DE3643519A1 - Regeleinrichtung zur mischwasserbereitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitung von Mischwasser mit Kalt- und Warmwasserzuflüssen sowie einem Proportional-Regler zur Regelung der Mischwassertempera­ tur.

In diesen Mischwasserbereitungseinrichtungen werden viel­ fach mechanische Regler zur Regelung der Mischwassertem­ peratur eingesetzt (DE-PS 24 33 354), deren Regelcharak­ teristik im wesentlichen die eines Proportional-Reglers (P-Reglers) ist. Diese Regler haben den Vorzug, daß sie technisch einfach zu realisieren sind, beispielsweise in Gestalt eines Bimetall-, Wachs- oder Federbalgelementes. Nachteilig bei diesen Reglern ist jedoch, daß sie wegen ihres ausschließlichen P-Verhaltens bekanntermaßen nicht in der Lage sind, eine bleibende Regelabweichung voll­ ständig zu beseitigen. Dies wirkt sich bei Mischwasserbe­ reitungssystemen insbesondere dann störend aus, wenn mit Schwankungen des zuströmenden Kalt- und Warmwassers be­ züglich Druck und/oder Temperatur zu rechnen ist. In diesen Fällen nämlich führt eine Schwankung der Vorlauf­ drücke bzw. eine Änderung der Vorlauftemperaturen immer zu einer bleibenden Regelabweichung, die unter Umständen auch sehr beträchtlich werden kann. Mit schwankenden Vor­ laufdrücken ist jedoch im allgemeinen zu rechnen, weil meist mehrere Verbraucher an dem Netz hängen, dem das kalte bzw. warme Vorlaufwasser entnommen wird. Ebenso sind tageszeitlich und jahreszeitlich bedingte Schwankun­ gen der Vorlauftemperaturen unvermeidlich. Im übrigen kann auch die Warmwasserbereitung selbst Anlaß zu Schwan­ kungen der Vorlauftemperaturen und -drücke sein, indem nämlich das Warmwasser über einen Zweipunktregler nur un­ vollkommen genau auf einer festen Vorlauftemperatur ge­ halten wird und nach Einschaltung der Heizung des Warm­ serbereiters der Warmwasserdruck bis zu einem Maximal­ wert, der durch die Sicherheitsarmatur des Warmwasserbe­ reiters gegeben ist, steigen kann.

Es ist auch bekannt, daß es mit Hilfe eines Proportional- Integral-Reglers (PI-Reglers) möglich ist, die erwähnten Nachteile des P-Reglers hinsichtlich der bleibenden Re­ gelabweichung zu vermeiden: Der I-Anteil des PI-Reglers sorgt dafür, daß die bleibende Regelabweichung vollstän­ dig verschwindet. Andererseits ist aber die Realisierung eines PI-Reglers wesentlich aufwendiger als die eines P-Reglers. Bekannt sind Möglichkeiten zur pneumatischen bzw. hydrodynamischen Realisierung von PI-Reglern sowie auch Möglichkeiten zur elektrischen Realisierung eines PI-Reglers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 angegebene Regeleinrichtung mit relativ einfachen Mitteln wesentlich zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den An­ sprüchen 2 bis 6 angegeben.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung können die bekannten Vorteile existierender mechanischer P-Regler, wie Zuver­ lässigkeit, Preiswürdigkeit und technisch einfache Rea­ lisierung, bei der Markteinführung beibehalten werden. Es kann also nach wie vor die "Grundlast" des Ausregelns von einem der bekannten mechanischen P-Regler übernommen werden. Das Regelverhalten wird dadurch verbessert, daß ein Hilfsregler hinzugefügt wird, der eine integrierende Regelcharakteristik aufweist.

Bei Mischwasserbereitungssystemen ohne Rückführung des Mischwassers wird die bleibende Regelabweichung, die bei der Verwendung eines reinen P-Reglers bei Schwankungen der Drücke und der Temperaturen des zufließenden Kalt­ und Warmwassers unvermeidlich ist, vollständig besei­ tigt. Dies wirkt sich insbesondere günstig aus, wenn nur eine geringe Entnahme stattfindet. Bei sehr schwacher Entnahme weisen nämlich konventionelle Mischwasserberei­ tungssysteme, die nur einen mechanischen P-Regler bein­ halten, eine besonders große Abweichung der resultieren­ den Mischwassertemperatur vom gewünschten Sollwert auf.

Konventionelle zentrale Mischwasserbereitungssysteme mit Zentralthermostat und Rückführung des Mischwassers sind so ausgeführt, daß ein Teil des rückgeführten Mischwas­ sers dem Erhitzer und der andere Teil entweder der Mischkammer oder dem Kaltwasservorlauf zugeführt werden. Untersuchungen haben gezeigt, daß derartige Mischwasser­ bereitungssysteme den prinzipiellen Nachteil aufweisen, daß im Falle keiner Entnahme (reiner Zirkulationsbetrieb) sowie auch im Falle sehr schwacher Entnahme die Regel­ charakteristik des Proportional-Reglers extrem ungünstig ist. Dies hängt damit zusammen, daß die Wasserströme, die dem Regler zugeführt werden, im Normalbetrieb einer mittleren bis starken Entnahme sowie im reinen Zirkula­ tionsbetrieb bzw. im Falle sehr schwacher Entnahme stark unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Im Normalbetrieb werden dem Zentralthermostaten Wasserströme mit den Tem­ peraturen T _K und T _W , d.h. mit den Vorlauftemperaturen des warmen und des kalten Wassers zugeführt. Der Rückführstrom ist im Normalbetrieb völlig unterbunden. Im reinen Zirku­ lationsbetrieb bzw. im Falle sehr schwacher Entnahme werden dem Zentralthermostaten im wesentlichen Wasser­ ströme zugeführt, die die Temperaturen T _W (Temperatur des Wasserstromes aus dem Erhitzer) und T′ _M (Temperatur des Mischwasserrückführstromes: entspricht in etwa der ge­ wünschten Mischwassertemperatur T _M ) besitzen. Die Tempe­ ratur T′ _M liegt aber deutlich höher als T _K . Der Zentral­ thermostat hat im reinen Zirkulationsbetrieb bzw. im Falle der schwachen Entnahme eine außerordentlich ungün­ stige Charakteristik. Bekannte Vorschläge zur Verringe­ rung dieses Mangels führen nur zu einer gewissen Verbes­ serung des Falles der reinen Zirkulation bzw. des Falles der schwachen Entnahme, denn die bleibende Regelabweichung kann bei keinem dieser Vorschläge vollständig beseitigt werden, da kein I-Regler vorgesehen ist. Insbesondere wird bei den Vorschlägen der Normalbetrieb überhaupt nicht verbessert. Die vorliegende Erfindung verbessert demgegenüber sowohl den Normalbetrieb als auch den Fall der reinen Zirkulation bzw. den Fall der schwachen Ent­ nahme. Eine grobe Abschätzung des Realisierungsaufwandes für das erfindungsgemäße Regelungskonzept ergibt, daß der Aufwand größenordnungsmäßig im gleichen Bereich liegt wie der der bekannten Lösungen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Strukturbild einer Regelein­ richtung;

Fig. 2 eine Mischeinrichtung in schemati­ scher Darstellung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Re­ gelverhaltens einer Mischeinrichtung ohne Hilfsregler;

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Re­ gelverhaltens einer Mischeinrichtung mit Hilfsregler.

Die in den Figuren dargestellte Mischeinrichtung 1 ist mit einem Ventilgehäuse 15 versehen, in dem ein Kaltwas­ serzulauf 2, ein Warmwasserzulauf 3, ein Mischwasserab­ lauf 4 und eine Mischkammer 13 ausgebildet sind. In der Mischkammer 13 ist ein Dehnstoffelement als Proportio­ nal-Regler 5 angeordnet und einerseits mit einem Ventil­ glied 14 und andererseits am Ventilgehäuse 15 mit einer Schraubspindel 51 verbunden. Das Ventilglied 14 ist ei­ ner Einlaßöffnung 11 für Kaltwasser und einer Einlaßöff­ nung 12 für Warmwasser im Ventilgehäuse 15 derart zuge­ ordnet, daß durch eine Stellbewegung die Öffnungsquer­ schnitte sich gegensinnig verändern. Die Schraubspindel 51 ist aus dem Ventilgehäuse 15 herausgeführt und kann über einen mit Gleichstrom betriebenen Elektromotor 52 gedreht werden.

Der Elektromotor 52 wird dabei von einem Hilfsregler 6 über einen Leistungsverstärker angesteuert, wobei dem Hilfsregler 6 von einem Temperaturfühler 7 im Bereich des Mischwasserablaufs 4 der Istwert der Temperatur des abgegebenen Mischwassers zugeleitet wird. Der Tempera­ turfühler ist hierbei so ausgelegt, daß er mit Hilfe einer Außenmanschette 71 die Temperatur der Rohrwand außen erfaßt.

Der Sollwert der Temperatur des zu erzeugenden Mischwas­ sers wird mit einem Sollwertsteller 61 dem Hilfsregler 6 zugeleitet.

Die Wirkungsweise des Hilfsreglers besteht darin, daß die Temperatur des Mischwassers gemessen wird, die nach dem Durchströmen des mechanischen P-Regelgliedes, also am Ausgang der Mischkammer, vorliegt. Diese Temperatur wird verglichen mit der gewünschten Solltemperatur. Das Differenzsignal wird integriert, und mit dem resultie­ renden Signal wird Einfluß genommen auf den Sollwert­ steller des mechanischen P-Reglers.

Das resultierende Regelungskonzept ist in dem in Fig. 1 gezeigten Strukturbild dargestellt.

Die Mischwassertemperatur wird durch einen Temperatur­ fühler 7 (Sensor) gemessen. Dabei kann ein Temperatur­ fühler 7 genügen, der nicht im Inneren des Wasserstromes liegt, sondern der die Temperatur der Wandung des be­ treffenden Rohres über eine Außenmanschette 71 erfaßt. Die elektronische Realisierung eines Hilfsreglers 6 mit I-Verhalten ist konventionelle Technik. Bei analoger Realisierung erfordert sie im wesentlichen einen Opera­ tionsverstärker. Die Ausgangsgröße des Reglers kann über einen Leistungstransistor verstärkt und einem Gleich­ strommotor zugeführt werden, der auf den Sollwertsteller des Dehnstoffelements wirkt. Mit vergleichbarem Aufwand ist auch eine digitale Realisierung des Integrierers möglich.

Die durch den Einsatz des Hilfsreglers 6 erreichbare Verbesserung des Regelverhaltens von Mischwasserberei­ tungssystemen wird anhand der Kennliniendiagramme in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Darin sind je zwei Kennlinien von Mischwasserbereitungssystemen enthalten, die zu unterschiedlichen Betriebsfällen gehören. Die Kennlinie 10 repräsentiert den Fall starker Entnahme, während Kennlinie 20 den reinen Zirkulationsbetrieb dar­ stellt. In den Kennlinien ist die Mischwassertemperatur T _M am Ausgang des Zentralthermostaten über der normier­ ten Ventilstellung q der Mischeinrichtung 1 aufgetragen. Es zeigt sich, daß bei gleicher Mischventilstellung q die Mischwassertemperaturen T _M bei unterschiedlichen Betriebsfällen stark voneinander abweichen. Wie aus obi­ gen Ausführungen hervorgeht, stellt sich bei gleicher Mischventilstellung q die Mischwassertemperatur T _M im reinen Zirkulationsfall auf einen höheren Wert ein als im Falle starker Entnahme.

Die Charakteristik eines P-Reglers läßt sich im T_M(q)- Diagramm als "Reglergerade" 30 darstellen, die um so flacher verläuft, je größer der Verstärkungsfaktor der P-Regelung ist (Fig. 3). Die Schnittpunkte der Regler­ geraden mit den Kennlinien der verschiedenen Betriebs­ fälle repräsentieren die stationären Arbeitspunkte, d.h. die sich einstellenden Mischwassertemperaturen T _M und Mischventilstellungen q. Eine Veränderung der Vorein­ stellung des Mischwassertemperatursollwertes bewirkt im T_M(q)-Diagramm eine Parallelverschiebung der Reglergera­ den.

Wird bei Verwendung eines reinen P-Reglers der Sollwert der Mischwassertemperatur T _M bei starker Entnahme (Kenn­ linie 10) auf einen Wert von z.B. 40°C eingestellt, so weicht die stationäre Mischwassertemperatur T _M im Zirku­ lationsbetrieb um die bleibende Regelabweichung Δ T_M (hier ca. 8°C) von der Solltemperatur ab (Fig. 3). Bei Einsatz eines zusätzlichen I-Reglers als Hilfsregler 6 wird eine bleibende Regelabweichung dadurch beseitigt, daß der I-Regler den Sollwert des P-Reglers verstellt. Im T_M(q)-Diagramm läßt sich die somit geregelte Soll­ wertveränderung des mechanischen P-Reglers durch eine entsprechende Parallelverschiebung der Reglergeraden darstellen. Daher nimmt hiermit die stationäre Mischwas­ sertemperatur auch im Zirkulationsbetrieb den vorgegebe­ nen Sollwert an. In Fig. 4 sind die stationären Regel­ bewegungen q des Mischventils gekennzeichnet, die einer­ seits vom P-Regler, andererseits vom I-Regler bzw. Hilfsregler 6 hervorgerufen werden.

Bei der elektrischen Realisierung der vorstehenden Ein­ richtung wird es ermöglicht, auf einfache Weise durch ein elektrisches Signal den Sollwert zu verstellen. Man kann also, verglichen mit konventionellen Einrichtungen, die nur über einen mechanischen P-Regler verfügen, we­ sentlich einfacher, z.B. gekoppelt über eine Uhr, dafür sorgen, daß beispielsweise nachts ein anderer Sollwert der Mischwassertemperatur eingestellt wird als tags.

Das vorliegende Konzept hat den Vorteil, daß es das vorhandene, bewährte Konzept der mechanischen P-Regler beibehält. Die I-Komponente wird durch ein Zusatzteil eingeführt. Es bedarf keiner grundlegenden Veränderung des Regelkonzepts. Gegenüber einer rein elektrischen Realisierung des PI-Reglers hat das vorliegende Konzept, in dem nur der I-Regler elektrisch realisiert wird, zu­ gleich den Vorteil, daß das schnelle und kräftige Reagieren dem mechanischen Regler überlassen werden kann, während das langsame und genaue Reagieren dem elektrischen Regler übertragen wird. Auf diese Weise ist es möglich, den elektrischen Teil, insbesondere das zu­ gehörige Netzgerät und auch den Motor schwach auszu­ legen. Die Stromversorgung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß ein in die Steckdose zu steckendes Klein­ netzgerät verwendet wird.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Bereitung von Mischwasser mit Kalt- und Warmwasserzuflüssen sowie einem Proportional- Regler zur Regelung der Mischwassertemperatur, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Proportional-Regler (5) ein Hilfsregler (6) mit integrierender Regelcha­ rakteristik zugeordnet ist, derart, daß der Hilfs­ regler (6) auf den Sollwertgeber des Proportional- Reglers (5) einwirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei als Proportional- Regler ein in Abhängigkeit von der Umgebungstempera­ tur auslenkbares Dehnstoffelement mit einem Ventil­ verschlußglied verbunden ist, das durch eine Stell­ bewegung die Eintrittsquerschnitte für Kalt- und Warmwasser in einer Mischkammer gegensinnig ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsregler (6) die Position des Dehnstoffelements in der Mischkammer (13) regelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Dehnstoff­ element von einer Schraubspindel in seiner Position in der Mischkammer veränderbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schraubspindel (51) über einen Elektromotor (52) stellbar ist, der von dem Hilfs­ regler (6) angesteuert ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (7) oder Sensor im Bereich des Mischwasserablaufs (4) die tatsächliche Mischwassertemperatur erfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (7) über eine Außenman­ schette (71) die Temperatur der Wandung des Rohres für das Mischwasser erfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß mit einem elektrischen Signal einer Schaltuhr oder dergleichen der Sollwert des Hilfsreglers (6), z.B. für eine Nachtabsenkung der Mischwassertemperatur, verstellbar ist.