DE4008193A1 - Verfahren zur regelung und steuerung einer speicherheizung zur raumbeheizung, insbesondere einer elektrischen fussbodenspeicherheizung - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Regelung und Steuerung einer Speicherheizung zur Raumbeheizung, insbesondere einer elektrischen Fußbodenspeicherheizung, bei welchem die zur Beheizung notwendige Aufheizleistung nur in einem bestimmten täglichen Freigabezeitraum einem Speicherkern der Speicherheizung zugeführt wird.

Ein derartiges Regel- und Steuerungsverfahren ist bei­ spielsweise aus DIN 44 574 bekannt. Diese Regelung wird im wesentlichen durch die Außentemperatur sowie die Tempera­ tur des Speicherkerns beeinflußt, wobei zu Beginn des täg­ lichen Freigabezeitraumes aus der entsprechenden Außen­ temperatur und der Temperatur des Speicherkerns, d. h. der möglicherweise noch im Speicherkern verbliebenen Restwär­ me, der Wärmebedarf und somit die Aufheizleistung ermit­ telt wird. Durch das Vorsehen eines Zeitgliedes können sog. Rückwärts-, Vorwärts-, oder Spreizsteuerungen ver­ wirklicht werden, welche die Leistungsaufnahme in den Anfangs- oder Endbereich des täglichen Freigabezeitraumes verschieben, wodurch eine möglichst gleichmäßige mittlere Leistungsaufnahme einer Vielzahl von mit Speicherheizungen ausgerüsteten Haushalten erreicht werden soll.

Dieses bekannte Regel- und Steuerverfahren hat sich in der Praxis aber als wenig zufriedenstellend erwiesen. Das Re­ gelverfahren ist insbesondere sehr träge, d. h. der Ein­ fluß von Störgrößen, wie Wärmequellen und Wärmesenken wird nur sehr indirekt und dadurch langsam erfaßt, so daß die gewünschte Raumtemperatur oftmals nicht wie gewünscht er­ reicht wird. So ist insbesondere im Winter häufig die Ver­ wendung von zusätzlichen Direktheizungen notwendig. Es ist außerdem erforderlich, daß bei Änderungen der baulichen Ge­ gebenheiten eines zu beheizenden Raumes, d. h. beispiels­ weise bei Veränderungen der Raumisolierung, die Regelung völlig neu eingestellt werden muß. Ein wesentlicher Nach­ teil liegt auch darin, daß sich eine über den gesamten Freigabezeitraum sehr unterschiedliche Leistungsaufnahme einstellt, so daß Leistungsspitzen und -senken auftreten, was insbesondere bei einer Vielzahl von mit derartigen Speicherheizungen ausgerüsteten Haushalten von erheblichem Nachteil ist.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine solche Regelung und Steuerung für Speicherheizungen derart weiterzubilden, daß einerseits eine möglichst gleichmäßige Leistungsaufnahme der Speicherheizung während des jewei­ ligen Freigabezeitraumes ermöglicht wird und andererseits zur Gewährleistung einer möglichst gleichmäßigen Raumtem­ peratur auftretende Störgrößen, wie Wärmequellen und -sen­ ken, möglichst direkt und schnell erfaßt und ausgeglichen werden können.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs be­ zeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu Be­ ginn des Freigabezeitraumes in Abhängigkeit von der vom Benutzer einstellbaren mittleren Solltemperatur des Rau­ mes, von der anfänglichen Isttemperatur des Raumes, von der Außentemperatur und von Wärmequellen und -senken (dyna­ misches Verhalten) des Raumes berücksichtigenden Parame­ tern eine konstante Aufheizleistung ermittelt wird, mit der der Speicherkern beheizt wird, wobei entsprechend der ermittelten Aufheizleistung ein zeitabhängiger Solltempera­ turverlauf des Raumes über den Freigabezeitraum vorbe­ stimmt wird, und daß während des Freigabezeitraumes mehr­ fach über einen Raumluftführer die aktuelle Isttemperatur des Raumes gemessen und mit der entsprechenden Solltempe­ ratur verglichen wird, wobei bei Abweichen der Ist- von der Solltemperatur über einen Regler die Aufheizleistung des Speicherkerns entsprechend verändert wird.

Mit diesem Verfahren wird bei einer weitgehend gleichmäßi­ gen Leistungsaufnahme der Speicherheizung eine nahezu gleichmäßige Temperatur des beheizten Raumes erreicht, auch wenn störende Einflüsse wie Wärmequellen und -senken vorhanden sind. Dazu wird am Anfang jedes Freigabezeit­ raumes eine Prognose erstellt, die in Abhängigkeit von der gewünschten und der vorhandenen Raumtemperatur und insbe­ sondere von das dynamische Verhalten des jeweiligen Raumes berücksichtigenden Parametern eine konstante Aufheiz­ leistung bestimmt, mit welcher der Speicherkern über die gesamte Dauer des Freigabezeitraumes beaufschlagt wird. Gleichzeitig wird aus der ermittelten Aufheizleistung ein Solltemperaturprofil des Raumes für den gesamten Freigabe­ zeitraum bestimmt. Diese Solltemperaturen werden mehrfach mit den entsprechenden, sich tatsächlich einstellenden Raumtemperaturen verglichen und bei einem Abweichen wird entsprechend die Aufheizleistung verändert, so daß der Einfluß von Störgrößen direkt berücksichtigt wird. Wenn die das dynamische Verhalten des zu beheizenden Raumes berücksichtigenden Parameter ausreichend genau sind, tritt überhaupt keine Abweichung der Ist- von der Solltemperatur auf, so daß über den gesamten Freigabezeitraum die Spei­ cherheizung mit der prognostizierten, konstanten Aufheiz­ leistung betrieben werden kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß der Freigabezeitraum in mehrere Einzelfreigabe­ zeiträume unterteilt wird, wobei zu Beginn eines jewei­ ligen Einzelfreigabezeitraumes eine konstante Aufheiz­ leistung mit zugehörigem Solltemperaturverlauf ermittelt wird. Durch diese Weiterbildung der Erfindung wird das Verfahren noch wesentlich verbessert, da die zu Anfang jedes Einzelfreigabezeitraums erstellte Prognose und damit die jeweilige Leistungsaufnahme wesentlich zuverlässiger wird, d. h. ein Abweichen der Isttemperatur des Raumes von der vorbestimmten Solltemperatur nahezu auszuschließen ist.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die das dynamische Ver­ halten des Raumes berücksichtigenden Parameter täglich aus den Aufheizleistungsdaten des Vortages neu bestimmt und anschließend über eine Mehrzahl von an vorhergehenden Tagen ermittelten Parametern gemittelt werden. Dadurch werden die Parameter automatisch an sich ändernde Randbe­ dingungen des zu beheizenden Raumes angepaßt, d. h. z. B. bei sich ändernden Witterungsverhältnissen oder auch bei Veränderungen im Raum selbst entsprechend verändert. Durch die Bildung eines Mittelwerts über mehrere Tage wird ver­ hindert, daß kurzfristige Änderungen, die nur einen be­ stimmten Tag betreffen, z. B. ein plötzlicher kurzfristi­ ger Kälte- oder Wärmeeinbruch die Regelung am nächsten Tage nicht nachhaltig beeinflussen und fehlleiten.

In weiterer Ausgestaltung sieht die Erfindung, daß die Aufheizleistung bei Abweichen der Solltemperatur von der Isttemperatur von einem Regler mittels Impulsbreitenmodu­ lation verändert wird. Dieses Steuerverfahren hat sich als besonders günstig erwiesen, eine Änderung der Leistungs­ aufnahme zu realisieren.

Schließlich sieht die Erfindung auch vor, daß mehrere zu beheizende Räume eine Wohneinheit über ein zentrales Regel­ gerät gekoppelt werden, wobei vom zentralen Regelgerät die Freigabezeiträume der einzelnen Räume jeweils unterschied­ lich gesteuert werden. Dabei ist jeder einzelne Raum einer Wohneinheit mit einer separaten, oben vorbeschriebenen Regelung und Steuerung versehen, d. h. in jedem einzelnen Raum kann unabhängig von den anderen Räumen jeweils eine eigene Raumtemperatur eingestellt und entsprechend verwirk­ licht werden. Durch die gemeinsame zentrale Regelung und die voneinander abweichenden Freigabezeiträume der einzel­ nen Räume wird eine annähernd gleichmäßige Gesamtleistungs­ aufnahme einer Wohneinheit sichergestellt, so daß sich keine Leistungsschwankungen ergeben.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1 ein vereinfachtes Signalflußdiagramm eines erfin­ dungsgemäßen Regel- und Steuerverfahrens und

Fig. 2 ein typisches Temperatur-/ Leistung- Zeitdia­ gramm.

Das in Fig. 1 wiedergegebene Signalflußdiagramm stellt vereinfacht die Regelung und Steuerung einer elektrischen Fußbodenspeicherheizung dar, wobei die Erfindung nicht auf eine derartige Speicherheizung beschränkt ist. Ein zu be­ heizender Raum 1 wird von einem im Bereich des Fußbodens angeordneten Speicherkern 2 mit Wärme beaufschlagt, wobei das Ausgangssignal des Speicherkerns mit X_aW bezeichnet ist.

Auf den Raum können Störgrößen Z₁, Z₂,..., Z_N einwirken, so beispielsweise Wärmeverluste durch die den Raum begrenzenden Flächen (Transmissionswärmeverluste), Wärmeverluste beim Belüften des Raumes, innere Energie­ quellen oder auch Wärmezufuhr durch Sonneneinstrahlung und dgl. mehr. Die jeweilige Raumlufttemperatur T_ist wird über einen entsprechenden Raumluftfühler 3 gemessen und auf ein Regelgerät 4 rückgekoppelt. Dabei besteht das Regelgerät 4 aus einem mit Regler 5 bezeichneten unteren Teil und einem als Prognose 6 bezeichneten oberen Teil.

Eingangsgrößen des Regelgerätes neben der jeweiligen Raum­ temperatur T_ist sind die von einem Witterungsfühler 7 gemessene Außentemperatur X_aF sowie eine vom Benutzer einzustellende mittlere Solltemperatur T_{soll Mittel}. Der im Signalflußdiagramm in der oberen Hälfte dargestellte Be­ reich des Regelgerätes 4 dient zur Prognose der benötigten Aufheizleistung. Zu Beginn jedes Freigabezeitraumes wird in Abhängigkeit von der Außentemperatur, der anfänglichen Raumtemperatur, der vom Benutzer eingestellten mittleren Raumsolltemperatur und von Wärmequellen und -senken des Raumes 1 (dynamisches Verhalten) berücksichtigenden Para­ metern eine konstante Aufheizleistung P_Prognose ermittelt. Die Güte dieser prognostizierten Leistung hängt dabei im wesentlichen von der Genauigkeit der das dynamische Verhalten berücksichtigenden Parameter ab.

Diese Parameter werden täglich neu bestimmt, und zwar aus den wärmetechnischen Daten des Vortages, d. h. insbeson­ dere aus den maximalen und minimalen Raumtemperaturwerten sowie den Aufheizzeiten und den jeweils prognostizierten Aufheizleistungen und den wirklich benötigten Aufheiz­ leistungen. Diese neuermittelten Parameter werden dann über eine Mehrzahl von an vorhergehenden Tagen ermittelten Parametern gemittelt, um extreme Störgrößeneinflüsse zu begrenzen.

Aus der ermittelten konstanten Leistung P_Prognose wird über den gesamten Freigabezeitraum ein zeitabhängiger Soll­ temperaturablauf des Raumes 1 ermittelt, der den theore­ tischen Temperaturverlauf des Raumes 1 beschreibt, wenn keine unvorhergesehenen Störgrößen auftreten. Der Speicher­ kern 2 wird sodann zunächst mit der prognostizierten Auf­ heizleistung beaufschlagt, d. h. zunächst wird eine kon­ stante Aufheizleistung an den Speicherkern 2 abgegeben. Über den Verlauf des Freigabezeitraumes wird nun fortlau­ fend die Raumtemperatur über den Raumluftfühler 3 gemessen und auf das Regelgerät 4 rückgekoppelt. Die jeweilige tat­ sächliche Raumtemperatur T_ist wird mit den vorbestimmten Solltemperaturwerten T_Soll verglichen. Stellt sich eine Abweichung zwischen T_Soll und T_ist ein, so wird über den Regler 5 die Aufheizleistung entsprechend verändert. Diese Leistungsänderung wird bevorzugt mittels einer Impulsbreitenmodulation 8 im Minutenbereich verwirklicht.

Vorteilhaft ist vorgesehen, daß der Freigabezeitraum in mehrere Einzelfreigabezeiträume unterteilt wird, d. h. innerhalb eines bestimmten Zeitraumes werden nacheinander mehrere Einzelfreigabezeiträume durchlaufen, in denen die Leistungsaufnahme der Speicherheizung stattfindet. Zu Be­ ginn eines jeden Einzelfreigabezeitraumes wird dann ent­ sprechend eine neue Prognose erstellt und eine Aufheiz­ leistung ermittelt. Durch diese Aufteilung in einzelne Freigabezeiträume wird eine noch genauere Regelung gewähr­ leistet, Abweichungen der vorbestimmten Solltemperatur des Raumes 1 von der tatsächlichen Raumtemperatur sind nahezu ausgeschlossen, so daß sich über einen Einzelfreigabezeit­ raum eine konstante Leistungsaufnahme einstellt.

In Fig. 2 ist ein derartiger Regelablauf dargestellt, wo­ bei in diesem Ausführungsbeispiel drei Einzelfreigabezeit­ räume vorgesehen sind, die in einem Hauptspeicherbereich zwischen etwa 18 Uhr abends und 6 Uhr morgens im Abstand von jeweils etwa 2 Stunden durchlaufen werden. Dabei ist ersichtlich, daß in jedem beheizten Raum jeweils eine kon­ stante Leistungsabgabe über einen Einzelfreigabezeitraum erfolgt.

Aus Fig. 2 ist ebenfalls der über der Tageszeit aufgetra­ gene Temperaturverlauf ersichtlich. Dabei ist zu erkennen, daß die tatsächliche Raumtemperatur jeweils nur gering­ fügig, d. h. etwa maximal 1 K vom vom Benutzer eingestell­ ten mittleren Temperatursollwert abweicht.

Aus Fig. 2 ist auch zu entnehmen, daß die an eine gesamte Wohneinheit abgegebene Leistung ebenfalls über einen je­ weiligen Einzelfreigabezeitraum jeweils konstant ist. Da­ bei ist jeder Raum einzeln mit einer in Fig. 1 dargestell­ ten Steuerung bzw. Regelung getrennt regulierbar, d. h. in jedem Raum können unbeeinflußt voneinander unterschied­ liche Temperaturwerte vorgegeben werden. Alle Räume sind dann über ein zentrales Regelgerät gekoppelt, das die Freigabezeiträume derart steuert, daß nicht an alle Räume gleichzeitig Leistung abgeben wird, sondern jeweils nur an einzelne, so daß keine unnötigen Leistungsspitzen auftre­ ten.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Weitere Ausge­ staltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu ver­ lassen. So kann das erfindungsgemäße Verfahren auch noch Zusatzfreigabezeiträume vorsehen, die dann freigegeben werden, wenn eine vorgegebene Zieltemperatur nicht er­ reichbar ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Regelung und Steuerung einer Speicherhei­ zung zur Raumbeheizung, insbesondere einer elektrischen Fußbodenspeicherheizung, bei welchem die zur Beheizung notwendige Aufheizleistung nur in einem bestimmten täg­ lichen Freigabezeitraum einem Speicherkern der Speicherhei­ zung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß zu Beginn des Freigabezeitraumes in Abhängigkeit von der vom Benutzer einstellbaren mittleren Solltemperatur des Raumes, von der anfänglichen Isttemperatur des Raumes, von der Außentemperatur und von Wärmequellen und -senken (dynamisches Verhalten) des Raumes berücksichtigenden Pa­ rametern eine konstante Aufheizleistung ermittelt wird,
mit der der Speicherkern beheizt wird, wobei entsprechend der ermittelten Aufheizleistung ein zeitabhängiger Solltem­ peraturverlauf des Raumes über den Freigabezeitraum vorbe­ stimmt wird, und daß während des Freigabezeitraumes mehr­ fach über einen Raumluftfühler die aktuelle Isttemperatur des Raumes gemessen und mit der entsprechenden Solltem­ peratur verglichen wird, wobei bei Abweichen der Ist- von der Solltemperatur über einen Regler die Aufheizleistung des Speicherkerns entsprechend verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Freigabezeitraum in mehrere Einzelfreigabezeiträu­ me unterteilt wird, wobei zu Beginn eines jeden Einzelfrei­ gabezeitraums eine konstante Aufheizleistung mit zugehö­ rigem Solltemperaturverlauf ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das dynamische Verhalten des Raumes berücksichti­ genden Parameter täglich aus den Aufheizleistungsdaten des Vortages neu bestimmt und anschließend über eine Mehrzahl von an vorhergehenden Tagen ermittelten Parametern ge­ mittelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizleistung bei Abweichen der Solltemperatur von der Isttemperatur von einem Regler mittels Impuls­ breitenmodulation verändert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zu beheizende Räume einer Wohneinheit über ein zentrales Regelgerät gekoppelt werden, wobei vom zentralen Regelgerät die Freigabezeiträume der einzelnen Räume je­ weils unterschiedlich gesteuert werden.