaltung 22
geführt, dessen Ausgang über einen Datenbus mit dem -Ausgang des Sollwertgebers
11 verbunden ist. Im Heizkurven-Einsteller 16 wird unter anderem auch ein hochfrequentes,
rechteckförmiges Taktsignal CL erzeugt, das über einen weiteren Ausgang des Heizkurven-Einstellers
16 und einer Eindrahtverbindung auf einen Takteingang des Steuergerätes 1'7 geführt
ist. Der Heizkurven-Einsteler 16 wandelt den analogen Messwert der Raumtemperatur
TR in einen digitalen Wert um, der über einen letzten Ausgang des Heizkurven-Einstellers
16 und einen Datenbus einen Temperatureingang des Steuergerätes 17 erreicht.
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Das Steuergerät 17 besitzt drei Ausgänge A, B und C, die jeweils über
eine Eindrahtverbindung mit einem dritten Eingang der Freigabeschaltungen 19, 20
bzw. 21 verbunden sind. Die Freigabeschaltungen 19, 20 und 21 und die Oderschaltung
22 bestehen z.B aus sovielen dreieingängigen Und-Gattern bzw. dreieingängigen Oder-Gattern,
wie die Digitalwerte und somit a-uch die Datenbus-Verbindungen Anzahl Bit besitzen.
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Der Heizkurven-Einsteller 16 ist an sich bekannt und nicht Gegenstand
eines Anspruchs. Er wird daher nachfolgend nicht näher beschrieben.
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Der Addierer 18 addiert die beiden Digitalwerte TV,1 und ATv,5,
um
den Sollwert T'V 1 =TV,l + hT der Vorlauftemperatur TV während der Schnellaufheizung
zu bilden.
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Das in der Fig. 3 dargestellte Steuergerät 17 besteht aus einem Zeit-Zähler
23, einem Zeit-Komparator 24, einem Freigabe-Flip-Flop 25, einem Nand-Gatter 26,
einem Hochlauf-Zähler 27, einem Decodierer 28, einem Korrekturwert-Speicher 29,
einem Differenzgeber 30, einem Temperatur-Komparator 31, einem Oder-Gatter 32, einem
Umschalt-Flip Flop 33, einem Temperatur-Speicher 34, einem Hilfsspeicher 35a, einem
Zeit-Speicher 35b und einem Rechner 36.
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Der Takteingang des Steuergerätes 17 ist über eine Eindrahtverbindung
mit dem Takteingang des Zeit-Zählers 23 und einem ersten Eingang des Nand-Gatters
26 verbunden, dessen Ausgang eindrahtig auf den Takteingang des Hochlauf-Zählers
27 geführt ist. Der Eingang des Steuergerätes 17, an dem das Nutzungsprogramm Pr(t)
ansteht, ist über eine Eindrahtverbindung mit dem Lade-Eingang L des Zeit-Zählers
23 und mit dem Rückstelleingang des Umschalt-Flip Flops 33 verbunden.
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Der Ausgang des Zeit-Zählers 23 ist über einen Datenbus auf einen
ersten Eingang des Zeit-Komparators 24 geführt, dessen Ausgang eindrahtig mit dem
Takteingang des Freigabe-Flip Flops 25 verbunden ist.
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Der Ausgang des Zeit-Speichers 35b ist über einen Datenbus auf einen
zweiten Eingang des Zeit-Komparators 24 und auf den Parallel-Eingang des Hochlauf-Zählers
27 geführt. Der Q-Ausgang des Freigabe-Flip Flops 25 bildet den C-Ausgang des Steuergerätes
17 und ist gleichzeitig eindrahtig mit einem zweiten Eingang des Nand-Gatters 26
verbunden. Der Q-Ausgang des Freigabe-Flip Flops 25 bildet den A-Ausgang des Steuergerätes
17 und ist gleichzeitig eindrahtig auf den Lade-Eingang L des Hochlauf-Zählers 27
geführt, dessen Ausgang seinerseits über einen Datenbus mit dem Eingang des Decodierers
28 und dem Dateneingang des Korrekturwert-Speichers 29 verbunden ist. Der Ausgang
des Decodierers 28 ist eindrahtig auf den Takteingang des Temperatur-Speichers 34
und einen ersten Eingang des Oder-Gatters 32 geführt, während der Ausgang des Korrekturwert-Speichers
29 über einen Datenbus mit einem ersten Eingang des Rechners 36 verbunden ist. Der
Eingang des Steuergerätes 17, an dem die Raum-Sollwerttemperatur TR,1 an steht,
ist über einen Datenbus auf einen zweiten Eingang des Rechners 36
und
den Plus-Eingang des Differenzgebers 30 geführt, an dessen Minus-Eingang der Digitalwert
des Wertes T der Sollwerttoleranz ansteht.
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Der Ausgang des Differenzgebers 30 ist über einen Datenbus mit einem
ersten Eingang des Temperatur-Komparators 31 verbunden, dessen Ausgang eindrahtig
auf einen zweiten Eingang des Oder-Gatters 32 geführt ist. Der Temperatur-Eingang
des Steuergerätes 17 ist über einen Datenbus mit einem zweiten Eingang des Temperatur-Komparators
31 und dem Dateneingang des Temperatur-Speichers 34 verbunden, dessen Ausgang über
einen Datenbus au.f einen dritten Eingang des Rechners 36 geführt ist. Der Ausgang
des Oder-Gatters 32 ist eindrahtig mit dem Takteingang des Umschalt-Flip Flops 33
verbunden, dessen Q-Ausgang eindrahtig auf den Lese-Eingang R des Hochlauf-Zählers
27 und auf den Rückstelleingang des Freigabe-Flip. Flops 25 geführt ist. Der Q-Ausgang
des Umschalt-Flip Flops 33 bildet den B-Ausgang des Steuergerätes 17 und ist gleichzeitig
e.indrahtig mit dem Takteingang des Korrekturwert-Speichers 29 verbunden. Der Ausgang
des Rechners 36 ist über einen Datenbus mit dem Dateneingang-des Zeit-Speichers
35b verbunden. An den D-Eingängen der beiden Flip Flop 25 und 33 steht jeweils ein
Logikwert "1" an. Am Parallel-Eingang des Zeit-Zählers 23 steht der Digitalwert
der Dauer tA einer Absenkperiode an. Ein weiterer Anschluss des Rechners 36 ist
über einen Datenbus mit dem Daten-Eingang/Ausgang des Hilfsspeichers 35a verbunden.
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Der Rechner 36 ist z.B. ein Mikroscomputer. In diesem Fall können
alle Bauelemente der in den Figuren 2 bis 3 dargestellten Schaltungen Teile dieses
Mikrocomputers und somit in diesem integriert sein.
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Gemäss dem Nutzungsprogramm Pr(t) kann ein 24 Stunden-Tag eine oder
mehrere Nutzungsperioden enthalten, die jeweils durch eine Absenkungsperiode zeitlich
voneinander getrennt sind. Es ist z.B. in der Regel immer mindestens eine Nachtabsenkung-
und eine Tagnutzungs-Periode vorhanden. In der Fig. 4. ist der- zeitliche Verlauf
eines Uebergangs einer endenden Absenkungsperiode und einer nachfolgenden, beginnenden
Nutzungsperiode graphisch dargestellt als Raumtemperatur TR in Funktion der Zeit
t. Nachfolgend wird unter Umschaltung immer nur der Uebergang einer Absenkungsperiode
zur nachfolgenden Nutzungsperiode verstanden.
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Es gelten folgende Annahmen: - Der Bezugspunkt der Zeit t, d.h. der
Augenblick t = 0, ist einfachshalber z.B. die Zeit, bei der eine Nutzungsperiode
beginnt.
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- Die Umschaltung benötigt immer eine von Null unterschiedliche Umschaltzeit,
die mit tn bezeichnet ist, mit n = 1, 2, 3, ... Die Umschaltzeit tn ist z.B. in
Anzahl Perioden des Taktsignals CL ausgedrückt.
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- Der Uebergang von einer Absenkungsperiode zur nachfolgenden Nutzungsperiode
ist für alle Umschaltungen linear, d.h. die graphische Darstellung der Raumtemperatur
TR in Funktion der Zeit t ist, während der Umschaltzeit tn, immer eine mit steigender
Zeit t ansteigende gerade Linie, die bei t = -tn beginnt und bei t = 0 endet.
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- Während der Absenkungsperiode kurz vor Beginn der Umschaltung, d.h.
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bei t # -tn, gilt: TR # TR,i (2), wobei TR,i den Istwert der Raumtemperatur
TR in diesem Augenblick darstellt.
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- Die Heizungsregelung befindet sich während eine-r Nutzungsperiode,
d.h. während t > O, im eingeschwungenen Zustand, so dass: TVTV,l zu TV (3) und
TR ~ TR,l (4) gelten, wobei TV,1 und TR,1 jeweils den Sollwert der Vorlauftemperatur
TV und der Raumtemperatur TR während einer Nutzungsperiode darstellen.
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- Vorhandene Fremdwärme, die z.B. durch Menschen, Geräte oder einstrahlende
Sonne erzeugt wird, ist während der relativ kurzen Schnellaufheizung, die ausserdem
meistens am frühen Morgen stattfindet, und kurz danach in erster Näherung vernachlässigbar.
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Die Umschaltung soll möglichst schnell erfolgen und wird daher auch
als Schnellaufheizung bezeichnet. Die Umschaltzeit tn stellt dann jeweils die Dauer
der Schnellaufheizung dar.
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Der Hochlauf der Raumtemperatur TR in Funktion der Zeit t verläuft
während der Schnellaufheizung in der Fig. 4 z.B. gemäss der Geraden ED. Die Koordinaten
der Punkte E und D sind dann TR,i;-tn bzw.
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0. Für t # -tn gilt annähernd TR = TR,i und für t # 0 annähernd TR
=TR,l. Während der Zeit tn bis 0 findet die Schnellaufheizung statt mit einem Sollwert
der Vorlauftemperatur TV gleich T'V,l =TV,1 +#T 'V,S' Sollwert ' V V,l der Vorlauftemperatur
TV entspricht einer Raumtemperatur TR,1 + #TR,S. Würde im Punkt D die Schnellaufheizung
nicht beendet durch Umschalten des Sollwertes der Vorlauftemperatur TV von T'V,l
auf TV,1, so würde die Raumtemperatur TR mit der Zeit t weiter ansteigen bis annähernd
zum Punkt F, dessen Ordinate gleich TR,1 + #TR,S ist. Wird die Schnellaufheizung
zu früh im Augenblick t = -t'n <-tn, d.h. im Punkt G, gestartet so erfolgt der
Hochlauf der Raumtemperatur TR gemass einer Geraden GH, die durch den Punkt G parallel
zur Geraden ED verläuft. Die Koordinaten des Punktes G sind TR,i; -t'n. Im Punkt
H erreicht die Gerade GH den Wert TR = TR,l. Wird die Schnellaufheizung zu spät
im Augenblick t = -t"n > -tn, , d.h. im Punkt J, gestartet, so erfolgt der Hochlauf
der Raumtemperatur TR gemäss einer Geraden JK, die diesmal durch den Punkt J parallel
zur Geraden ED verläuft. Die Koordinaten des Punktes J sind TR,i; -t"n Im Punkt
K erreicht die Gerade JK den Zeitwert t = 0, dies entspricht einem Wert der Raumtemperatur
TR = TR,M. Die Koordinaten des Punktes K sind somit TR,M; 0.
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In der Fig. 4 wurde die Kennli-nie der Raumtemperatur TR in Funktion
der Zeit t in der Nutzungsperiode als ideal horizontal angenommen, mit einer Ordinate
TR = TR,l. In Wirklichkeit schwankt der Istwert der Raumtemperatur TR in diesem
Bereich um ihren Sollwert TR,l mit einem Toleranzwert +T . Der Wert T' 1 = TR,1
- % gilt als vorgegebener Referenzwert, bei dessen Erreichen die Raumtemperatur
TR spätestens die Schnellaufheizung beendet. Dies entspricht bei einem zu frühen
Start der Schnellaufheizung, mit Hochlauf gemäss GH, dem Punkt M, dessen Ordinate
gleich T' R,l ist.
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Um während einer Schnellaufheizdauer tn die Raumtemperatur TR von
ihrem Anfangswert TR,i auf ihren Endwert TR,1 anzuheben, muss während der Schnellaufheizdauer
tn den Räumen des Gebäudes eine Wärme -QV).tn = k (TR,1 - TR,i) (5) zugeführt werden,
wobei der durch die Heizung erzeugte Wärmefluss QHund die Wärmeverluste QV des Gebäudes
durch die Gleichungen QH= α(TV - TR,i) (6) bzw.
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= ß(TR,i - TA) (7) gegeben sind. TA stellt, wie bereits erwähnt, eine
Aussentemperatur des Gebäudes dar. « , ß und k sind Konstanten. Die Wärmeverluste
entstehen z.B. durch Abstrahlung, Wärmeleitung oder Lüftung.
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Es ist bekannt, bei Schnellaufheizungen die Vorlauftemperatur TV der
Heizung gleich dem zulässigen Maximalwert TV,max der Vorlauftemperatur TV zu wählen,
um eine möglichst kurze Schnellaufheizdauer tn zu erhalten. Dies führt jedoch, vorallem
in den jahreszeitlichen Uebergangsperioden, zu sehr heissen Heizkörpern, was z.B.
bei deren Berührung durch Kleinkindern sehr unangenehme Folgen haben kann.
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Daher ist es vorteilhaft, während der Schnellaufheizdauer tn nicht
TV
= TV,max, sondern TV = T'V,1 = TV,1 + #TV,S (8) zu wählen. Die Gleichungen (5),
(6), (7) und (8) ergeben zusammen: a (TV,1 + TV,S - TR,j) . ß t3 (TR,i - TA)].tn
= k(TR,1 - TR,i) (9).
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Unter Vernachlässigung der Fremdwärme muss nach der Schnellaufheizung
der zum Erhalten einer konstanten Raumtemperatur TR von der Heizung erzeugte Wärmefluss
QH gleich den Wärmeverlusten QV sein.
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Die Gleichungen QH = QV, (3), (6) und (7) ergeben dann: α(TV,1
- TR,i) = ß(TR,i - TA) (10).
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Durch Eliminierung des Terms [ß(TR,i - TA)] in den beiden Gleichungen
(9) und (1-0) ergibt sich: α.#TV,S.tn = k(TR,1 - TR,i) = KW (11) oder tn =Kn.T'
(T2), mit Kn = kla (13a) und T' = (TR,1 - TRi)/#TV,S (14).
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Kn ist eine Schnellaufheizkonstante, die die Dimension einer Zeit
hat.
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Da der Sollwert TR,1 der Raumtemperatur nach dem Ende der Schnellaufheizung,
d.h. während der Nutzungsperiode,und die Sollwert-Ueberhöhung #TV,S der Vorlauftemperatur
TV gegenüber TV,1 während der Schnellaufheizzeit tn vorgegeben sind, kann T' gemäss
Gleichung (14) berechnet und sein Wert abgespeichert werden, sobald TR j bekannt
ist.
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Vorteilhaft wird die Sollwert-Ueberhöhung 1V,S S = 5 10 gewählt, mit
z.B. T0 = 120 C bis 160 C, wobei To die Ueberhöhung bei einer Steilheit S = 1 darstellt.
Es gilt immer S # 1. Dies gestattet es variable Werte der Sollwert-Ueberhöhung #TV,S
S zu wählen, die sich dann durch unterschiedliche Werte der Steilheit S unterscheiden.
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Für die erste Schnellaufheizung wird ein geschätzter oder berechneter
Wert K1 der Schnellaufheizkonstante, ausgedrückt in Anzahl Perioden des hochfrequenten
Taktsignals CL, während der Inbetriebsetzung der Heizanlage in den Hilfsspeicher
35a (siehe Fig. 3) geladen und somit abgespeichert. In der Absenkperiode vor der
ersten Schnellaufheizung gilt, wie bereits erwähnt, die Gleichung (2). Während jeder
Absenkperiode wird fortlaufend der Istwert TA ,i der Raumtemperatur TR gemessen
und anschliessend gemäss den Gleichungen (12) und (14) die zugehörige Schnellaufheizdauer
tn vom Rechner 36 berechnet und im Zeit-Speicher 35b abgespeichert. Im Augenblick
t = tl beginnt die erste Schnellaufheizung, indem der Sollwert der Vorlauftemperatur
TV von TV,O auf T'V,1 = TV,1 + #TV,S umgeschaltet wird. Die Raumtemperatur 1R steigt
dann mit ansteigender Zeit t linear z.B. gemäss der geraden Linie ED (siehe Fig.
4) an. Im Raumtemperatur/Zeit-Diagramm der Fig. 4 besitzt der Punkt E bei der ersten
Schnellaufheizung die Koordinaten TR,i; -t1. Stimmt der geschätzte bzw. berechnete
Wert mit dem wirklichen Wert der Schnellaufheizdauer überein, dann besitzt die gerade
Linie ED, wie in der Fig. 4 dargestellt, im Augenblick t - O0 annähernd den Wert
TR = 1R,1 (siehe Punkt D in der Fig. 4).
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Die in der Fig. 3 dargestellte Schaltung arbeitet folgendermassen:
Die negativgehenden Flanken des Nutzungsprogramms Pr(t) laden jeweils in den Zeit-Zähler
23 über dessen Parallel ei ngänge den Wert der Dauer tA der gerade beginnenden Absenkungsperiode.
Dies bedeutet nichts anderes, als dass der augenblicklich geltende Wert der Zeit
t im Zeit-Zähler 23 gespeichert wird unter der Annahme, dass der Bezugspunkt der
Zeit t der Augenblick ist, an dem die nachfolgende Nutzungsperiode beginnt, d.h.
der Moment ist, an dem die laufende Absenkungsperiode endet. Der Zeit-Zähler 23
ist z.B. ein Binärzähler und zählt, bei t = tA beginnend, rückwärts die rechteckförmigen
Impulse des Taktsignals CL und damit die Zeit t unter der Annahme, dass alle
Zeiten
in Anzahl Perioden des Taktsignals CL ausgedrückt sind. Der Zeit-Komparator 24 vergleicht
den vom Zeit-Zähler 23 gelieferten Wert der Zeit t mit dem Wert der Schnellaufheizdauer
tn, der vom Zeit-Speicher 35b geliefert wird. Sobald t = tn wird, erscheint ein
Logikwert "1" am Ausgang des Zeit-Komparators 24 und setzt das Freigabe-Flip Flop
25. Damit beginnt die Schnellaufheizung, indem das Freigabe-Flip Flop 25 über den
A- und den C-Ausgang des Steuergerätes 17 mit Hilfe der Freigabeschaltungen 19 und
21 (siehe Fig. 2) den Sollwert der Vorlauftemperatur TV von TV,O auf T'.V,l =TV,l
+ A TV,S umschaltet. Gleichzeitig lädt der Q-Ausgang des Freigabe-Flip Flops 25
den für die Schne-llaufheizung geltenden Wert der Schnellaufheizdauer tn aus dem
Zeit-Speicher 35b in den Hochlauf-Zähler 27, der anschliessend mit Hilfe des -Nand-Gatters
26 durch die nächste negativgehende Flanke des Taktsignals CL gestartet wird und
so seine Rüc.kwärtszählung beginnt.
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Während jeder Schnellaufheizung wird mit Hilfe des Temperatur-Komparators
31 die gemessene Raumtemperatur TR mit einem Referenzwert verglichen. Dieser wird
z.B., wie bereits erwähnt, gleich dem um den Toleranzwert # reduzierten, während
einer Nutzungsperiode geltenden Sollwert TR,1 der Raumtemperatur TR, d.h.gleich
T'R,1 = TR,1 -#, gewählt. Die Differenz TR,1 -# wird durch den Differenzgeber 30
errechnet. Sobald TR =T'R,1 ist, erscheint am Ausgang des Temperatur-Komparators
31 ein Logikwert "1", der über das Oder-Gatter:32 das Umschalt-Flip.Flo.p 33 setzt,
welches unter anderem das Freigabe-Flip-F1op 25 zurückstellt. Dadurch wird der Sollwert
der Vorlauftemperatur TV mit Hilfe der Freigabeschaltungen 20 und 21 (siehe Fig.
2) von T' 1 auf TV,1 umgeschaltet und dadurch spätesstens die Schnellaufheizung
beendet. Gleichzeitig wird durch die Rückstellung des Freigabe-Flip Flops 25 der
Zählvorgang des Hochlauf-Zählers 27 gestoppt, sein Inhalt Z mit Hilfe des Umschalt-Flip
Flops 33 gelesen und im Korrekturwert-Speicher 29 abgespeichert.
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War die Schnellaufheizdauer t die ja ursprünglich im Hochlauf-Zähler
27 gespeichert war, richtig geschätzt bzw. berechnet worden, dann ist der im Hochlauf-Zähler
27 im-Augenblick seines Anhaltens gespeicherte Zählwert Z gleich Null und entspricht
somit korrekterweise
t = O. Die Heizung befindet sich jetzt in
der Nutzungsperiode und regelt die Vorlauftemperatur TV annähernd auf ihren Sollwert
1V,l' der einer Raumtemperatur TR,l entspricht.
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Entspricht der geschätzte bzw. berechnete Wert der Schnellaufheizdauer
nicht dem wirklichen Wert, dann erfolgte der Start der Schnellaufheizung entweder
zu früh, z.B. im Augenblick ein n < -tn, oder zu spät, z.B. im Augenblick t"n
> -tn (siehe Fig. 4). Beide Fälle sind unerwünscht, da im ersten Fall Energie
vergeudet wird und im zweiten Fall die Raumtemperatur TR zu Beginn der Nutzungsperiode
noch nicht ihren Sollwert TR,1 erreicht hat und somit die Raumtemperatur 1R noch
ungenügend ist. In beiden Fällen muss der Wert Kn n der Schnellaufheizkonstante
für die nächste Schnellaufheizung entsprechend korrigiert werden.
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Im ersten Fall müsste die Raumtemperatur TR während der Schnellaufheizung
korrekterweise entlang der geraden Linie GD in Funktion der Zeit t ansteigen (siehe
Fig. 4). In Wirklichkeit steigt sie entlang der geraden Linie GH an. Auch hier wird
der Hochlauf-Zähler 27 gestoppt, wenn TR = TR,1 -lb , nur diesmal ist der in ihm
gespeicherte Zählwert Z nicht Null, sondern entspricht der noch bis zum Augenblick
t = 0 verbleibenden Zeit. Diese ist bei kleinen Werten von' # annähernd gleich der
Zeitdifferenz, um die die Schnelllaufheizung zu früh begonnen hat.
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Die Schnellaufheizdauer t'n n = K'n- T' (15) und damit auch die Schnellaufheizkonstante
K' n wurden in diesem Fall also zu gross gewählt. Mit dem richtigen Wert K n der
Schnellaufheizkonstante wäre die Schnellaufheizdauer: n + #t = Kn.T' (16), wobei
At t den Wert der Zeitkorrektur der Schnellaufheizdauer darstellt.
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Durch Eliminierung von T' ergeben die beiden Gleichungen (15) und
(16) den nachfolgenden richtigen Wert Kn der Schnellaufheizdauer:
In der Praxis wird allerdings nicht der volle ermittelte Wert
von zur Korrektur verwendet, sondern nur ein Bruchteil g At, mit g cl.
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Die Dämpfungskonstante g wird bei einem digitalen Rechner vorzugsweise
gleich 2 -t yewählt, mit t z.B. gleich 2. Die Verwendung der Dämpfungskonstante
g verhindert das Auftreten von Ueberschwingungen.
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Die Gleichung (17) nimmt dann folgende Gestalt an:
mit t t = -Z (19).
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Im zweiten Fall, wenn die Schnellaufheizung zu spät beginnt, müsste
die Raumtemperatur TR während der Schnellaufheizung in der Fig. 4 korrekterweise
entlang der geraden Linie JD in Funktion der Zeit t ansteigen. In Wirklichkeit steigt
sie entlang der geraden Linie JK an. Hier ist die Gleichung TR = TR,l X nie erfüllt,
so dass der Hochlauf-Zähler 27 somit auf jeden Fall im Augenblick t = 0 den Zählwert
Null erreicht. Der Qecodierer 28 (siehe Fig. 3), der z.B. aus einem Nor-Gatter besteht,
erzeugt an seinem Ausgang einen Logikwert "1", wenn der Inhalt des Hochlauf-Zählers
27 Null ist, und lädt dadurch den in diesem Moment anstehenden Wert TR,M der Raumtemperatur
TR in den Temperatur-5peicher 34. Gleichzeitig wird über das Oder-Gatter 32 das
Umschalt-Flip Flop 33 gesetzt, welches auf die bereits beschriebene Art die Schnellaufheizung
beendet, dies obwohl die Raumtemperatur TR eventuell noch sehr weit von ihrem Sollwert
TR,l entfernt ist. Dies ist nötig, wenn eine Selbstadaption der vom Heizkurven-Einsteller
16 (siehe Fig. 2) ermittelten Heizkurve vorhanden ist. Diese Selbstadaption ist
nämlich, um korrekt zu funktionieren, in der Regel darauf angewiesen, dass während
der Nutzungsperiode nicht die durch einen überhöhten Sollwert verfälschten Werte
der Raumtemperaturen TR, sondern die korrekten, zum Sollwert TV,1 gehörigen Werte
vorhanden sind.
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Die Differenz zwischen dem zu erreichenden Sollwert TR,l und der im
Augenblick t = 0 erreichten Raumtemperatur TR,M würde gemäss den Gleichungen (12)
und (14) eine weitere Aufheizdauer
bedingen, wobei jedoch die richtige Aufheizkonstante Kn nicht bekannt ist.
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In der berechneten Schnellaufheizdauer t"n = K"n.T'
ist in Wirklichkeit, d.h. mit der richtigen Schnellaufheizkonstante Kn, nicht TR,l,
sondern nur TR,M erreicht worden, so dass
Durch Gleichsetzung der beiden Gleichungen (21) und (22) ergibt sich:
Auch hier wird in der Praxis zur Vermeidung von Ueberschwingung nicht die volle,
sondern nur ein Bruchteil der Korrektur durchgeführt. Dies hat als weiteren Vorteil,
dass in der Gleichung (20) der nicht bekannte Wert Kn durch den bekannten Wert Klein
der Schnellaufheizkonstante ersetzt werden kann, so dass:
Um den neuen, korrigierten Wert von Kn zu erhalten, muss dieser Wert von in der
Gleichung (18) eingesetzt werden, wobei natürlich für diesen zweiten Fall vorher
K' n durch K"n und t'n n durch t" n zu ersetzen ist.
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Im zweiten Fall gilt somit:
wobei der Wert At der Zeitkorrektur durch die Gleichung (24) gegeben
ist.
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In beiden Fällen muss also das Steuergerät 17 nach Beendigung der
Schnellaufheizung den neuen Wert der Schnellaufheizkonstante gemäss den Gleichungen
(18) und (19) bzw. (25) und (24) mit Hilfe des Rechners 36 berechnen und im Hilfsspeicher
35a abspeichern. In der nachfolgenden Absenkperiodewird fortlaufend TR,i gemessen
und in den Temperatur-Speicher 34 abgespeichert. Der Rechner 36 errechnet dann fortlaufend
mit diesem Wert von TR mit dem neuen Wert der Schnelllaufheizkonstante Kn und mit
den Gleichungen (14) und (12) den augenblicklic-h geltenden Wert der Schnellaufheizdauer
tn und speichert diesen Wert in den Zeit-Speichr 35b ab, von wo er anschliessend
in den Hochlauf-Zähler 27 (siehe Fig. 3) über dessen Paralleleingängen geladen und
somit abgespeichert wird.
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In der Fig. 5 sind Block 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 und 46
in der angegebenen Reihenfolge in Kaskade geschaltet, desgleichen Block 47 und 48.
Die Blöcke 38, 41 und 42 sind Entscheidungsblöcke und haben je einen Ja-Ausgang
Y (Y = "Yes") und eineh Nein-Ausgang N.
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Die Ja-Ausgänge Y der Blöcke 38 und 42 sowie der Nein-Ausgang N des
Blocks 41 dienen der Bildung der Teilkaskadenschaltung 38; 39; 40; 41; 42; 43. Die
Kaskadenschal-tung 47; 48 liegt parallel zur Teilkaskadenschaltung 41; 42; 43, wobei
der Ja-Ausgang Y des Blocks 41 mit dem Eingang des Blocks 47 verbunden ist und der
Ausgang des Blocks 48 genau wie derjenige des Blocks 43 auf den Eingang des Blocks
44 geführt ist. Sowohl der Ausgang des Blocks 46 als auch der Nein-Ausgang N des
Blocks 38 ist auf den Eingang des Blocks 37 rückgekoppelt.
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Desgleichen ist der Nein-Ausgang N des Blocks 42 auf den einzigen
Eingang des Blocks 41 zurückgeführt.
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In der Fig. 5 bedeuten die Buchstaben: W' im Block 37: "Messe und
speichere TR,i in den Temperaur-Speicher 34, berechne und speichere T' = (TR,1 -
TR,i)/#TV,S, berechne und speichere tn = Kn T' in den Zeit-Speicher 35b",
I
im Block 40: "Lade den Hochlauf-Zähler 27 mit dem Wert tn und starte anschliessen
dessen Rückwärtszählen", X im Block 43: "Stoppe das Rückwärtszählen des Hochlauf-Zählers
27, lese dessen Inhalt Z unter gleichzeitiger Abspeicherung des Inhalts Z im Korrekturwert-Speicher
29 und wähle LSt = -Z" und S im Block 47: "Stoppe das Rückwärtszählen des Hochlauf-Zählers
27 und messe die Raumtemperatur TR unter gleichzeitiger Abspeicherung des Messwertes
TR M im Temperatur-Speicher 34".
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Im Block 38 wird die Frage "t = tn?", im Block 41 die Frage "Z = 0?"
und im Block 42 die Frage "TR = T'R,1?" gestellt. Im Block 39 wird TV,S = T' 1 im
Block 45 wird TV,S = Tv,1 und im Block 46 wird TV,S = TV,O gesetzt. Im Block 44
wird der neue Wert Kn (tn + g.#t)/tn der Schnellaufheizkonstante und im Block 48
der Wert a t = Kn (TR,1 - TR TR,M)/ aTV S berechnet und in den Hilfsspeicher 35a
abgespeichert.
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Das in der Fig. 5 dargestellte Flussdiagramm ist nur ein Ausschnitt
des gesamten Flussdiagramms der Heizeinrichtung und bezieht sich ausschliesslich
auf die Schnellaufheizung. Es gilt die Annahme, dass zu Beginn des in der Fig. 5
dargestellten Flussdiagramms die Heizung sich in einer Absenkperiode befindet.
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Noch vorher und demnach in der Fig. 5 nicht dargestellt finden folgende
Verfahrensschritte statt: 1. Zu Beginn, z.B. bei der Inbetriebsetzung, werden abrufbar
in einem Speicher des Rechners 36 die vorgegebenen Werte von # Tv,5 bzw.
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S und To, g, TR,l, und K1 gespeichert.
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2. Direkt anschliessend berechnet der Rechner 36 die Werte von:
#TV,S
= S. To falls #TV,S nicht vorgegeben ist, und T'R,1 = TR,1 -3. Der Heizkurven-Einsteller
16 (siehe Fig. 2) ermittelt fortlaufend die Werte von TV, und TV,1 und speichert
sie abrufbar in seinen Speicher und der Addierer 18 rechhet anschliessend fortlaufend
den Wert von V,l 1 = TV,1 + ATV,S 4. Die Zeit t wird fortlaufend ermittelt. Dies
kann bei der Verwendung von Vorwärts-Zählern dadurch geschehen, dass der Zähler
enmal in einem Augenblick t = 0 gestartet wird und dann fortlaufend die Impulse
des Taktsignals CL zählt oder dadurch, dass der Zähler periodisch, z.B. zu Beginn
einer jeden Absenkperiode, auf Null zurückgestellt und direkt anschliessend -wieder
gestartet wird. Der letzten Methode entspricht bei der Verwendung von Rückwärts-Zählern
das periodische Laden des Zählers zu Beginn ei-ner jeden Absenkperiode mit dem Wert
tA der Dauer der gerade beginnenden Absenkperiode.
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5. Für jede Schnellaufheizung wird zu Beginn des in der Fig. 5 dargestellten
Flussdiagramms im Block 37 gemäss der Bedeutung des Buchstabens W' die Raumtemperatur
TR,1 während der Absenkperiode fortlaufend gemessen und abgespeichert sowie anschliessend
jeweils nacheinander T' = (TR'l - TR j)!Z9TV S und der neue Wert tn = Kn der Schnellaufheizdauer
berechnet und abgespeichert. Dabei wird als erster Wert von K nach der Inbetriebsetzung
der gespeicherte Wert K1 n gewählt.
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6. Im nachfolgenden Block 38 wird dann abgeklärt, ob t = tn ist.
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Wenn nicht, wird die Teilkasadenschaltung 37; 38 mit Hilfe der Rückführung
des Nein-Ausganges N des Blocks 38 so oft durchlaufen, bis t = tn gilt. Ist dies
der Fall, wird in den nächsten, durch die Blöcke 39 und 40 dargestellten Verfahrensschritten
zuerst Tv,5 V,l 1 gesetzt und dann, gemäss der Bedeutung des Buchstabens I, der
Hochlauf-Zähler 27 (siehe Fig. 3) mit dem augenblicklich geltenden
Wert
von tn geladen und anschliessend gestartet. Die Schnellaufheizung hat damit begonnen.
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7. Im Block 41 wird anschliessend fortlaufend kontrolliert, ob die
Zeit t, d.h. der Inhalt Z des Hochlauf-Zählers 27 gleich dem vorgegebenen Referenzwert
Null ist. Ist dies nicht der Fall, dann wird im Block 42 kontrolliert, ob die Raumtemperatur
TR gleich dem vorgegebenen Referenzwert TR,1 ist. Ist dies auch nicht der Fall,
dann wird die Teilkaskadenschaltung 41; 42 mit Hilfe der Rückführung des Nein-Ausgangs
N des Blocks 42 auf den Eingang des Blocks 41 so oft durchlaufen, bis einer der
beiden Kontrollwerte erreicht ist.
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8. Wird TR = T'R,l als erstes erreicht, dann wird im nächsten, durch
den Block 43 dargestellten Verfahrensschritt zuerst, gemäss Bedeutung des Buchstabes
X, der Hochlauf-Zähler 27 gestoppt, sein Inhalt Z gelesen und im Korrekturwert-Speicher
29 gespeichert (siehe Fig. 3) sowie anschliessend der Wert der Zeitkorrektur At
= -Z gewählt und im Hilfsspeicher 35a gespeichert. Der Wert Z stellt in diesem Fall
die Schlusszeit der Schnellaufheizung dar.
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9. Ist dagegen Z = 0 zuerst erfüllt, dann wird in den nächsten durch
die Blöcke 47 bis 48 dargestellten Verfahrensschritten zuerst, gemäss Bedeutung
des Buchstabens S, der Hochlauf-Zähler 27 gestoppt und der gerade geltende Messwert
TR,M der Raumtemperatur TR gemessen und im Temperatur-Speicher 34 (siehe Fig. 3)
gespeichert. Anschliessend wird durch den Rechner 36 der Wert tt = Kn e (TR,l TR
M )/ nT V,S der Zeitkorrektur berechnet und im Hilfsspeicher 35 a gespeichert, wobei
Kn der bisher geltende Wert der Schnellaufheizkonstante ist.
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10. Im nachfolgenden Verfahrensschritt, dargestellt durch Block 44,
berechnet der Rechner 36 in beiden Fällen den neuen Wert K (tn + ght)/tn der Schnellaufheizkonstante
und speichert ihn in den Hilfsspeicher 35a ab, wobei tn der bisher geltende Wert
der Schnellaufheizdauer ist.
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11. Dann wird gemäss Block 45 TV,S = TV,l gewählt. Damit ist die Schnellaufheizung
beendet und die nachfolgende Nutzungsperiode beginnt.
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12. Sobald die Nutzungsperiode beendet ist, beginnt eine neue Absenkperiode,
indem gemäss dem durch Block 46 dargestellten Verfahrensschritt TV,S = TV,O gewählt
wird. Das Programm kehrt dann anschliessend wieder zum Beginn des in der Fig. 5-dargestellten
Flussdiagramms, d.h. zum Punkt 5, zurück, um einen neuen Zyklus zu beginnen.
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In der unter Punkt 5 angegebenen Gleichung tn = Kn . T' der neuen
Schnellaufheizdauer ist dann Kn durch sei-nen.neuen W.ert zu ersetzen.