DE3516142C2 - 2-Punkt-Regelverfahren für eine Wärmequelle - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein 2-Punkt-Regelverfahren für eine Wär­ mequelle gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2.

2-Punkt-Regler sind insbesondere bei Heizungsanlagen speisenden Kesseln üblich. Diese beispielsweise aus der DE-AS 12 37 827 und der DE 31 12 220 A1 bekannten 2-Punkt-Regelungen werden bevorzugt als schaltende Regler ausgestaltet. Dem Regler wird ein Soll-Wert in Form einer Ein- und Ausschaltschwelle vorgegeben, so daß beispielsweise bei einer Vorlauftemperaturregelung der Regler den Kessel einschaltet, wenn der Ist-Wert der Vorlauftemperatur die Einschaltschwelle unterschreitet, beziehungsweise der Kessel wird ausgeschaltet, wenn die Ausschaltschwelle vom Ist-Wert passiert wird.

Hierbei ist in der Regel die Schaltdifferenz, das heißt die Differenz zwischen Ein- und Aus­ schaltwert fest vorgegeben. Es ist zwar schon überlegt worden, diese Schaltdifferenz lastabhängig, insbesondere außentemperaturabhängig, vorzugeben, nur hat das zu dem Nachteil geführt, daß nur die gesamte Schaltdifferenz variiert wurde, obwohl zum Beispiel im Starklastfall, das heißt bei niedriger Außentemperatur, der obere Grenzwert, das heißt die Ausschaltschwelle, variiert werden müßte, während im Schwachlastbetrieb nur die Ein­ schaltschwelle, jeweils bezogen auf den Nenn-Soll-Wert, geändert werden müßte.

Der vorliegenden Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, ein 2-Punkt-Regelverfahren für eine beliebige Wärmequelle anzugeben, die diese Besonderheiten berücksichtigt.

Demgemäß besteht die Lösung der Aufgabe gemäß den kennzeichnenden Teilen der ne­ bengeordneten Ansprüche in der Variation einmal der Ausschaltschwelle und zum anderen der Einschaltschwelle je nach vorliegendem Belastungsfall.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 4 der Zeichnung näher erläutern.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines 2-Punkt-Reglers gemäß der Erfindung und die

Fig. 2 bis 4 Diagramme zur Erläuterung des Schaltbildes.

In allen vier Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.

Eine Heizungsanlage 1 weist eine Wärmequelle 2, bestehend aus einem Gasbrenner 3 und einem Wärmetauscher 4, auf, die zusammen einen Umlaufwasserheizer bilden. Der Brenner 3 ist über eine mit einem Proportionalmagnetventil 5 versehene Gaszuleitung 6 gespeist.

Statt eines gasbeheizten Kessels könnte ebensogut ein ölbeheizter Kessel oder ein elektri­ scher Durchlauferhitzer in Frage kommen, gleichzeitig wäre auch die Anwendung einer Ab­ sorptions- oder Kompressionswärmepumpe nicht auszuschließen.

An den Wärmetauscher 4 der Wärmequelle 2 ist über eine Vorlaufleitung 7 und eine mit einer Umwälzpumpe 9 versehene Rücklaufleitung 10 eine Vielzahl parallel und/oder in Se­ rie geschalteter Heizkörper 8 beziehungsweise eine Fußbodenheizungsanlage oder ein Brauchwasserspeicher angeschlossen. Der Ist-Wert der Vorlauftemperatur in der Leitung 7 ist über einen Temperaturfühler 11 abgeführt, der über eine Meßleitung 12 mit dem Regler 13 verbunden ist. Für das Ausführungsbeispiel ist eine Vorlauftemperaturregelung unter­ stellt, so daß der Ist-Wert dieser Vorlauftemperatur entspricht. Die Erfindung ist mit glei­ chem Vorteil anwendbar auf eine Rücklauftemperaturregelung oder auf eine Raumtempera­ turregelung, die Ist-Größen wären dann entsprechend zu wählen. Die Pumpe 9 ist von ei­ nem Motor 14 angetrieben, der über eine Stelleitung 15 auf ein Stellglied 16 geschaltet ist und von diesem mit Betriebsspannung genauso versorgt wird wie das Proportionalgasventil 5 über eine Stelleitung 17.

Zentrales Glied des Reglers 13 ist ein Vergleicher 18, auf dessen einen Eingang 19 die Leitung 12 geschaltet ist, die den Ist-Wert führt. Von der Leitung 12 zweigt eine Leitung 20 ab, die in Parallelschaltung zu einem weiteren Vergleicher 21, einem dritten Vergleicher 22 und einem vierten Vergleicher 23 führt.

Dem Vergleicher 18 ist auf einem zweiten Eingang 24 über eine Leitung 25 ein Soll-Wert zugeführt, der beispielsweise mittels eines Außentemperaturfühlers 26 gebildet werden kann.

Bei Verwendung eines Außentemperaturfühlers 26 stellt der Soll-Wert eine gleitende Füh­ rungsgröße dar, es wäre gleichermaßen möglich, einen festen Soll-Wert oder einen zeitab­ hängig programmierbaren Soll-Wert oder ähnliches auf den Eingang 24 des Vergleichers 18 zu schalten. Die Leitung 25 verzweigt sich, von der Verzweigung geht eine Leitung 27 aus, die in Parallelschaltung auf Eingänge der Vergleicher 21 und 22 geschaltet ist. In die Leitung 25 ist ein Addierer 28 eingeschleift, dessen einer Eingang die Leitung 25 ist und dessen anderer Eingang von einer Leitung 29 gebildet ist. Der Ausgang des Addierers 28 ist auf den Eingang 24 des Vergleichers 18 geschaltet.

Es sind zwei Einsteller 30 und 31 vorgesehen, an denen die Ein- und Ausschaltschwellen für den Soll-Wert vorgegeben werden können, und zwar deren Differenz zur Mittellage des Soll-Wertes, der auf der Leitung 25 ansteht. Es wird hierbei davon ausgegangen, daß in der Nullstellung der beiden Einsteller 30 und 31 die Differenzen der Aus- und Einschaltschwel­ len bezüglich auf den Soll-Wert gleich sind. Vom Einsteller 30, mit dem die Ausschalt­ schwelle vorgegeben werden kann, geht eine Leitung 32 aus, die einen weiteren Eingang für den Vergleicher 23 bildet. Von der Leitung 32 zweigt eine weitere Leitung 33 ab, die zu einem Subtrahierer 34 führt. Ein Ausgang des Subtrahierers 34 bildet eine Leitung 35, die auf einen ersten Pol 36 eines Umschalters 37 geschaltet ist. Der Ausgang des Umschalters 37 bildet die Leitung 29 und damit den einen Eingang des Addierers 28. Der Einsteller 31 für die Einschaltschwelle weist eine Ausgangsleitung 38 auf, die den dritten Eingang des Vergleichers 23 bildet und von welch er eine Leitung 39 abgeht, die einen Eingang eines Addierers 40 bildet, dessen Ausgang 41 auf einen zweiten Pol 42 des Umschalters 37 ge­ schaltet ist. Von der Leitung 32 zweigt parallel zur Leitung 33 eine weitere Leitung 43 ab, die auf einen Rampengenerator 44 geschaltet ist. Ein weiterer Eingang des Rampengene­ rators 44 bildet eine Leitung 45, die von der Leitung 38 parallel zur Leitung 39 abgeht. Der Rampengenerator 44 besitzt einen dritten Eingang 46, der vom Ausgang eines Vergleichers 47 gebildet ist, dessen einer Eingang von einer Leitung 48 gebildet ist, die den Ausgang des Vergleichers 23 darstellt. Ein Ausgang 49 des Rampengenerators 44 ist auf eine Lei­ tungsverzweigung zweier Leitungen 50 und 51 geschaltet, wovon die Leitung 50 über einen Arbeitskontakt eines Relais 52 geführt ist und auf den zweiten Eingang 53 des Addierers 40 gelegt ist. Die Leitung 51 ist über einen Arbeitskontakt eines weiteren Relais 54 geführt. Hinter dem Arbeitskontakt ist die Leitung 51 auf den Eingang 55 des Subtrahierers 34 ge­ schaltet. Die beiden Arbeitskontakte der beiden Relais 52 und 54 werden von Ausgangslei­ tungen 56 und 57 der beiden Vergleicher 21 und 22 geschaltet, wobei die Ausgangsleitun­ gen 56 und 57 in Parallelschaltungen über Leitungen 58 und 59 mit zwei weiteren Eingän­ gen des Vergleichers 47 verbunden sind.

Der Ausgang 60 des Vergleichers 18 ist mit dem Eingang des Stellgliedes 16 verbunden. Von dieser Leitung zweigt eine erste Leitung 61 ab, die auf dritte Eingänge der beiden Vergleicher 21 und 22 geschaltet ist. Parallel hierzu liegt eine weitere Leitung 62, die über eine Triggerschaltung 63 mit einer Leitung 64 verbunden ist, die in Parallelschaltung einmal den Eingang eines Flip-Flops 65 und zum anderen über eine Leitung 66 einen Eingang des Rampengenerators 44 bildet. Der Ausgang des Flip-Flops 65 betätigt über eine Leitung 67 den Umschalter 37.

Die Funktion des eben beschriebenen Reglers 13 wird nun anhand der Diagramme gemäß den Fig. 2 bis 4 näher erläutert. In der Fig. 2 ist ein Diagramm aufgetragen, das in der Abszisse die Zeit in Stunden und in der Ordinate Temperaturwerte in °C aufweist. Es ist eine erste waagerechte Gerade 70 vorgesehen, die die Lage der Ausschalttemperatur de­ finiert, also der Ausschalttemperatur, die über den Einsteller 30 vorgegeben werden kann. Eine weitere hierzu im Abstand unterhalb liegende Gerade 71 stellt den Wert der Einschalt­ temperatur dar, die über den Einsteller 31 variiert werden kann. Die Differenz zwischen den Geraden 70 und 71 stellt die Schaltdifferenz des Reglers 13 mit dessen Hysterese dar. In der Mitte zwischen dem Abstand der beiden Geraden 70 und 71 liegt der Soll-Wert 72 glei­ chermaßen als Gerade mit konstantem Abstand zu den beiden Geraden 70 und 71. Dieser konstante und gleichmäßige Abstand entspricht der Ruhelage des Reglers 13. Die Gera­ denschar 70 bis 72 wird von einer Ist-Wert-Kurve 73 geschnitten, die im Ausführungsbei­ spiel der Vorlauftemperatur entspricht. Beim erstmaligen Aufheizen verläuft die Kurve 73 von einem relativ tiefen Temperaturpunkt zunächst bis zu einem ersten Punkt 74, an dem die Kurve 73 die Gerade 71, d. h. die Einschaltschwelle schneidet. Da bereits im Kurven­ stück 75 der Ist-Wert unterhalb der Einschaltschwelle lag, resultiert in jedem Fall ein Ein­ schaltbefehl für die Wärmequelle 2. Die Folge für den Einschaltbefehl ist ein Signal des Vergleichers 18 an seinem Ausgang 60, damit ein Aktivieren des Stellgliedes 16, ein Öffnen des Gasmagnetventils 5 und ein Anlaufen der Pumpe 9. Der Umlauf-Wasserheizer 2 geht in Betrieb, über den Wärmetauscher 4 werden die Heizkörper 8 aufgeheizt, die Räume des Gebäudes erwärmen sich. In Folge des steigenden Wertes der Vorlauftemperatur schließt sich in Abhängigkeit von der Zeit an den Punkt 74 ein ansteigendes Kurvenstück 76 an. Dies führt zu einem Schneiden der Kurve 72 von der den Soll-Wert charakterisierenden Geraden 73 im Punkt 77, das heißt, der Ist-Wert ist gleich dem Soll-Wert. Die an diesem Punkt anlaufende Funktion des Reglers 13 wird später noch behandelt. Der Ist-Wert steigt weiter gemäß dem anschließenden Kurvenstück 78, bis der Ist-Wert im Punkt 79 die Gerade 70 erreicht. Damit resultiert ein Ausschaltbefehl für den Umlaufwasserheizer. Die Kurve 73 schwingt aufgrund der Stauwärme über und beginnt nach Überschreiten des Maximums wieder zu sinken, so daß sich ein nahezu linearer fallender Kurvenzug 80 anschließt. Im Punkt 81 wird die Gerade 70 passiert, was aber folgenlos bleibt. Schließlich erreicht der Ist-Wert im Punkt 82 den Soll-Wert gemäß der Geraden 72. Würde jetzt die Erfindung nicht einsetzen, so könnte insbesondere im Schwachlastbetrieb bei sehr tief eingestellten Vorlauftemperatur-Soll-Werten eine erhebliche Zeit vergehen, bis sich die Vorlauftemperatur so weit abgekühlt hat, daß die Kurve 80 die Einschaltschwelle gemäß der Kurve 71 erreicht. Im Extremfall müßte nämlich zunächst die Raumtemperatur so weit sinken, daß die dann als Folge weiter sinkende Vorlauftemperatur auf die Einschaltschwelle absinken kann. Das ist aber bereits mit einer erheblichen Komforteinbuße für die Benutzer der von der Wärmequelle beheizten Räume verbunden. Aus diesem Grunde wird im Schwachlastbereich, also bei niedrig eingestellten Soll-Werten für die Vorlauftemperatur, nun die Einschaltschwelle, daß heißt die Gerade 71, angehoben. Das bedeutet, daß mit fallendem Ist-Wert beim Passieren des Punktes 82 der Rampengenerator 44 aktiviert wird. Der Rampengenerator 44 erzeugt eine zeitabhängig ansteigende Spannung, der Steigungsfaktor entspricht dem Kurvenstück 83 in Fig. 4. Der Beginn des Kurvenstücks 83 ist zeitgleich mit dem Punkt 82. Vorher hat jedoch beim Abschalten der Wärmequelle im Punkt 79 (vergleiche Fig. 1) beim Stromloswerden der Leitung 60 die Triggerschaltung 63 auf ihrem Ausgang 64 einen Impuls abgegeben, der über die Leitung 66 dazu führt, daß der Rampengenerator 44 in seine Ruhestellung gegangen ist. Gleichzeitig ist über diesen Rücksetzimpuls des Triggers 63 der Flip-Flop 65 in eine Position geschaltet worden, bei der der Umschalter 37 die Leitung 41 auf die Leitung 29 umschaltet. Das bedeutet, daß nunmehr die Werte des Einstellers 31 über die Leitung 39 am Addierer 40 anliegen und daß der Ausgang des Addierers 40 auf den Eingang 24 des Vergleichers 18 geschaltet ist. Die Höhe und Art der Einstellung der Einschaltschwelle liegt über die Leitung 38 und über die Leitung 45 auch am Rampengenerator 44 an. Der Rampengenerator 44 erzeugt nunmehr ein Spannungssignal, das über die Leitung 49 und den Arbeitskontakt des Relais 52 am Eingang 53 des Addierers 40 anliegt. Der Arbeitskontakt des Relais 52 wird vom Vergleicher 22 dann geschlossen, wenn der Punkt 82 erreicht wurde. Die entsprechenden Werte liegen über die Eingangsleitungen 20 und 27 an. Damit wird im Addierer 40 zu dem am Einsteller 31 vorgegebenen Spannungssignal noch das Spannungssignal des Rampengenerators 44 addiert, das heißt, für den Regler 13 wird der Wert des Einschaltpunktes künstlich angehoben. Diese Anhebung ist linear zeitabhängig und in ihrer Steilheit am Rampengenerator 44 einstellbar. Die Einstellung wird bevorzugt nach Maßgabe der Totzeit der Anlage, das heißt insbesondere nach Maßgabe der Wärmekapazität sämtlicher Verbraucher 8 und der Leistung der Wärmequelle 2, gewählt. Der Rampengenerator 44 muß nicht unbedingt ein stetig lineares Spannungssignal abgeben, das Spannungssignal könnte auch in Stufen realisiert werden, gegebenenfalls auch progressiv. Über den Vergleicher 23 wird ein Startsignal erzeugt, das über den Vergleicher 47 zur Freigabe des Ausgangssignals des Rampengenerators 44 führt. Da der Ist-Wert des Kurvenzuges 80 nach Passieren des Punktes 82 zeitabhängig nahezu linear weiter fällt (in Wirklichkeit nach einer e-Funktion), erreicht der fallende Ist-Wert irgendwann im Punkt 84 (Fig. 4) den Einschaltpunkt, wobei das Anheben der Einschaltschwelle aus der Fig. 4 ersichtlich ist. Das bedeutet, daß die Anhebungswirkung für die Einschaltschwelle um so größer wird, je flacher die Lage des Kurvenzuges 80 ist und je größer die Schaltdifferenz war, mindestens die Schaltdifferenz bezüglich der Geraden 72 und 71. Analog verfährt der Regler 13 beim Aufheizen, wenn sich das Aufheizen im Zuge einer starken Belastung vollzieht, das heißt, daß die von dem oder den Verbrauchern abgenommene Leistung bei relativ tiefen Außentemperaturen sich der maximal von der Wärmequelle 2 abgebbaren Leistung nähert. In diesem Fall kann es nämlich relativ lange dauern, bis im Zuge einer Aufheizung Fig. 3 nach Passieren des Punktes 77 die Kurve 78 den Punkt 79 erreicht, in dem die Wärmequelle abgeschaltet wird, d. h., die Kurve 78 steigt sehr langsam an. Da andererseits für die Behaglichkeit des Benutzers nur erforderlich ist, daß der Ist-Wert gemäß der Kurve 73 den Soll-Wert gemäß der Geraden 72 erreicht hat, es aber ener­ getisch ungünstig ist, diesen Soll-Wert vom Ist-Wert weit überschreiten zu lassen, erfolgt hier erfindungsgemäß analog eine Absenkung der Ausschaltschwelle. Zunächst wird über den Einsteller 30 die Höhe der Ausschaltschwelle, das heißt der Ordinatenweg der Geraden 70, vorgegeben. Hierbei kann der senkrechte Abstand der Geraden 70 von der Soll-Wert-Geraden 72 durchaus abweichen von dem Abstand, den die Soll-Wert-Gerade 72 und die Gerade 71 voneinander haben. Zur Absenkung des Ordinatenwertes der Geraden 70 wird wieder der Rampengenerator 44 als Signalgeber benutzt. Nunmehr wird aber statt des Re­ lais 52 das Relais 54 benutzt. Der vom Einsteller 30 vorgegebene Ausgangswert steht so­ wohl über die Leitungen 32 und 43 an einem Eingang des Rampengenerators 44 als auch über die Leitung 33 am positiven Eingang des Subtrahierers 34 an. Auf den negativen Ein­ gang 55 des Subtrahierers 34 kommt das vom Einsteller 30 abzuziehende Zeitsignal an, und zwar dann, wenn der Arbeitskontakt des Relais 54 geschlossen hat. Dieser Arbeitskon­ takt wird vom Vergleicher 21 dann aktiviert, wenn der Ist-Wert der Kurve 73 den Soll-Wert im Punkt 77 erreicht hat. Beim Erreichen dieses Punktes 77 läuft der Rampengenerator 44 aktiviert über den Vergleicher 23 und den weiteren Vergleicher 47 an und erzeugt ein zeitabhängiges, linear stetig wachsendes Spannungssignal auf der Leitung 49, das auf den negativen Eingang des Subtrahierers 34 geschaltet wird und von dem Spannungssignal auf der Leitung 33 abgezogen wird. Beim Inbetriebgehen der Wärmequelle hat der Vergleicher 18 auf der Leitung 60 ein Spannungssignal abgegeben, das einmal zum Aktivieren des Stellgliedes 16, zum anderen aber auch zum Anstoßen der Triggerstufe 63 geführt hat. Über den Flip-Flop 65 hat der Umschalter 37 die Stellung eingenommen, bei der der Aus­ gang des Subtrahierers 34 auf die Leitung 29 und damit auf den Soll-Wert-Eingang 24 des Vergleichers 18 geschaltet ist. Somit wird dem Regler 18 ein künstliches Absenken der Ausschaltschwelle vorgetäuscht. Das Ausschalten erfolgt zeitabhängig um so eher, je grö­ ßer der Abstand der Geraden 70 und 72 war und je geringer die Überschußleistung der Wärmequelle 2 gegenüber der vom Verbraucher angeforderten Leistung ist. Das Absinken der Ausschaltschwelle kann wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel stetig linear, stetig progressiv oder stufenweise erfolgen, je nach Variation der Ausführung des Rampen­ generators 44.

Es ist möglich, sowohl die Aufheiz- als auch die Abkühlvorgänge der Wärmequelle durch Variationen sowohl der Ausschalt- als auch der Einschaltschwelle gleichermaßen zu verän­ dern, es ist auch möglich, im Schwachlastbereich lediglich die Einschaltschwelle, im Star­ klastbereich lediglich die Ausschaltschwelle anzupassen.

Claims (5)

1. 2-Punkt-Regelverfahren für eine Wärmequelle mit einem Ist-Wert sowie einem von einer Ein- und Ausschaltschwelle begrenzten Soll-Wert, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgtem Abschal­ ten der Wärmequelle durch Überschreiten der Ausschalt­ schwelle durch den Ist-Wert bei Gleichheit zwischen Soll- und Ist-Wert die Einschaltschwelle zeitabhängig angehoben wird und daß nach erfolgtem Einschalten der Wärmequelle durch Unterschreiten der Einschaltschwelle durch den Ist-Wert bei Gleichheit zwischen Soll-Wert und Ist-Wert die Ausschaltschwelle zeitabhängig abgesenkt wird.

2. 2-Punkt-Regelverfahren für eine Wärmequelle mit einem Ist-Wert sowie einem von einer Ein- und Ausschaltschwelle begrenzten Soll-Wert, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgtem Abschal­ ten der Wärmequelle durch Überschreiten der Ausschalt­ schwelle durch den Ist-Wert die Einschaltschwelle zeitabhängig bei einem Grenzwert der Abfallgeschwindigkeit des Ist-Wertes angehoben wird und daß nach erfolgtem Einschalten der Wärmequelle durch Unterschreiten der Einschaltschwelle durch den Ist-Wert bei Gleichheit zwischen Soll-Wert und Ist-Wert die Ausschaltschwelle zeitabhängig abgesenkt wird.

3. 2-Punkt-Regelverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zeitabhängige Anhebung der Einschalt­ schwelle in ihrer Geschwindigkeit (°C min.^-1) variierbar ist.

4. 2-Punkt-Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die zeitabhängige Anhebung der Ein­ schaltschwelle stetig linear erfolgt.

5. 2-Punkt-Regelverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Proportionalitätsfaktor der zeitabhängigen Anhebung der Einschaltschwelle eine Funktion der Totzeit der Anlage, bestehend aus Wärmequelle und Verbraucher ist.