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Verfahren zum Betreiben mehrerer Wärmequellen
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben
mehrerer Wärmequellen gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
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Unter Wärmequellen sind hier alle Arten von Wärmeerzeugern zu verstehen,
seien es Kessel oder Umlaufwasserheizer zur Speisung von Zentralheizungen mit Radiatoren,
Konvektoren oder Fußbodenheizungen oder deren Anteile beziehungsweise Wärmepumpen,
unter Verbrauchern sind hier die eben erwähnten Radiatoren, Konvektoren oder Fußbodenheizungen
zu sehen, gleichzeitig auch Brauchwasserbereiter, seien es solche im Durchflußverfahren
oder im Speicherverfahren arbeitende. Auch die Beheizung der Wäriequellen ist allgemein
zu sehen, es kämen Beheizungen mit U1- oder Gasbrennern oder auch Beheizungen mit
elektrischem Strom in Frage. Als Regelverfahren kommt hier
nur das
Zweipunkt-Regelverfahren in Frage, wobei hier beide Möglichkeiten in Betracht zu
ziehen sind, daß bei mehreren Wärmequellen beide im Zweipunkt-Verfahren aus-und
eingeschaltet werden oder von einer Mehrzahl auf einen oder mehrere Verbraucher
arbeitende Wärmequellen einige fest eingeschaltet sind und nur eine oder einige
taktend betrieben werden.
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Wurde bislang eine Zentralheizungsanlage mit einer Mehrkesselanlage
betrieben, so bestanden nach dem Stand der Technik zwei Möglichkeiten des Betreibungsverfahrens,
nämlich zunächst einmal mit einem Kessel zu versuchen, die Anlage auf den Temperatur-Sollwert
hochzuheizen, und wenn dies nach Ablauf einer bestimmten Zeit nicht geschah, wurden
weitere Kessel zugeschaltet. Hierbei ergab sich für die Benutzer des beheizten Gebäudes
erhebliche Anlaufzeiten, bis die Behaglichkeitstemperatur erreicht war. Bei dem
anderen Verfahren wurden zunächst alle Kessel auf die Zentralheizungsanlage geschaltet,
und nach Erreichen des Sollwertes der Temperatur wurden mehr oder weniger Kessel
außer Betrieb genommen, um die Temperatur zu halten. Hierbei resultiert meistens
eine zu große Energieverschwendung, und damit entstehen zu hohe Kosten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen wärmeaufnehmenden
Verbraucher, gleich welcher
Art, der von mehreren Wärmequellen,
die auch unterschiedlicher Natur sein können, gespeist wird, anzugeben, mit welcher
niedrigstmöglichen Zahl von Wärmequellen der Verbraucher auf das gewünschte Temperaturniveau
hochgeheizt, gehalten oder von ihm auf ein niedrigeres Temperaturniveau gebracht
werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe liegt erfindungsgemäß in den kennzeichnenden
Verfahrensmerkmalen der nebengeordneten Ansprüche.
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Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden
Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren
eins bis vier der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur eins eine Heizungsanlage in einer schematischen Darstellung
und die Figuren zwei bis fünf Diagramme.
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In allen fünf Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen
Einzelheiten.
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Die Heizungsanlage in Figur eins besteht aus einer Wärmequellenseite
1 und einer wärmeaufnehmenden Seite 2, die
beide über eine Vorlaufleitung
3 und eine Rücklaufleitung 4 verbunden sind. Die Wärmequellenseite 1 besitzt mehrere
Wärmequellen, von denen drei eingezeichnet sind, die Bezugszeichen 5, 6 und 7 aufweisen.
Diese Wärmequellen werden im Ein-/Aus-Betrieb betrieben und können gleiche oder
auch unterschiedliche Leistungen aufweisen. Die Art der Wärmequellen ist belanglos,
es können Kompressions- oder Absorptionswärmepumpen, Kessel oder Umlaufwasserheizer
sein, die Wärmequellen können gleich oder gemischt sein.
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Ferner ist die Art der Beheizung gleichgültig, es kämen hier insbesonders
gas- oder ölbeheizte sowie mit elektrischem Strom beheizte in Frage. Diese Wärmequellen
5 bis 7 werden auf Verbraucher 8, 9 und 10 geschaltet, die Zahl der Verbraucher
ist nach oben nicht begrenzt Die Verbraucher können entweder aus einzelnen oder
einer Vielzahl von Radiatoren oder Konvektoren bestehen, ferner können Fußbodenheizungen
oder Heizungsanteile in Frage kommen und Brauchwasserspeicher. Der gesamte Verbraucher
kann aus einzelnen oder aus mehreren Sorten zusammengesetzter Verbraucher bestehen.
Aus der Zahl und Art der Verbraucher resultiert ein bestimmter momentaner Leistungsbedarf,
der, über den Tag gesehen, nicht konstant sein muß.
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Die einzelnen Wärmequellen 5 bis 7 sind hydraulisch parallel an die
Vorlaufleitung 3 angeschlossen, rücklaufseitig
sind sie über Magnetventile
11, 12 und 13 absperrbar. Die Absperrung wird dann vorgenommen, wenn eine Wärmequelle
nicht in Betrieb geht, um das Zentralheizungswasser nicht über diese Wärmequelle
unnütz auszukühlen. Gleichermaßen können die Verbraucher in Serie mit innenliegenden
Magnetventilen 14, 15 und 16 versehen sein, die dann geöffnet werden, wenn der zugehörige
Verbraucher in Betrieb gehen soll. Jedes Magnetventil ist mit einem zugehörigen
Betätigungsmagneten versehen, die allesamt über Leitungen 17 mit einer zentralen
Steuer- und Regeleinheit 18 verbunden sind. In der Vorlaufleitung 3 ist ein Vorlauftemperaturfühler
19 vorgesehen, der über eine Leitung 20 mit der Steuer- und Regeleinheit 18 verbunden
ist, ferner eine Umwälzpumpe 21. An die Steuer- und Regeleinheit ist ein Außentemperaturfühler
22 über eine Leitung 23 als Istwertgeber angeschlossen, weiterhin ist vorgesehen,
wenigstens einen Gebäuderaum 24 mit einem Raumtemperaturfühler 25 zu versehen, der
über eine Meßleitung 26 gleichermaßen als Istwertgeber mit der Steuer- und Regeleinheit
18 verbunden ist. Es sind drei Sollwertgeber 27, 28 und 29 vorhanden, wobei mit
dem Sollwertgeber 27 der Sollwert der Vorlauftemperatur vorgegeben wird. Dies muß
kein fester Sollwert sein, sondern kann ein von der Außentemperatur abhängig gesteuerter
Sollwert sein (Heizkurve). Weiterhin käme
hier ein Heizprogramm
in Frage, beispielsweise ein Aufladeheizprogramm für einen Brauchwasserspeicher.
Die beiden anderen Sollwertgeber 28 und 29 dienen zur Einstellung der Schalthysterese
des Zweipunktreglers, der Teil der Steuer- und Regeleinheit 18 ist, beziehungsweise
zur Einstellung einer als zulässig angesehenen Regelabweichung, auf die später noch
eingegangen werden wird.
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Zur Funktion des Verfahrens, das mit der Steuer- und Regeleinheit
18 betrieben wird, wird nunmehr auf die Figur zwei verwiesen. Die Figur zwei stellt
ein Diagramm dar, das in der Abszisse die Außentemperatur in OC, in der Ordinate
den Yorlagftemperatur-Sollwert-gleichermaßen in Co darstellt.
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Es ist aber gleichermaßen möglich, statt der Vorlauftemperatur die
Rücklauftemperatur oder eine Differenztemepratur oder eine sonstwie hiervon abgeleitete
Temperatur als Regelgröße zu betrachten. In Frage käme hierbei insbesondere die
Raumtemperatur oder zum Beispiel die Temperatur des im Brauchwasserspeicher gespeicherten
Wassers.
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Für das Betriebsverfahren sind zunächst einmal drei mögliche Zustände
zu unterscheiden. Einmal den Anfahrzustand, der sich dann ergibt, wenn aus einem
abgesenkten (Nacht-) Temperaturniveau auf ein Tag-Temperaturniveau
hochgefahren
werden soll beziehungsweise wenn ein Brauchwasserspeicher aufgeladen werden soll,
ferner ein Beharrungszustand, der sich dadurch kennzeichnet, daß ein bestehendes
Temperaturniveau etwa gehalten werden soll, und zum dritten ein Obergangszustand,
der dann erreicht wird, wenn von einem höheren Temperaturniveau auf ein Absenktemperaturniveau
übergegangen wird. Der Obergangs zustand kann sich auch dann einstellen, wenn die
Wärmenachfrage eines Verbrauchers sinkt, beispielsweise nach Beendigung einer Speicheraufheizung,
wenn die Zentralheizung selbst noch Wärme anfordert.
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In der Figur zwei ist eine Kurve 31 dargestellt, die eine Heizkurve
darstellt, also den Sollwert für die Regelgröße, nämlich die Vorlauftemperatur.
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Wird nun davon ausgegangen, daß zu einer bestimmten Zeit von einem
abgesenkten Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau aufgeheizt werden
soll, also der Anfahrzustand herrscht, so werden bei Vorhandensein von zwei Wärmequellen
zwei Betriebszustände zu unterscheiden sein, nämlich daß nur eine der beiden Wärmequellen
oder beide auf die Verbraucher geschaltet sind. Es müssen zunächst unterhalb dessen
beide - oder allgemein gesprochen - alle Wärmequellen auf die Verbraucher geschaltet
werden oder oberhalb dessen nur ein Teil der Wärmequellen auf die Anlage geschaltet
werden. Dieser Grenzwert wird im Ausführungsbeispiel
als Außentemperaturwert
festgelegt, im Ausführungsbeispiel liegt er bei einer Außentemperatur von +10 OC
im Punkt 32. Das bedeutet, daß bei Außentemperaturwerten unter +10 OC beide Wärmequellen
eingeschaltet sind, um die Verbraucher hochzufahren, bei Temperaturwerten darüber
wird nur mit einer Wärmequelle hochgeheizt. Es versteht sich, daß bei einer Anzahl
von n einschaltbaren Wärmequellen n -1 Grenzwerte vorgegeben werden. Diese Grenzwerte
werden bei der Erstinstallation einer Heizungsanlage empirisch vorgegeben, und die
Steuer-und Regeleinheit 18 speichert diese über den Sollwertsteller 30 einstellbaren
Grenzwerte und variiert die Grenzwerte aufgrund selbstadaptierenden Verhaltens.
Das bedeutet, daß die Grenzwerte von der Steuer- und Regeleinheit, die einen Mikroprozessor
zur Durchführung dieser Arbeiten enthält, selbständig variiert werden, um ein Optimum
zu erreichen. Das Optimum ist hier so zu definieren, daß versucht wird, mit einer
Mindestzahl von Wärmequellen das angestrebte Hochtemperaturniveau zu erreichen.
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Zu der vorgegebenen Grenzschwelle 32 gehört demgemäß der Punkt 33
auf der Kurve 31, der zu einer bestimmten Soll-Vorlauftemperatur im Punkt 34 führt.
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Nach Ablauf einer gewissen Zeit des Anfahrens der Heizungsanlage
wird
ein statischer Zustand erreicht, das heißt, der Istwert der Vorlauftemperatur pendelt
aufgrund der Arbeitsweise der Zweipunktregelung um den Sollwert.
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Herrscht an dem Tag beispielsweise eine Außentemperatur AA A Ist von
-130 im Punkt 35, so führt das zu einem Sollwert für die Vorlauftemperatur gemäß
dem Punkt 36 beziehungsweise im Punkt 37 von 68 "C. Es zeigt sich, daß die Werte
gemäß den Punkten 36 und 37 im Hysteresebereich 38 liegen, der von den beiden Schwellenwerten
39 und 40 begrenzt wird. Der Bereich zwischen den Schwellenwerten 39 und 40 entspricht
der Schaltdifferenz des Zweipunktreglers. Das bedeutet, daß beim Absinken des Istwertes
der Vorlauftemperatur auf die untere Schwelle 40 entweder eine geregelte Stufe einer
mehrstufigen Wärmequelle eingeschaltet wird oder eine ganze Wärmequelle eingeschaltet
wird und daß dann, wenn der Vorlauftemperatur-Istwert die obere Schwelle 39 erreicht,
die geregelte Stufe der Wårmequelle abgeschaltet wird. Die Linien 39 und 40 sind
Projektionslinien.
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Für den Fall, daß die Vorlauftemperaturunterhalb der niedrigen Schwelle
40 liegen, bedeutet das, daß die Regelabweichung der Vorlauftemperatur nicht mit
dem Sollwert zur Deckung gebracht wird. Das bedeutet, daß die gerade in Betrieb
befindlichen Wärmequellen zu klein sind in ihrer Wärmeabgabeleistung. Das bedeutet,
daß
auf die nächstgrößere Stufe geschaltet werden muß oder daß eine weitere Stufe oder
eine gesamte Wärmequelle zugeschaltet werden muß. Es besteht hier die Möglichkeit*,
daß die Minderleistung der Wärmequelle permanent zu klein ist oder daß nur durch
zufällig bedingte Verbraucherabweichungen die normalerweise richtige Wärmequellenleistung
momentan zu klein ist. Um hier nicht in jedem Falle eine weitere Stufe der Wärmequellenleistung
zuzuschalten, wird eine weitere noch als zulässig angesehene Regelabweichung eingeführt,
die auf die Hysterese aufgeschaltet wird. Demgemäß wird um die als noch zulässig
angesehene weitere Regelabweichung 41 die untere Schwelle 40 gemäß der neuen Schwelle
42 weiter abgesenkt. Liegt der Istwert der Vorlauftemperatur dann innerhalb der
erweiterten Schwelle 40 bis 39, so wird die bestehende Regelabweichung in Kauf genommen
und an der arbeitenden Wärmequellen-Stufenzahl nichts geändert. Liegt der Istwert
darunter, wird dennoch zugeschaltet. Die Zuschaltung der nächsten Leistungsstufe
kann auch dann erfolgen wenn nach Ablauf einer Verzugszeit, ab dem Unterschreiten
von 42, der Istwert unter+ Für die Wahl der Größe der zu der Hysterese 38 zu addierenden
zulässigen Regelabweichung gilt, daß diese allgemein proportional gleichgerichtet
zur Hysterese verändert wird, wobei der Betrag der als zulässig angesehenen Regelabweichung
zwischen 10 und 30 X, vorzugsweise bei 20 X, liegt. Es ist aber auch möglich, die
als zulässig angesehene Größe der Regelabweichung nicht konstant über +42 liegt.
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die Außentemperatur berechnen zu lassen, sondern mit einem bestimmten
Betrag oberhalb der Vorlauftemperatur Qestzulegen, beispielsweise * Vorlauf und
3 K.
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Gleiches ergibt sich, wenn die Zentralheizungsanlage von einem Vorlauftemperatur-Istwert,
der oberhalb der Schwelle 39 liegt, der Sollwert heruntergefahren wird.
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Liegt demgemäß der Vorlauftemperatur-Istwert oberhalb der auf den
Wert der Schwelle 39 addierten zulässigen Regelabweichung 43, so wird die Wärmequellen-Stufenzahl
vermindert, liegt er hingegen im Zwischenbereich zwischen den Kurven 39 und 43,
so wird noch keine Umschaltung vorgenommen, da unterstellt werden muß, daß aufgrund
zufällig bedingter Abweichungen die Wärmeabnahme des oder der Verbraucher momentan
kleiner ist. Ein Abschalten von Wärmequellenstufen um jeden Preis würde sonst zu
einem unerwünschten Schwingen des Reglers führen.
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Anhand der Figuren drei bis fünf ist der Verlauf des Istwertes der
Vorlauftemperatur gemäß der Kurve 44 dargestellt, und zwar ist in der Abszisse die
Zeit T in Minuten , in der Ordinate die Temperatur v in OC aufgetragen. Man sieht,
daß der Istwert der Vorlauftemperatur um den Sollwert 2ß Soll gemäß der Linie 45
schwankt, und zwar im Bereich der Hysterese, vorgegeben durch die Schwellen 39 und
40. Aus der Figur vier geht
hervor, daß beim Oberschwingen des
Istwertes der Vorlauftemperatur auf die Schwelle 39 autgeschlagene zulässige Regelabweichung
49 der Abschaltbefehl für eine Wärmequelle beziehungsweise einer Stufe einer Wärmequelle
erfolgt.
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In der Figur fünf wird der mögliche Fall behandelt, daß beim Oberschwingen
des Istwertes gemäß der Kurve 44 über den oberen Schwellwert 39 der Hysterese im
Punkt 46 eine Wartezeit gemäß der Pfeillänge 47 vorgegeben und abgewartet wird,
um nach deren Ablauf erneut zu prüfen, ob der Istwert der Vorlauftemperatur immer
noch oberhalb der oberen Schwelle 43 der Hysterese liegt. Ist das der Fall, so wird
hieraus ein Abschaltbefehl für eine Stufe der Wärmequelle erfolgen, und es kann
alternativ hierzu der Wert der zulässigen Regelabweichung 49, der auf die obere
Schwelle 39 aufgeschlagen wird, zu Null vermindert werden. Hierbei ist es möglich,
dieses Vermindern nach einem bestimmten Zeitprogramm vorzugeben und bevorzugt maximal
so zu gestalten, daß der Sollwert so abgesenkt wird, daß nach Ablauf der vorgegebenen
Zeit der obere Schwellwert der Hysterese ohne zulässige Regelabweichung dem Mittelwert
des Sollwertes entspricht. Bei Erreichen der Abschalttemperatur 48 wird die Leitungsstufenzahl
vermindert, und die Schwellwerte werden in den Anfangszustand versetzt.
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Es soll an dieser Stelle aber noch darauf hingewiesen werden, daß
das Verfahren nicht nur für das Aufheizen von Räumen Gültigkeit hat, sondern beispielsweise
auch für das Klimatisieren und Kühlen von Räumen. Hier sind dann natürlich die Vorgänge
gegenläufig zu betrachten, der Anfahrzustand entspricht dem Herunterkühlen eines
Raumes. Die Verfahrensweise ist aber danach angepaßt ansonsten die gleiche.
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Weiterhin ist es möglich, die Verfahrensschritte, die anhand der Figur
fünf für die Wartezeit erläutert wurden, auch dann anzuwenden, wenn offensichtlich
der Vorlauftemperatur-Istwert die untere Schwelle des Einschaltwertes, also den
unteren Schwellwert 40 zuzüglich der zulässigen Regelabweichung 42 nie erreicht.
Auch dann kann nach Ablauf einer gesetzten Wartezeit der Umschaltbefehl resultieren.
Um zum Einschaltbefehl zu kommen, wird dann der untere Grenzwert für die Einschaltung
spiegelbildlich zu Figur fünf hochgelegt.
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