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Regler für eine Temperatur
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Regler für eine Temperatur
eines Heizkreises gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Es sind brennstoffbeheizte Wärmequellen in Form von gasbeheizten Umlaufwasserheizern
bekanntgeworden, bei denen der Umlaufwasserheizer sowohl eine Zentral heizungsanlage
wie auch einen Brauchwasserbereiter speist. Er kann hierzu mittels eines 3-Wegeventils
umgeschaltet werden, wobei die Umschaltung in der Regel durch Offenen eines Zapfventils
ausgelöst wird. Der in der Zapfleitung entstehende Zapfwasserfluß bewirkt neben
dem Umschalten dieses 3-Wegeventils auch das Umschalten eines Sollwertes im Temperaturregler
der Wärmequelle. In der Regel wird der Sollwert auf einen höheren Temperaturwert
umgeschaltet,
da in der Regel für die Brauchwasserbereitung eine
erhöhte Leistungsanforderung gegenüber Heizbetrieb notwendig ist.
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Bei diesen Geräten ist es üblich, den Sollwert für Heizbetrieb entweder
am Gerät oder über eine Fernbedienung von einem vom Gerät entfernt liegenden Raum
vorzugeben.
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Weiterhin ist es möglich, den Sollwert für Heizbetrieb über eine außentemperaturabhängige
Steuerung auch gleitend vorzugeben.
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In neuerer Zeit hat sich das Problem gestellt, daß der Schornsteinfeger
diese Geräte in mehr oder weniger regelmäßigen Zeitabständen zu überprüfen hat.
Hierbei ist die Messung bei der Nennleistung im Heizbetrieb durchzuführen.
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Diese Leistung ist aber unterschiedlich von der bei Brauchwasserbetrieb
eingestellten Leistung. Soll nun eine solche Messung durch den Schornsteinfeger
zum Beispiel im Sommer bei hohen Außentemperaturen durchgeführt werden, so ist der
Sollwert für Heizbetrieb so zu verstellen, daß diese Messung überhaupt möglich ist.
Anschließend muß der Sollwertgeber wieder korrigiert werden. Nur über den Sollwertgeber
ist es nämlich möglich, das Gerät in Heizbetrieb gehen zu lassen. Im Brauchwasserbetrieb
ist wegen der unterschiedlichen Leistung die vorzunehmende Messung
überhaupt nicht möglich.
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Bei der Verstellung des Sollwertes für den Heizbetrieb ist es, weist
die brennstoffbeheizte Wärmequelle einen stetigen Temperaturregler auf, nicht sichergestellt,
daß der Schornsteinfeger tatsächlich den Betrieb mit 100 % Heizleistung erhält.
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Der vorliegenden Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, über
einen Handgriff am Gerät, unabhängig von der jeweils herrschenden Außentemperatur
und dem jeweiligen Betriebszustand des Gerätes, ein Arbeiten der brennstoffbeheizten
Wärmequelle bei Heizungsnennleistung zu erzwingen und wobei die Reglerfunktion so
weit erhalten bleibt, daß das Gerät sich nicht überhitzen kann.
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Die Lösung der Aufgabe liegt in den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Figuren 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur eins ein Prinzipschaltbild einer Heizungsanlage und
Figur
zwei ein Prinzipschaltbild eines stetigen Reglers, Figur drei ein Prinzipschaltbild
eines unstetigen Reglers und Figur vier ist ebenfalls ein Prinzipschaltbild eines
stetigen Reglers.
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In allen vier Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen
Einzelheiten.
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Die in der Figur eins dargestellte Heizungsanlage besteht aus einem
gasbeheizten Umlaufwasserheizer 1, der einen Wärmetauscher 2 aufweist, der an eine
mit einer Umwälzpumpe 3 versehene Rücklaufleitung und an eine mit einem Vorlauftemperaturfühler
5 versehene Vorlaufleitung 6 angeschlossen ist und von einem Gasbrenner 7 beheizt
wird, der über eine mit einem Magnetventil 8 versehene Gaszuleitung 9 mit Gas gespeist
wird. Der Gasbrenner kann als atmosphärischer Brenner wie auch als Gebläsebrenner
ausgestaltet werden, statt eines Gasbrenners könnte ebensogut ein Ölbrenner benutzt
werden. Die Vorlaufleitung 6 ist an ein mit einem Stellmotor 10 versehenes 3-Wege-Umschaltventil
11 angeschlossen, dessen einer Auslaß mit einer Heizkörper-Vorlaufleitung 12 verbunden
und dessen anderer Auslaß mit einem Brauchwasserbereiter 13 über eine 6rauchwasserbereiter-Vorlaufleitung
14 verbunden
ist. Die Heizkörper-Vorlaufleitung 12 ist mit einer
Vielzahl in Serie und/oder parallelliegender Heizkörper 15 verbunden, die rücklaufseitig
zusammengefaßt und mit der Rücklaufleitung 4 verbunden sind. Der Brauchwasserbereiter
13 ist über eine Brauchwasserbereiter-Rücklaufleitung 16 mit einer Einmündungsstelle
17 im Zuge der Rücklaufleitung 4 verbunden. Die Einmündungsstelle ist stromauf der
Pumpe 3 vorgesehen, die einen Antriebsmotor 18 aufweist, der über eine Stelleitung
19 mit einem Regler 20 verbunden ist. Auf diesen Regler ist über eine Leitung 21
ein Istwertgeber in Form des Vorlauftemperaturfühl ers 5 aufgeschaltet. Statt eines
Vorlauftemperaturfühlers könnte ebensogut ein Rücklauftemperaturfühler vorgesehen
werden. Das Magnetventil 8 ist als Proportionalventil ausgestaltet, es wird von
dem Elektromagneten 22 angetrieben, wobei der Speisestrom des Elektromagneten 22
verantwortlich für den Öffnungsgrad des Ventils 8 ist. Dieses Ventil ist vom Schließzustand
stetig bis zu einem maximalen Offnungszustand verstellbar. Der Elektromagnet 22
wird über eine Leitung 23 vom Regler 20 angesteuert. Auch der Stellmotor 10 ist
über eine Stelleitung 24 mit dem Regler verbunden, der zusätzlich zwei Sollwertgeber
25 und 26 aufweist. Der Sollwertgeber 25 ist zum Einstellen eines Sollwerts für
Heizbetrieb, der Sollwertgeber 26 für das Einstellen eines
Brauchwasser-Sollwertes
vorgesehen. Der Sollwertgeber 25 kann ein Festwert-Sollwertgeber sein, es wäre auch
möglich, für den Heizbetrieb einen gleitenden Sollwert, beispielsweise in Abhängigkeit
von einem Außentemperaturfühler nach Art einer Heizkurve vorzusehen.
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Der Brauchwasserbereiter 13 ist von einer Zapfleitung 27 durchsetzt,
in die vorlaufseitig des Brauchwasserbereiters ein Wasserschalter 28, rücklaufseitig
ein Zapfventil 29 eingeschaltet ist. Der Wasserschalter ist über eine Meßleitung
30 mit dem Regler 20 verbunden. Im oder am Regler ist ein Sollwert-Umschalter 31
angeordnet, der als Arbeits- oder Umschaltkontakt ausgebildet ist und mit dem ein
zusätzlicher Sollwert am Geber 32 auf den Regler schaltbar ist.
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Die Funktion des Reglers wird nun anhand der Figur 2 für das Ausführungsbeispiel
eines stetigen Reglers dargestellt. Die beiden Sollwerte 25, 26 für Heizbetrieb
und für Brauchwasser werden durch auf Leitungen 33 und 34 anstehende Spannungssignale
dargestellt, die beispielsweise über Potentiometer gewonnen werden. An die Leitungen
33 und 34 ist ein Umschalter 35 angeschlossen, dessen Kontakt entweder auf den einen
oder auf den anderen Sollwert umlegbar ist und der über eine Wirkverbindung 36 von
einer Relaisspule 37 betätigbar ist. Der
Umschalter 35 ist mit
seiner Wurzel über eine Leitung 38 mit dem Regler 20 verbunden, der normalerweise
als linearer Verstärker arbeitet. Das schließt nicht aus, daß der Regler 20 in Anwendung
auf atmosphärische Gasbrenner bei Umlaufwasserheizern Stellgrößen von 0 bis 40 %
Gasleistung unterdrückt, im Bereich von 40 % bis 100 % hingegen modulierend arbeitet.
An den Ausgang des Reglers 20 ist über die Leitung 23 der Elektromagnet 22 angeschlossen.
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Der Vorlauftemperaturfühler 5 ist als NTC-Widerstand ausgebildet und
liegt im Zuge einer Leitung 39, die von positiver Betriebsspannung 40 an Masse 41
geführt wird. Die Leitung 39 ist über die Leitung 21 mit dem Regler 20 verbunden.
Der Regler 20 ist mit einem Widerstand 42 beschaltet, der im Zuge einer Leitung
43 liegt, die mit einem Arbeitskontakt 44 unterbrechbar ist. Mit dem Widerstand
42 ist der Verstärker des Reglers 20 intern so ge -schaltet, daß der Verstärker
20 bei geöffnetem Kontakt 44 lineares Verstärkungsverhalten hat, bei geschlossenem
Kontakt 44 hingegen Schmitt-Trigger-Funktion. Der Kontakt 44 ist Teil des Umschalters
31, genauso wie ein weiterer Kontakt 45, der im Zuge einer Leitung 46 liegt, und
mit dieser ist ein dritter Kontakt 47 parallel überbrückbar, der im Zuge einer Spannungszuführung
48 zum Relais 37 liegt, das gleichermaßen einerseits an die Spannungsquelle 40 und
zum anderen an Masse 41 angeschlossen ist. Der
Kontakt 47 wird
vom Wasserschalter 28 betätigt. Im Ruhezustand sind die Kontakte 44, 45 und 47 geöffnet.
Der Umschalter 31 bildet den sogenannten Schornsteinfeger-Schalter.
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Für den Umlaufwasserheizer gemäß Figur 1 gibt es drei mögliche Betriebsweisen:
Das Gerät kann in Ruhe sein, es kann im Heizbetrieb oder im Brauchwasserbetrieb
arbeiten. Bei Heizbetrieb arbeitet der Regler 20 als stetiger Regler, das heißt,
als Funktion der Regelabweichung wird die Gaszufuhr zum Brenner 7 über das Magnetventil
8/22 stetig variiert. Hierbei ist es schwierig festzustellen, insbesondere für den
Schornsteinfeger, mit welcher Leistung der Brenner gerade arbeitet. Die gleiche
Problematik gilt bei Brauchwasserbetrieb. Für den Schornsteinfeger ist es nun erforderlich,
gleichgültig von den gerade herrschenden äußeren Umständen, wie Außentemperatur,
Zustand des Gerätes und vorgegebenen Sollwerten, das Gerät in einen solchen Zustand
zu bringen, daß über eine bestimmte Zeit, ausreichend zur Messung, das Gerät die
Nennleistung im Heizbetrieb abgibt.
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Hierzu betätigt der Schornsteinfeger den Schalter 31, das heißt, die
beiden Kontakte 44 und 45, die unmittelbar am Gehäuse des Umlaufwasserheizers angeordnet
sind. Während normalerweise nur eine Sollwert-Umschaltung zwischen dem
Heizungs-
und Brauchwasser-Sollwert stattfindet, wird hiermit ein vierter Zustand des Gerätes
erzwungen, für den aus praktischen Gesichtspunkten der gleichermaßen für die Brauchwasserberei
tung notwendige Sollwert herangezogen wird. Es könnte auch für diesen Zustand ein
von den beiden anderen Sollwerten unabhängiger Sollwert genommen werden, der dann
aber erst gesondert darzustellen wäre.
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Durch Betätigen des Schalters 44 wird die Charakteristik des stetigen
Reglers 20 nunmehr geändert, indem dieser 2-Punkt-Verhalten bekommt. Weiterhin wird
durch Betätigen des Kontaktes 45 dem Gerät Brauchwasserbereitung vorgetäuscht, da
das Relais, obwohl gar kein Zapfwasser entnommen wird und demgemäß der Wasserschalter
28 in Ruhe und der Kontakt 47 geöffnet ist, über den Kontakt 45 an Spannung gelegt
wird. Das Relais 37 zieht an, der Kontakt 35 wird betätigt und der Brauchwasser-Sollwert
auf den Reglereingang gelegt. Da dem Regler 20 über die Meßleitung 30, die hier
auch im Sinne einer Wirkungslinie zu verstehen ist, kein Zapfsignal zugeführt wird,
befindet sich das 3-Wege-Ventil 11 in Heizbetriebsstellung. Durch das Fehlen dieses
Signals wird gleichzeitig reglerintern die maximale Erregung des Elektromagneten
22 auf einen Wert begrenzt, wobei der zugehörige Gasdurchsatz am Ventil 8 dem Gasdurchsatz
bei Nennheizleistung entspricht.
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Selbstverständlich kann sowohl die Umschaltung des
3-Wege-Ventils
11 wie auch die Begrenzung des Gasdurchsatzes im Heizbetrieb, etwa durch zusätzliche
Drosselorgane, auch unmittelbar auf hydraulischem oder pneumati schem Wege durch
den Wasserschalter 28 erfolgen.
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Falls die Heizungsanlage die erzeugte Wärme vollständig abnimmt, arbeitet
das Heizgerät mit voller Heizleistung.
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Falls ein Mißverhältnis zwischen der Wärmeerzeugung und der Leistungsaufnahme
der Heizung besteht, führt das natürlich zu einem mehr oder weniger häufigen Abschalten
des Reglers, wobei es jedoch das Ziel ist, das Puls-Pausen-Verhältnis zum Zwecke
ungestörter Messung gegen 1 gehen zu lassen, das heißt, die Messung bei einer Leistung
entsprechend 100 % Heizleistung oder Nennheizleistung durchzuführen.
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In Figur vier ist ausgehend von der Prinzipschaltung gemäß Figur zwei
der Arbeitskontakt 44 funktionsmäßig durch eine Halbleiterdiode ersetzt. Dies hat
den Vorteil, daß der Schornsteinfeger-Schalter nur mit einem Einfachkontakt bestückt
sein muß. Bezüglich der Polarität der Diode wird vorausgesetzt, daß am Anschluß
40 positive Betriebsspannung anliegt. Bei entsprechender Polung der Diode kann auch
eine andere Festlegung getroffen werden.
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Über die Leitung 43, die in dem Ausführungsbeispiel nach Figur vier
den Verbindungspunkt zwischen dem Schaltkontakt
45 und dem Halbleiterschalter
44 mit dem Regler verbindet, wird bei betätigtem Schalter 45 ein positives Spannungssignal
an den Regler übertragen, bei dessen Vorhandensei n der Regler intern auf 2-Punkt-Verhalten
umgeschaltet wird. Bei nicht betätigtem Schornsteinfeger-Schalter liegt dieses Signal
nicht an, und der Regler arbeitet als linearer Verstärker.
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Nach vorgenommener Messung wird der Schornsteinfeger-Schalter wieder
so betätigt, daß der gezeichnete Ruhezustand eintritt, womit die Reglercharakteristik
wieder auf Stetigregelbetrieb zurückgeschaltet wird. Die Darstellung der Anderung
des Verstärkers 20 vom normalen Verstärkungsverhalten zu Schaltverstärkerverhalten
könnte auch so dargestellt werden, daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 20
geändert wird. Schließlich könnte man auch den Verstärker 20 so beschalten, daß
er in dem 2-Punkt-Verhalten als Komparator ausgebildet ist beziehungsweise zu einem
solchen umgeschaltet wird.
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An dieser Stelle soll erwähnt werden, daß die maximale Begrenzung
der Stellgröße für Nennleistung bei Heizung und Nennleistung bei Brauchwasser elektrisch
stattfinden könnte, möglich wären auch das Einschalten einer Drossel für den niedrigeren
Nennwert in den Gasweg oder das Anordnen eines zusätzlich parallelliegenden Magnetventils.
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Möglich wäre auch eine hydraulische Betätigung eines irgendwie gearteten
Drosselglieds im Gasweg, beispielsweise durch Betätigung des Wasserschalters 28.
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Für den Fall, daß der Umlaufwasserheizer von einem unstetigen Regler
beherrscht ist, ist der Regler 20 als Schmitt-Trigger ausgestaltet. Er kann zusätzlich
über zwei Leitungen 49 und 50 mit einem weiteren Schaltkontakt 51 beschaltet sein,
der vom Wasserschalter 28 betätigbar ist. Ein Schließen des Kontakts 51 (Brauchwasserbetrieb)
bewirkt eine Erhöhung des auf der Leitung 23 anstehenden Stellgrößensignals zum
Offnen des Magnetventils. Damit arbeitet das Magnetventil 22 mit drei möglichen
Stellungen - geschlossen, Teilleistung (Heizbetrieb) und Volleistung (Brauchwasserbetrieb).
Die Heizleistung soll hierbei der Nennheizleistung entsprechen. Die Umschaltung
zwischen Teilleistung und Volleistung könnte ebensogut auf hydraulischem oder pneumatischem
Wege erfolgen, etwa durch ein zusätzliches Stellglied im Zuge der Gasleitung 9,
das ebenso wie der Wasserschalter 28 durch den in der Zapfleitung entstehenden Zapfwasserfluß
betätigt wird. In diesem Fall könnten der Schalter 51 und die Leitungen 50 und 49
entfallen, und das Magnetventil 22 müßte nur in den beiden Stellungen Ein und Aus
arbeiten.
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Wenn das Gerät nicht gerade im Heizbetrieb ist, so bewirkt
das
Betätigen des Schornsteinfeger-Schalters 31 einen Betrieb des Umlaufwasserheizers
mit 100 % Heizleistung . Ist das Gerät bereits in Heizbetrieb gewesen, so wird zwar
der Sollwert umgeschaltet, dies wirkt sich aber im Augenblick auf die Betriebsweise
des Gerätes nicht aus, solange der Brauchwassertemperatur-Sollwert höher als der
Heizungs-Sollwert ist.
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Bei dieser Gelegenheit sollte auch einmal erwähnt werden, daß auch
die Anwendung der Erfindung auf einen reinen Umlaufwasserheizer für Heizbetrieb
möglich ist, der einen externen Brauchwasserspeicher betreiben kann. Dazu wird ein
erster Schaltkontakt des Brauchwasserthermostaten des externen Speichers dem Schalter
47 parallel geschaltet.
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Ein zweiter, nicht dargestellter Kontakt betätigt ein Stellglied für
die hydraulische Umschaltung des Gaswasserheizers von Heizbetrieb auf Speicherladebetrieb.
Beim Absinken der Speichertemperatur werden beide Kontakte betätigt mit der Folge,
daß der erste Kontakt die Relais spule 37 an Spannung legt und somit der Brauchwasser-Sollwert
26 über den Umschalter 35 an den Eingang des Reglers geschaltet wird. Der Regler
20 arbeitet nun als Vorlauftemperaturregler beziehungsweise als Vorlauftemperaturbegrenzer
für den Speicherladekreis. Sobald sich die Vorlauftemperatur im Verlauf eines Speicherladevorganges
dem Sollwert 26 nähert, erfolgt aufgrund der stetigen
Arbeitsweise
des Reglers eine Anpassung der Brennerleistung an das sich mit steigender Speichertemperatur
verri ngernde Wärmeaufnahmevermögen des Speichers.
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Unerwünschte Brennerausschaltungen können auf diese Weise vermieden
werden. Ist das Wärmeaufnahmevermögen des Speichers hingegen ausreichend hoch, so
kann der erste Kontakt des Brauchwasserthermostaten auch dem Kontakt 45 gemäß Figur
vier statt dem Kontakt 47 parallel geschaltet werden. In diesem Fall wird über die
Leitung 43 eine Modu lotion des Brenners verhindert, und die Aufladung des Speichers
erfolgt demgemäß in der kürzestmöglichen Zeit.
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Unabhängig hiervon ist generell als Vorteil anzusehen, daß ein besonderer
Vorl aufthermostat zur Begrenzung der maximalen Vorlauftemperatur im Speicherladebetrieb
entfallen kann.
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Eine weitere Anwendung bezieht sich auf den Anschluß eines Frostschutzthermostaten,
wie er etwa von einer Gerätenorm gefordert sein kann und dessen Aufgabe es beispielsweise
sein könnte, den Umlaufwasserheizer vor dem Einfrieren zu schützen. Befindet sich
das Heizgerät an einem frostgefährdeten beziehungsweise an einem nur unzureichend
gegen Kälte geschützten Aufstellungsort, so kann unter Umständen auch bei normalem
Heizbetrieb die Gefahr des Einfrierens bestehen, nämlich dann, wenn infolge einer
Sollwert-Umschaltung eine längere Brennerbetriebspause
eintritt,
so etwa nach einer Umschaltung von normalem Tagheizbetrieb auf nächtlichen Absenkbetrieb.
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Die gleiche Gefahr kann bei längerer Abwesenheit des Anlagenbenutzers
mit entsprechend niedrig eingestelltem Sollwert bestehen.
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Zur Vermeidung dieser Gefahr wird der Kontakt des Frostschutzthermostaten
entweder dem Schaltkontakt 45 oder dem Kontakt 47 oder einer bereits vorhandenen
Paral lelschal -tung mehrerer Kontakte elektrisch parallel geschaltet.
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Selbstverständlich muß der Frostschutzthermostat in der Nähe des zu
schützenden Gegenstandes angebracht sein, zum Beispiel am Vorlaufrohr des Umlaufwasserheizers.
Entsprechend der in den Figuren zwei und vier dargestellten Ausführungsbeispiele
muß der Kontakt mit fallender Temperatur schließen. Sein Schließen führt in der
bereits dargestellten Weise zum Einschalten des Sollwertes 26 und damit zum Inbetriebgehen
des Brenners . Da sich das Gerät, bezogen auf die elektrischen Ansteuersignale des
Reglers 20, in Brauchwasserbetrieb, hydraulisch jedoch in Heizbetrieb befindet,
ist diese Funktion unabhängig von der Einstellung des Heizungs-Sollwertes beziehungsweise
der Einstellung eines eventuellen vorgeschalteten Heizungsreglers. Bei Combi-Wasserheizern
ist damit die Funktion des Frostschutzthermostaten auch dann gewährleistet, wenn
der Heizungsschalter ausgeschaltet ist.
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Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren zwei, drei und vier ist
vorgesehen, daß die Kontakte 45 und 47 als Arbeitskontakte arbeiten. Aus diesem
Grunde können die Kontakte elektrisch parallelliegen. Zur Erzielung der gleichen
Funktion ist es aber möglich, die Kontakte in Serie zu schalten, nur müssen sie
dann als Ruhekontakte geschaltet sein, und die Funktion des Relais 37 muß negiert
werden.
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Es ist möglich, in der tatsächlichen Ausführung der Schaltungen nach
Figuren zwei, drei und vier statt des Relais 37 und des Umschaltkontakts 35 elektronische
Lösungen, beispielsweise Diodennetzwerke zu verwenden.
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