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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Steuerung von temperaturgesteuerten
Heizprozessen, insbesondere auf Heizkessel. Genauer gesagt, bezieht
sich die Erfindung auf eine verbesserte Heizkesselsteuereinheit,
welche ein Arbeitstaktverzögerungssteuergerät enthält.
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Hintergrund der Erfindung
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Heizkessel
zum Heizen der Räume
eines Gebäudes
und/oder zum Bereitstellen von Warmwasser aus einen Wasserhahn werden
für gewöhnlich durch
ein Thermorelais gesteuert, welches eine Ein- /Aus-Temperatursteuerung bereitstellt.
Solche Heizkessel sind typischerweise derart bemessen, dass sie
dazu in der Lage sind, Zustände
zu verwalten, bei welchen eine extrem hohe Heizanforderung vorliegt,
das heißt
während
der kältesten
Wintertage. Dies bedeutet, dass die Kapazität von dem Heizkessel zum größten Ausmaß innerhalb
der kalten Jahresperioden verwendet wird. Während des restlichen Jahres
sind die Heizkessel überdimensioniert
und ist die Gesamtwirksamkeit daraus folgend nicht optimal.
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Stand der Technik
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Eine
Lösung
für das
obige Problem ist in der
EP-651
873 dargelegt, welche eine Arbeitstaktverzögerungssteuereinheit
zum Heizen eines Heizkessels offenbart, welcher mit einem Brenner
ausgestattet ist, welcher Ein- und Aus steuerbar ist. Die Verwendung von
einer solchen Steuereinheit führt
zu einer verbesserten Gesamtenergieeffizienz, insbesondere in Zeitperioden
mit niedrigen Lasten, das heißt
während moderater
und warmer Jahreszeiten. Der Heizkessel ist mit einem Thermorelais
bereitgestellt, welches ein Signal in Ansprechen auf die Temperatur
bereitstellt, welches eingeschaltet wird, wenn die Temperatur in dem
Heizkessel einen niedrigeren Temperaturstand unterschreitet, und
ausgeschaltet wird, wenn die Temperatur in dem Heizkessel einen
höheren
Temperaturstand überschreitet.
Wenn der hohe Temperaturstand erreicht wird, wird der Brenner ausgeschaltet,
welches ebenfalls der Fall sein würde, wenn das Thermorelais
den Brenner direkt steuert. Wenn jedoch der niedrige Temperaturstand
erreicht wird, wird der Brenner nicht unmittelbar eingeschaltet,
wie dies der Fall sein würde,
wenn das Thermorelais den Brenner direkt steuert. Anstelle dessen
ist die Steuereinheit zum Messen der Kühlzeit des Heizkessels angeordnet,
indem die Zeit gemessen wird, welche zwischen dem Ein-/Aus-Übergang
und dem Aus-/Ein-Übergang
des Signals, welches durch das Thermorelais bereitgestellt wird,
verstrichen ist. Die Steuereinheit ist ferner dazu ausgelegt, einen
bestimmten Prozentanteil zu dieser Kühlzeit hinzuzufügen, welches
zu einer Zeitverzögerung
führt,
und den Brenner einzuschalten, wenn diese Zeitverzögerung verstrichen
ist.
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Eine
Steuereinheit, welche gemäß den Prinzipien
arbeitet, welche in der
EP-651
873 offenbart sind, ist auf dem Markt unter der Marke „MicroTherm" (siehe www.energy-control-systems.no)
erhältlich. Die „MicroTherm"-Steuerung enthält ebenfalls
eine Schnittstelle zur Verbindung mit einem externen Computer, wie
beispielsweise ein Notebook oder ein Handheld-Computer. Bestimmte
Konfigurationsparameter, wie beispielsweise der Kühlzeitverzögerung-Prozentanteil
(mit „E-Faktor" gekennzeichnet), können mittels
eines Programms eingestellt werden, welches durch den externen Computer
ausgeführt wird.
Ebenfalls können
bestimmte Werte von der Steuerung an den Computer ausgegeben werden, wie
beispielsweise die akkumulierte Einschaltzeit des Brenners.
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Die
DE 10 057 942 offenbart
eine Heizkesselsteuereinheit zum Steuern einer Heizvorrichtung in
einem Heizkessel, welche ein Arbeitstakt-Verzögerungssteuergerät enthält, um die
Heizvorrichtung zu aktivieren oder zu deaktivieren, wobei das Arbeitstaktverzögerungssteuergerät durch
ein Thermorelais betätigt
wird, das ein auf Temperatur ansprechendes Signal liefert und einschaltet,
wenn die Temperatur im Heizkessel einen niedrigeren Temperaturstand
unterschreitet, und ausschaltet, wenn die Temperatur im Heizkessel
einen höheren
Temperaturstand überschreitet,
und wobei das Arbeitstaktverzögerungssteuergerät dazu eingerichtet
ist, um die Abkühlzeit des
Heizkessels zu bestimmen, indem die Zeit gemessen wird, die zwischen
dem Ein-/Aus-Übergang und
dem Aus-/Ein-Übergang
des vom Thermorelais gelieferten Signals verstreicht, um eine Verzögerung als
einen bestimmten Prozentanteil der Abkühlzeit zu bestimmen, um die
Heizvorrichtung im Wesentlichen zu dem Zeitpunkt zu deaktivieren,
zu dem das Thermorelais abschaltet, und um die Heizvorrichtung zu einem
Zeitpunkt zu aktivieren, der durch die Verzögerung nach dem Aus-/Ein-Übergang
des durch das Thermorelais gelieferten Signals gegeben ist, wobei die
Heizkesselsteuereinheit darüber
hinaus einen Eingang eines Signals von einem Temperaturfühler umfasst,
wobei der Prozentanteil in Abhängigkeit
von dem vom Temperaturfühler
kommenden Signal dynamisch variabel ist.
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Solche
Steuerungen aus dem Stand der Technik stellen, verglichen mit der
herkömmlichen Thermorelais-Steuerung,
eine verbesserte Energiewirksamkeit bereit. Der Kühlzeitverzögerung-Prozentanteil oder „E-Faktor" ist jedoch eine
statische Größe, welche
durch einen Bediener zuvor eingestellt werden muss. Die Auswahl
eines geeigneten „E-Faktors" basierte bisher
auf Experimenten und Erfahrung.
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Umriss der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe von der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
Arbeitstaktverzögerungssteuergerät für einen
Heizkessel bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe von der Erfindung, eine solche Heizkesselsteuereinheit
bereitzustellen, welche die Notwendigkeit einer manuellen Einrichtung
und Einstellung des Kühlzeitverzögerung-Prozentanteils („E-Faktor") beseitigt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe von der Erfindung, eine derartige Steuereinheit
bereitzustellen, welche innerhalb sich ändernder Betriebsumstände, wie
beispielsweise die variierende Last innerhalb der Jahreszeitenwechsel,
eine verbesserte Energiewirksamkeit bereitstellt.
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Die
oben angegebenen Aufgaben und weitere Vorteile werden durch eine
Heizkesselsteuereinheit erzielt, wie im begleitenden Anspruchssatz
dargelegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Schaubild, welches einen Heizkessel, welcher durch
eine Steuereinheit gesteuert wird, gemäß dem Stand der Technik darstellt;
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2 ist
ein Kurvenverlauf, welcher die Heizkesseltemperatur als eine Funktion
zur Zeit darstellt;
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3 ist
ein schematisches Schaubild, welches einen Heizkessel, welcher durch
eine Steuereinheit gesteuert wird, gemäß der Erfindung darstellt;
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, welches eine Folge von Schritten darstellt,
welche durch das Arbeitstaktverzögerungssteuergerät gemäß der Erfindung
durchgeführt
werden.
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In
den Figuren sind identische Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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Genaue Beschreibung der Erfindung
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1 ist
ein schematisches Schaubild, welches einen Heizkessel 1,
welcher durch eine Steuereinheit 10 gesteuert wird, gemäß dem Stand
der Technik darstellt, und genauer gesagt, die oben erwähnte „MicroTherm"-Arbeitstaktverzögerungssteuereinheit
darstellt.
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Der
Heizkessel 1 enthält
einen Wassertank 3, eine Einlassleitung 4, eine
Auslassleitung 5 und einen Brenner 2, welcher
auf die Weise eines Ein- und Ausschaltens durch das Arbeitstaktverzögerungssteuergerät 11 in
der Steuereinheit 10 gesteuert wird. Ein Thermorelais 6 stellt
ein auf die Temperatur ansprechendes Signal 7 bereit, welches
eingeschaltet wird, wenn die Temperatur in dem Heizkessel einen niedrigeren
Temperaturstand unterschreitet. Das Signal 7 wird ferner
ausgeschaltet, wenn die Temperatur in dem Heizkessel einen höheren Temperaturstand überschreitet.
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Das
Arbeitstaktverzögerungssteuergerät 11 ist
ferner dazu ausgelegt, um ein Steuersignal 8 zur Eingabe
an den Brenner 2 zu erzeugen, um den Brenner 2 als
eine Funktion des Thermorelais-Signals
und der Zeit ein- und auszuschalten. Genauer gesagt wird das Steuersignal
unmittelbar dann ausgeschaltet, wenn das Thermorelais-Signal 7 ausgeschaltet
wird, und wird das Steuersignal bei einem verzögerten Zeitpunkt eingeschaltet,
nachdem das Thermorelais-Signal 7 eingeschaltet ist. Die
Verzögerung
wird durch die Steuerung 11 als ein bestimmter Prozentanteil
von der Heizkessel-Kühlzeit
berechnet, das heißt,
jene Zeit, die zwischen dem Ein-/Aus-Übergang und dem Aus-/Ein-Übergang
des vom Thermorelais 6 bereitgestellten Signals 7 verstreicht.
Die Steuereinheit 10 ist ferner dazu ausgelegt, um mit
einem externen Computer 13 zu kommunizieren.
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Es
ist ein Temperatursensor 15 dazu angeordnet, um die Temperatur
von dem Wasserhahn-Warmwasser
am Auslass 5 des Tanks 3 zu messen. Die Steuerung 11 aus
dem Stand der Technik ist dazu ausgelegt, um die Temperatur, welche durch
den Temperaturfühler 15 gemessen
ist, mit einem zuvor eingestellten niedrigeren Temperaturstand zu
vergleichen, und den Brenner zu starten, wenn die gemessene Temperatur
niedriger als der niedrigere Temperaturstand wird.
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Der
Kühlzeitverzögerung-Prozentanteil
oder „E-Faktor", welcher im Prozentanteil-Register 12 gespeichert
ist, ist ein festgelegter Wert, welcher durch den externen Computer 13 zuvor
eingestellt werden kann.
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2 ist
ein Kurvenverlauf, welcher die Heizkesseltemperatur als eine Funktion
zur Zeit darstellt, um den Betrieb des Arbeitstaktverzögerungssteuergeräts darzustellen.
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Zum
Zeitpunkt τ1
wird das Signal 7, welches durch das Thermorelais 6 bereitgestellt
ist, ausgeschaltet, und schaltet die Steuerung 11 den Brenner 2 aus.
Die Kühlzeit
des Thermorelais wird durch die Steuerung 11 als die Zeitperiode
(τ2 – τ1) gemessen. Bei τ2 wird das
Signal 7, welches durch das Thermorelais 6 bereitgestellt
ist, eingeschaltet. Das Arbeitstaktverzögerungssteuergerät 11 wird
den Brenner nicht unmittelbar zum Zeitpunkt τ2 starten, sondern den Start
bis zum Zeitpunkt τ3
verzögern.
Die Verzögerung
(τ3 – τ2) wird durch
die Steuerung 11 als der gespeicherte Verzögerungs-Prozentanteil
von der gemessenen Kühlzeit
(τ2 – τ1) berechnet.
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3 ist
ein schematisches Schaubild, welches einen Heizkessel darstellt,
welcher durch eine Steuereinheit 20 gemäß der Erfindung gesteuert wird.
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Ein
Heizkessel 1 enthält
einen Ölbrenner 2 und
einen Wassertank 3, welcher Wasser enthält, welches durch den Brenner 2 erwärmt wird.
Das Heizgerät
enthält
ferner eine Warmwasserleitung 5, welche ferner mit einer
Anzahl von Wasserhähnen (nicht
gezeigt) und/oder einem Raumheizsystem (nicht gezeigt) verbunden
sein kann, welches mit einem Nebenventil, einer Zirkulationspumpe
und Radiatoren bereitgestellt ist. Das Heizgerät enthält ferner eine Eingangsleitung 4 zur
Zuführung
von Kaltwasser als auch einen Schornstein (nicht gezeigt) zum Ausstoßen von
Fluidgasen, welche aus der Verbrennung von Öl herrühren.
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Die
Steuereinheit 20 enthält
ein verbessertes Arbeitstaktverzögerungssteuergerät 21 und
ein Zeitverzögerungs-Prozentanteilregister 12.
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Ähnlich dem
Arbeitstaktverzögerungssteuergerät 11 aus
dem Stand der Technik, wie in 1 dargestellt,
ist das verbesserte Arbeitstaktverzögerungssteuergerät 21 dazu
ausgelegt, ein auf die Temperatur ansprechendes Signal 7 einzugeben,
welches durch ein Thermorelais 6 bereitgestellt wird, welches
dazu ausgelegt ist, um die Temperatur des Wassers abzutasten, welches
im Wassertank 3 vorliegt. Das Thermorelais 6 bewirkt,
dass das auf die Temperatur ansprechende Signal 7 eingeschaltet wird,
wenn die Temperatur in dem Heizkessel einen niedrigeren Temperaturstand
unterschreitet, und dass es ausgeschaltet wird, wenn die Temperatur
in dem Heizkessel einen höheren
Temperaturstand überschreitet.
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Ferner
ist das Arbeitstaktverzögerungssteuergerät 21 gemäß dem in
der D1 dargestellten Stand der Technik dazu ausgelegt, um eine Arbeitstaktverzögerungssteuerfunktion
durchzuführen,
welche im Folgenden beschrieben wird.
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Wenn
das Thermorelaissignal 7 ausgeschaltet wird, deaktiviert
die Steuerung 21 das Brennersteuersignal 8, welches
dazu führt,
dass der Brenner 2 ausgeschaltet wird. Dies tritt im Wesentlichen
unmittelbar, wie beispielsweise innerhalb weniger Sekunden, auf,
das heißt
ohne wesentliche oder bewusste Verzögerung.
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Das
Arbeitstaktverzögerungssteuergerät 21 ist
ferner dazu ausgelegt, um die Kühlzeit
zu berechnen, das heißt
jene Zeit (τ2 – τ1) des Temperaturabfalls
von dem hohen Temperaturstand T2 zu einem niedrigen Temperaturstand
T2. Dies wird durchgeführt,
indem die Zeit gemessen wird, welche zwischen denn Ein-/Aus-Übergang
und dem Aus-/Ein-Übergang
des Signals 7, welches durch das Thermorelais 6 bereitgestellt
wird, verstreicht.
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Das
Arbeitstaktverzögerungssteuergerät 21 ist
ferner dazu ausgelegt, um einen Prozentanteilwert aus dem Zeitverzögerungs-Prozentanteilregister 12 auszulesen,
und eine Zeitverzögerung
zu berechnen, welche gleich der Kühlzeit multipliziert mit diesem Prozentanteilwert
ist.
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Wenn
die Wassertemperatur, welche durch das Temperatursignal 7 angezeigt
ist, unterhalb des niedrigen Temperaturstands fällt, wird das Signal, welches
durch das Thermorelais bereitgestellt wird, eingeschaltet. Dieser
Aus-/Ein-Übergang
von dem Thermorelaissignal führt
nicht dazu, dass der Brenner unmittelbar eingeschaltet wird. Anstelle
dessen ist die Steuerung dazu ausgelegt, den Brenner einzuschalten,
wenn die berechnete Zeitverzögerung
verstrichen ist. Auf diese Art und Weise wird eine Erweiterung der
Ausschaltzeit des Heizkessels erlangt, welches zu einer Reduktion
des gesamten Energieverbrauchs, das heißt das Öl, durch den Brenner 2 führt.
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Wenn
der Prozentanteilwert auf Null eingestellt ist, wird das Arbeitstaktverzögerungssteuergerät als eine
herkömmliche
Ein-/Aus-Steuerung wirken, das heißt mit der gleichen Funktion,
als wenn das Thermorelais direkt durch den Brenner gesteuert wird.
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Die
Temperatursteuereinheit 20 ist ferner dazu ausgelegt, um über eine
Kommunikationsverbindung 14 mit einem externen Computer 13 zu
kommunizieren. Die Kommunikationsverbindung 14 kann auf
einer drahtgebundenen Verbindung, wie beispielsweise eine serielle
Kommunikation, oder einer lokalen, drahtlosen Verbindung, wie beispielsweise eine
Infrarotverbindung oder eine funkbasierte Verbindung (beispielsweise
Bluetooth), basieren. Alternativ kann die Kommunikationsverbindung 14 ein
Telekommunikationsnetzwerk enthalten, wie beispielsweise das öffentliche
Netzwerk oder ein zellulares Netzwerk. Der Prozentanteilwert kann
durch den externen Computer 13 über die Schnittstelle 26 eingestellt
und/oder ausgelesen werden.
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Ein
neues und verschiedenartiges Merkmal von der Erfindung ist das Prozentanteilwert-Berechnungsmodul 23,
welches ein Teil von dem verbesserten Arbeitstaktverzögerungssteuergerät 21 ist.
Das Modul 23 ist dazu ausgelegt, den Verzögerungszeit-Prozentanteilwert,
welcher in dem Register 12 gespeichert ist, gemäß den Änderungen
in der Temperatur, welche durch den Temperaturfühler 15 gemessen wird,
dynamisch zu ändern.
Die Funktion des Prozentanteilwert-Berechnungsmoduls 23 wird ferner
mit Bezug auf die folgende 4 beschrieben.
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Bei
einer bevorzugten Implementierung ist das Arbeitstaktverzögerungssteuergerät 21,
welches das Prozentanteilwert-Berechnungsmodul 23 enthält, als
ein Softwaremodul zur Ausführung
durch einen Microcontroller, welcher in der Steuereinheit 20 enthalten
ist, implementiert. Das Zeitverzögerungsregister 12 ist
ein Teil von einem Speicher, welcher mit dem Microcontroller verbunden
ist. Der Speicher enthält
einen Arbeitsspeicher für
variable Daten und einen nichtflüchtigen
Speicher, welcher festgelegte Daten und Programmanweisungen enthält. Die
Implementierung der Programmanweisungen ist, basierend auf der in
dieser Spezifikation angegebenen Beschreibung, eine für den Fachmann
herkömmliche Arbeit.
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, welches die Prozessschritte darstellt, welche
durch das verbesserte Arbeitstaktverzögerungssteuergerät gemäß der Erfindung
durchgeführt
werden.
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Der
Prozess beginnt bei dem Anfangsschritt 31. In Schritt 32 wird
die Temperatur T1 zum Zeitpunkt τ1,
das heißt,
wenn das Thermorelais 6 ausgeschaltet wird, gemessen und
gespeichert. Dann wird bei Schritt 33, welcher eingeleitet
wird, indem das Thermorelais 6 eingeschaltet wird, das
heißt
zum Zeitpunkt τ2,
die Temperatur T2 gemessen und gespeichert. Dann wird der Zeitpunkt τ3 bestimmt,
indem die Kühlverzögerung als
(τ2 – τ1) multipliziert
mit dem Verzögerungs-Prozentanteil,
welcher im Register 12 gespeichert ist, berechnet wird.
Zum Zeitpunkt τ3
wird bei Schritt 34 die Temperatur T3 gemessen und gespeichert.
Als Nächstes
wird der Berechnungsschritt 35 durchgeführt. Die Temperaturdifferenz
T2 – T3
wird berechnet, und die Temperaturdifferenz (T1 – T2) wird mit einer vorbestimmten,
gespeicherten Konstante ED multipliziert. Der Wert von ED beträgt typischerweise
zwischen 0,25 und 0,75. Am meisten bevorzugt beträgt ED etwa
0,50.
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Dann
werden im Entscheidungsschritt 36 die Ergebnisse des vorangehenden
Schrittes 35 verglichen. Wenn gilt T2 – T3 < ED × (T1 – T2), wird Schritt 38 durchgeführt, wobei
der Prozentanteilwert, welcher im Register 12 gespeichert
ist, um einen Inkrementalwert ES erhöht wird. Andererseits wird
der Prozentanteilwert, welcher im Register 12 gespeichert
ist, um einen Dekrementalwert verringert, welcher typischerweise
identisch dem Inkrementalwert ES ist.
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Der
Inkrementalwert beträgt
typischerweise zwischen 2% und 10%, und am bevorzugtesten etwa 5%.
In einem der Fälle
fährt der
Prozess mit Schritt 39 fort, welcher die Prozesssteuerung
für die
Verarbeitung eines nächsten
Temperaturzyklus zum Anfangsschritt 31 zurückbringt.
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Obwohl
die Heizvorrichtung, welche in der detaillierten Beschreibung erwähnt ist,
ein Ölbrenner ist,
wird der Fachmann ebenfalls realisieren, dass die Erfindung ebenfalls
mit weiteren Heizvorrichtungen anwendbar ist, beispielsweise ein
Elektroheizer oder ein Gasheizer.