DE4219653C1 - Verfahren zur Temperaturregelung mittels Heizungsanlagen - Google Patents

Description

Zu der Aufgabe, die Temperatur eines Raums auf einen definierten Wert einzustellen und auf diesem Wert zu halten, sind verschiedene Lösungswege bekannt geworden. Alle Verfahren streben minimalen Energieverbrauch bei maximalem Komfort an, der sich insbesondere in Form konstanter Raumtemperatur mit nur geringer Wechselamplitude darstellt. Der Mehrheit der Lösungen gemeinsam ist auch das technische Grundprinzip, Heizkörpern kontinuierlich Heizwasser als Wärmetransportmedium zuzuleiten.

Die einzelnen Lösungen unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich der Verfahren, die diesen kontinuierlichen Wärmefluß steuern oder regeln.

Das einfachste Verfahren ist ein direktes Regelungsverfahren, wobei einem ersten Eingang eines Regelverstärkers ein dem Soll-Wert der Raumtemperatur entsprechendes Signal und dem zweiten Eingang ein dem Ist-Wert der Raumtemperatur entsprechendes Signal aufgeschaltet wird. Das Ausgangssignal des Regelverstärkers steuert die Heizwassertemperatur derart, daß der vom Heizkörper abgegebene Wärmestrom gerade ausreicht, um die Ist-Temperatur des beheizten Raums an den vorgegebenen Soll-Wert anzugleichen. Dieses Verfahren weist zwei erhebliche Nachteile auf, welche auf der Ist-Werterfassung beruhen. Einerseits besitzen die erforderlichen Temperaturfühler eine im Verhältnis zum beheizten Raum sehr geringe Baugröße und nehmen die Temperatur eines nahezu punktförmigen Bereichs auf. Somit besteht das Risiko, daß Fremdwärmequellen oder -senken in der Nähe der Fühler falsche Raumtemperaturwerte vortäuschen und Fehlreaktionen der Regelung auslösen. Andererseits ist es erforderlich, den Temperaturfühler in genügend großem Abstand vom Heizkörper anzuordnen, damit der erfaßte Ist-Wert mit dem Mittelwert der Raumtemperatur übereinstimmt. Diese Betriebsbedingung verursacht jedoch eine erhebliche Trägheit der Regelung und des gesamten Heizsystems, da die Ist-Temperatur das Ergebnis einer zeitlichen Integration des Wärmestroms aus dem Heizkörper in den umgebenden Raum darstellt. Das Heizsystem kann auf die häufig raschen und starken Wechsel der Parameter, die auf den beheizten Raum einwirken, nur mit deutlicher Phasenverschiebung reagieren, die mit Abweichungen der Regelgröße Temperatur vom Soll-Wert einhergeht.

Weite Verbreitung hat die witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung gefunden, bei der die Vorlauftemperatur gemäß einer als Heizkurve bezeichneten nichtlinearen Regelfunktion der Außentemperatur die Raumtemperatur steuert. Da nach diesem Verfahren die Außentemperatur die einzige unabhängige Variable darstellt, müssen andere Einflüsse auf die Raumtemperatur, z. B. Fremdwärmequellen oder -senken wie Sonne und Wind, aber auch veränderlicher Heizwasserdurchsatz durch geeignete Sensoren erfaßt und über die Vorlauftemperaturregelung kompensiert werden.

In der DE-OS 28 11 153 wird eine Außentemperatursteuerung der Vorlauftemperatur vorgeschlagen, bei der Vor- und Rücklauftemperatur als mittelbare Meßgrößen für die Außentemperatur dienen. Dazu wird aus Vor- und Rücklauftemperatur sowie aus drei anlagespezifischen Faktoren ein Algorithmus als Steuersignal gebildet. Die unterstellte Konstanz der Faktoren widerspricht zum Teil den realen Betriebsbedingungen, da sich z. B. die Wärmedurchgangszahl von Wänden durch Verkleidungen und der Wärmekapazitätsfluß infolge von Betriebsstörungen der Heizwasserpumpe stark ändern können. Die behauptete Lastabhängigkeit der Vorlauftemperaturregelung wird verfehlt, weil nur die Außentemperatur als eine unter einer potentiell unbegrenzten Anzahl von Lastkomponenten, insbesondere in Form von Fremdwärmequellen im Steueralgorithmus enthalten ist. Die in der DE-OS 28 11 153 vorgeschlagene Lösung deckt sich funktionell weitgehend mit der gebräuchlichen witterungsgeführten Vorlauftemperaturregelung, verursacht jedoch einen noch höheren Aufwand als diese.

Die komplexe Aufgabe der Raumtemperaturregelung unter Sicherstellung hohen Komforts bei minimalem Energieumsatz wird durch die Außentemperatursteuerung nur in unbefriedigender Weise gelöst.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Raumtemperaturregelung mittels Heizungsanlagen anzugeben, das die bekanntgewordenen Verfahren dadurch übertrifft, daß es die Wirkung von sich ändernden Parametern rasch ausregelt und mit geringem Aufwand und einfacher Einstellung auf die spezifischen Betriebsbedingungen eine Minimierung des Energieverbrauchs bewirkt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe unterscheidet sich insofern grundsätzlich von den bekanntgewordenen, den Stand der Technik repräsentierenden Lösungen, als sie einen lastgerechten Energieumsatz sichert, der ein optimales Verhältnis der Temperaturgradienten am Heizkörper bei allen vorwählbaren Soll-Werten der Innentemperatur sowie unter allen Betriebsparametern innerhalb eines definierten Regelbereichs herstellt. Als wichtigste Parameter, die in die Heizfunktion einbezogen werden, können gelten: die Intensität des einfallenden Sonnenlichts, die Windgeschwindigkeit, die Leistung der Fremdwärmequellen, wie der Beleuchtung und der elektrischen Geräte sowie der anwesenden Personen und der Durchsatz des Heizwassers.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein vorwählbarer Soll-Wert der Raumtemperatur t_isoll mittels eines Regelverstärkers, dessen Verstärkung vorzugsweise gegen Unendlich geht, gemäß der Beziehung

mit einem Rückkopplungssignal verglichen wird, das der Differenz aus dem Mittelwert von Vor- und Rücklauftemperatur und der um einen einstellbaren Proportionalitätsfaktor d verstärkten Differenz aus der Vor- und Rücklauftemperatur entspricht, wobei der Faktor d das Verhältnis der Temperaturgradienten am Heizkörper beschreibt, und daß der Regelverstärker die Vorlauftemperatur durch Aussteuern des Heizwasseraufbereiters einstellt.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand der Abbildung erläutert.

Ein Regelverstärker 1 nimmt über den Eingang 2 das Steuersignal eines Soll-Wertgebers 4 für die Raumtemperatur t_i und über den Eingang 3 das aus der Vorlauftemperatur t_V und der Rücklauftemperatur t_R gebildete Ist-Wert-Rückkopplungssignal auf. Der Ausgang 5 des Regelverstärkers steuert über die Kessel- bzw. Vorlauftemperatur t_V den optimalen Wärmestrom W₁ aus der Heizwasseraufbereitung 6 über die Vorlaufleitung 7 in einen Heizkörper.

Ein erster Temperaturfühler 10, z. B. ein Pt-100- oder ein Ni-100-Fühler, erfaßt die Temperatur des Vorlaufs 7 und führt das Meßsignal über eine Leitung 11 an den Eingang eines Meßumformers 13, während ein zweiter, dem ersten baugleicher Temperaturfühler 14 die Temperatur des Rücklaufs 9 erfaßt und das Meßsignal über eine Leitung 15 an den Eingang eines Meßumformers 16 führt. Die beiden Meßumformer 13 und 16 dienen zur Kalibrierung der beiden anstehenden Meßsignale sowie zu deren Linearisierung und Verstärkung. Das Signal des Ausgangs 17 des Meßumformers 13 wird über eine Leitung 22 auf den Eingang 23 des Differenzverstärkers 24 geführt.

Entsprechend wird das Signal des Ausgangs 18 des Meßumformers 16 über eine Leitung 25 an den Eingang 26 des Mittelwertbilders 21 und über eine Leitung 27 an den Eingang 28 des Verstärkers 24 geführt. Dieser bildet die Differenz aus den Signalen an den Eingängen 23 und 28 und verstärkt diese um den Faktor d. Die Einstellung des Verstärkungsfaktors d kann beispielsweise mittels eines veränderlichen Widerstands 29 erfolgen. Das Signal am Ausgang 30 des Mittelwertbilders 21 wird über eine Leitung 31 an den ersten Eingang 32 eines Differenzverstärkers 33, der vorzugsweise auf den Verstärkungsfaktor Eins eingestellt ist, geführt, während das Signal des Ausgangs 34 des Differenzverstärkers 24 über eine Leitung 35 an einen zweiten Eingang 36 des Verstärkers 33 geführt wird. An dessen Ausgang 37 erscheint das Rückkopplungssignal für die Regelung, das über eine Leitung 38 an den Eingang 3 des Regelverstärkers 1 geführt wird.

Das erfindungsgemäße Regelverfahren behält seine Vorteile, wenn zusätzliche Heizkörper, insbesondere in Parallelschaltung aus der zentralen Heizwasseraufbereitung 6, mit Heizwasser versorgt werden.

Optimale Funktion des Gesamtsystems ist dann gegeben, wenn die zusätzlichen Heizkörper gleiches Wärmeübertragungsverhalten und somit gleichen spezifischen Faktor d aufweisen wie der einzelne Heizkörper gemäß der beschriebenen Basisanordnung bzw. wenn ein Quasi-Gleichlauf durch entsprechende Hilfsaggregate an den zusätzlichen Heizkörpern, wie z. B. durch Thermostatventile oder einfache, manuell zu bedienende Mischventile, hergestellt wird.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Überwachung der Heizfunktion bzw. der Grenzwerte der Betriebsparameter und die Signalgabe bzw. Funktionssteuerung bei Abweichungen von der Normalfunktion. Als Beispiele für Störungen des Normalbetriebs seien z. B. offene Fenster oder offene Türen zwischen beheizten und unbeheizten Räumen oder der behinderte Wärmefluß aus einem Heizkörper in den zu beheizenden Raum z. B. durch zu trocknende Handtücher über den Heizkörpern oder durch Belegen eines beheizten Fußbodens mit Teppichen genannt.

Heizungsanlagen, die dem Stand der Technik entsprechen, sind entweder gar nicht oder nur unter Einbeziehung aufwendiger Hilfsmittel in der Lage, solche Störungen zu erkennen und entsprechende Kontrollfunktion auszuüben. In der Mehrzahl der Anlagen werden völlig falsche bzw. sogar paradoxe Reaktionen ausgelöst.

So bewirkt ein geöffnetes Fenster üblicherweise die volle Aussteuerung der Heizkörperthermostate und somit der Heizkörper und verursacht erhöhten Energieumsatz, ohne daß die Heizung irgendeinen Zweck erfüllen könnte. Um Energieverluste durch unlogische Reaktionen der Anlage zu vermeiden, wird einem zu beheizenden Raum erfindungsgemäß ein Temperaturfühler zugeordnet, der den Ist-Wert der Raumtemperatur erfaßt und an einen Grenzwertschalter weiterleitet, der Ist- und Soll-Wert miteinander vergleicht und logisch sinnvolle Reaktionen auslöst, indem er z. B. Normalbetrieb bzw. Störung des Betriebs signalisiert oder, wie im Falle eines offenen Fensters, die Wärmezufuhr in den betreffenden Raum unterbricht.

Claims (3)

1. Verfahren zur Raumtemperaturregelung mittels Heizungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorwählbarer Soll-Wert t_isoll der Raumtemperatur t_i mittels eines Regelverstärkers (1), dessen Verstärkung vorzugsweise gegen Unendlich geht, gemäß der Beziehung mit einem Rückkopplungssignal verglichen wird, das der Differenz aus dem Mittelwert der Vorlauftemperatur t_V und der Rücklauftemperatur t_R und der um einen einstellbaren Proportionalitätsfaktor d verstärkten Differenz aus der Vorlauftemperatur t_V und der Rücklauftemperatur t_R entspricht, und daß der Regelverstärker die Vorlauftemperatur durch Ansteuern eines Heizwasseraufbereiters (6) einstellt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem zu beheizenden Raum ein Temperaturfühler zur Erfassung der Raumtemperatur und ein Grenzwertschalter zum Vergleich von Ist- und Soll-Wert der Raumtemperatur zugeordnet wird, der bei Abweichungen vom Normalbetrieb Störung signalisiert bzw. die Wärmezufuhr in den betreffenden Raum unterbricht.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Raumtemperaturregelung mittels Heizungsanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelverstärker (1), dessen Verstärkung vorzugsweise gegen Unendlich geht, über einen ersten Eingang (2) das Steuersignal t_isoll eines Soll-Wertgebers (4) für die Raumtemperatur t_i und über einen zweiten Eingang (3) das aus der Vorlauftemperatur t_V und der Rücklauftemperatur t_R gebildete Ist-Wert-Rückkopplungssignal aufnimmt, daß der Ausgang (5) des Regelverstärkers über die Vorlauftemperatur t_V den Wärmestrom W₁ aus der Heizwasseraufbereitung (6) über die Vorlaufleitung (7) in einen Heizkörper (8) steuert, daß ein erster Temperaturfühler (10) die Temperatur des Vorlaufs (7) erfaßt und sein Meßsignal dem Eingang eines ersten Meßumformers (13) zuführt, während ein zweiter Temperaturfühler (14) die Temperatur des Rücklaufs (9) erfaßt und sein Meßsignal dem Eingang eines zweiten Meßumformers (16) zuführt, daß die Ausgangssignale der Umformer (13, 16) an die Eingänge (23, 28) eines Differenzverstärkers (24) und an die Eingänge (20, 26) eines Mittelwertbilders (21) geführt werden, daß der Differenzverstärker (24) die Differenz aus den Signalen an den Eingängen (23) und (28) bildet und diese um einen einstellbaren Faktor d verstärkt, daß das Signal des Ausgangs (34) des Differenzverstärkers (24) an einen Eingang (36) eines Differenzverstärkers (33) geführt wird und daß das Signal des Ausgangs (30) des Mittelwertbilders (21) an den Eingang (32) des Verstärkers (33) geführt wird, an dessen Ausgang (37) das Rückkopplungssignal für die Regelung erscheint, das an den Eingang (3) des Regelverstärkers (1) geführt wird.