EP1248044B1 - Verfahren zur Inbetriebnahme eines Heizgerätes - Google Patents

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EP1248044B1
EP1248044B1 EP02006591A EP02006591A EP1248044B1 EP 1248044 B1 EP1248044 B1 EP 1248044B1 EP 02006591 A EP02006591 A EP 02006591A EP 02006591 A EP02006591 A EP 02006591A EP 1248044 B1 EP1248044 B1 EP 1248044B1
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EP
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heater
modulation
determined
volume
burner
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Sabine Bielski
Thomas Ernst
Jochen Grabe
Frank Hampicke
Sebastian Radu
Klaus Richter
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Vaillant GmbH
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Vaillant GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for adaptive heater modulation inhibit timing according to the introductory part of the independent claims.
  • Known wall heaters are often operated in the first few minutes with the smallest possible partial load to ensure long periods of operation and to avoid cycling operation. In this so-called heating modulation blocking time, the actual heat requirement is ignored and instead the device is operated with minimum load.
  • the minimum load corresponds to the minimum permissible load, which results from the basic conditions for a stable and low-emission burner operation (avoidance of lift-off and re-ignition when operating with boundary gases). Disadvantage of this method is that at high actual heat demand this is met only with a corresponding time delay, resulting in loss of comfort.
  • the document JP 04198661 mentioned some features.
  • the aim of the invention is to avoid this disadvantage and to ensure an early, needs-based performance adjustment at the same time long operating times.
  • the modulation setpoint MSW is a measure of the required heating power and specifies a corresponding setpoint. The maximum corresponds to the nominal load, the minimum to the minimum load.
  • T setpoint is the setpoint temperature of the heating circuit
  • T is the current temperature of the heating circuit, which can be both a supply and return temperature control.
  • I ⁇ is the sum of the control errors of the PI controller.
  • a change in the clock rate when determining the control deviation causes a corresponding change in the constants.
  • FIG. 1 is a block diagram of a heater, in which the inventive method is applied, shown.
  • the heater 27 has a burner 14 which is connected to a blower 16.
  • On the suction side 29 of the blower 16 are an air inlet 18 and a gas fitting 17, which in turn is connected to a gas port 19.
  • the burner 14 is located in a combustion chamber 28, which is separated by a heat exchanger 15 from an exhaust gas outlet 30.
  • the heat exchanger is connected on one side with a return line 23 and on the other side with a feed line 22.
  • In the flow line 22 is a temperature sensor 24, which in turn is connected to a control device 21.
  • This controller 21 has a memory module 25 and a computing module 26.
  • the controller 21 is connected to a motor 20 which drives the blower 16, an ignition electrode 31 and a monitoring electrode 32 directly to the burner 14.
  • the control unit 21 controls the motor 20 of the fan in such a way that the fan delivers a defined volume flow.
  • the gas fitting 17 adapts a particular fuel gas flow via its integrated gas-air composite to the volume flow that the fan 16 promotes. This fuel gas flow is smaller than the fuel gas flow at rated load and greater than the fuel gas flow at minimum load.
  • the controller 21 causes a spark between the electrodes of the ignition electrode 31 to ignite the fuel gas-air mixture exiting the burner 31. As soon as the monitoring electrode 31 detects the flame, the controller 21 reduces the Blower speed until the gas valve 17 promotes the minimum allowable gas flow. Now the heating modulation blocking time is determined.
  • the temperature sensor 24 detects the flow temperature and transmits its signal to the control.
  • the controller 21 determines the Wienungsmodulationsperrzeit. There are several possibilities for doing this: On the one hand, the modulation setpoint at a certain time or the average modulation setpoint from a series of measurements is determined at specific times. The value thus determined is assigned, by means of a continuous function, a certain heater modulation inhibit time or, according to another assignment method, by comparison with a threshold, allocated a certain short or a certain longer heater modulation disable time. After the determined Buchungsmodulationsperrzeit the controller 21 controls the motor 20 of the blower 16 as needed, whereby the gas valve automatically adapts the necessary fuel gas flow rate. As a result, the device performance of the heat request is adjusted.
  • Fig. 2 shows the modulation setpoint for two different power requirements according to the prior art and the inventive method.
  • the burner is first started with a specific modulation load M Start . If the burner is safely started, which is usually determined by measuring an ionisation current in the flame, then the burner load is then reduced (time t 0 ) to a minimum load M min and during the modulation blocking time 1 (until time t 1 ) Burner operated with this minimum load M min . After that, the load corresponds to the modulation request. If the modulation setpoint is very high (solid line 1), the unit is operated at maximum power; this corresponds to the maximum modulation setpoint M max .
  • the modulation blocking time is terminated after a shorter modulation blocking time 3 (time t 3 ) for the same heat demand and corresponding modulation setpoint and the device is subsequently operated with maximum power and corresponding modulation setpoint M max (dot-dash line 3).
  • the corresponding modulation blocking time 2 is terminated at a time t 2 (t 1 > t 2 > t 3 ) and the device is operated at partial load (modulation setpoint M 2 ) (dashed line 2).
  • Fig. 3 shows the flow chart for a method according to the invention for shortening the heating modulation blocking time.
  • n times the modulation setpoint is determined and detected. From these n values, the average is formed. If the average value is greater than a certain threshold (ie, high heat demand), then a short, predetermined heater modulation inhibit time (in this case 1 minute), otherwise a longer predetermined heater modulation inhibit time, heater modulation inhibit time (in this case, 2 minutes) is used.
  • a certain threshold ie, high heat demand
  • FIG Fig. 4 A further variant according to the invention for determining the heating modulation blocking time is shown in FIG Fig. 4 shown. Again, n values of the modulation setpoint are first recorded at specific times and then the mean value is formed. Based on this mean value, the heating modulation blocking time is determined from a linear relationship (according to function 4).
  • Fig. 5 shows for a variant of the method according to the invention the relationship between the measurements and the modulation.
  • Line 5 corresponds to the respectively calculated modulation setpoint as a function of time.
  • Line 6 corresponds to the modulation default value.
  • the modulation setpoint (7, 8, 9, 10, 11 and 12) determined: From these values, the average value is formed and determines the Schuungsmodulationssperrzeit, so that after the heating modulation blocking time at time t M, the load from the minimum load to the setpoint is increased.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur adaptiven Heizungsmodulationssperrzeitsteuerung gemäß dem einleitenden Teil der unabhängigen Ansprüche.
  • Bekannte Wandheizgeräte werden häufig in den ersten Minuten mit der kleinsten möglichen Teillast betrieben, um lange Betriebszeiten zu gewährleisten und taktenden Betrieb zu vermeiden. In dieser sogenannten Heizungsmodulationssperrzeit wird der tatsächliche Wärmebedarf ignoriert und stattdessen das Gerät mit Minimallast betrieben. Die Minimallast entspricht der minimal zulässigen Belastung, die sich aus den Rahmenbedingungen für einen stabilen und schadstoffarmen Brennerbetrieb (Vermeidung von Abheben und Rückzünden beim Betrieb mit Grenzgasen) ergeben. Nachteil dieses Verfahren ist, dass bei hohem tatsächlichem Wärmebedarf diesem erst mit entsprechender zeitlicher Verzögerung entsprochen wird, was zu Komforteinbußen führt. Das Dokument JP 04198661 erwähnt hierzu einige Merkmale.
  • Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und eine frühzeitige, bedarfsgerechte Leistungsanpassung bei gleichzeitig langen Betriebszeiten zu gewährleisten.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Heizgeräts gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche erreicht. Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird eine wärmebedarfsgerechte Heizungsmodulationssperrzeit ermöglicht.
  • Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass der Aufheizvorgang und die damit verbundene Veränderung der Temperatur des Heizsystems während der Startphase bei der Festlegung der Heizungsmodulationssperrzeit berücksichtigt wird.
  • Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich der Vorteil, dass lediglich eine Messung während der Startphase zur Festlegung der Heizungsmodulationssperrzeit notwendig ist.
  • Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 ergibt sich in eigenständig erfinderischen Weise ein vereinfachtes Verfahren, bei dem die Heizungsmodulationssperrzeit nicht kontinuierlich, sondern schrittweise verändert wird.
  • Durch die Merkmale des Anspruches 5 ergibt sich der Vorteil, dass bei dem vereinfachten Verfahren gemäß Anspruch 4 der Aufheizvorgang und die damit verbundene Veränderung der Temperatur des Heizsystems während der Startphase bei der Festlegung der Heizungsmodulationssperrzeit berücksichtigt wird.
  • Durch die Merkmale des Anspruches 6 ergibt sich der Vorteil, dass bei dem vereinfachten Verfahren gemäß Anspruch 4 lediglich eine Messung während der Startphase zur Festlegung der Heizungsmodulationssperrzeit notwendig ist.
  • Der Modulationssollwert MSW ist ein Maß für die erforderliche Heizleistung und gibt einen entsprechenden Sollwert vor. Das Maximum entspricht der Nennlast, das Minimum der Minimallast. Der Modulationssollwert MSW errechnet sich wie folgt: MSW = C 1 ⋅ T Soll - T lst + I Σ C 2 + C 3
    Figure imgb0001
     Hierbei sind C1, C2, und C3 Konstanten, die zumeist im Laborbetrieb für den vorteilhaften Betrieb ermittelt werden müssen. TSoll ist die Solltemperatur des Heizkreislaufs, TIst die momentane Temperatur des Heizkreislaufs, wobei es sich sowohl um eine Vorlauf-, als auch Rücklauftemperaturregelung handeln kann. IΣ ist die Summe der Regelabweichungen des PI-Reglers. I Σ , t = ∑ i = 0 l T Soll - T lst , i
    Figure imgb0002
  • Eine Veränderung der Taktrate beim Ermitteln der Regelabweichung bedingt eine entsprechende Veränderung der Konstanten.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
    • Dabei zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Heizgerätes, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann,
    • Fig. 2 den Verlauf des Modulationswertes,
    • Fig. 3 ein Flußdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren,
    • Fig. 4 einen möglichen Zusammenhang zwischen dem durchschnittlichen Modualtionssollwert und der Heizungsmodualtionssperrzeit,
    • Fig. 5 beispielhaft den zeitlichen Verlauf des Modulationssollwertes und des Modulationsvorgabewertes sowie die Messpunkte zur Bestimmung der Heizungsmodualtionssperrzeit und
    • Fig. 6 ein weiteres Flußdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren.
  • In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Heizgerätes, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, dargestellt. Das Heizgerät 27 verfügt über einen Brenner 14, der mit einem Gebläse 16 verbunden ist. Auf der Saugseite 29 des Gebläses 16 befinden sich ein Lufteinlaß 18 und eine Gasarmatur 17, die wiederum an einen Gasanschluß 19 angeschlossen ist. Der Brenner 14 befindet sich in einem Brennraum 28, der durch einen Wärmeaustauscher 15 von einem Abgasaustritt 30 getrennt ist. Der Wärmeaustauscher ist auf der einen Seite mit einer Rücklaufleitung 23 und auf der anderen Seite mit einer Vorlaufleitung 22 verbunden. In der Vorlaufleitung 22 befindet sich ein Temperatursensor 24, der wiederum mit einem Regelgerät 21 verbunden ist. Dieses Regelgerät 21 verfügt über ein Speichermodul 25 und ein Rechenmodul 26. Die Regelung 21 ist mit einem Motor 20, der das Gebläse 16 antreibt, einer Zündelektrode 31 und einer Überwachungselektrode 32 unmittelbar am Brenner 14 verbunden.
  • Beim Start des Heizgerätes steuert zunächst das Regelgerät 21 den Motor 20 des Gebläses so an, dass das Gebläse einen definierten Volumenstrom fördert. Die Gasarmatur 17 paßt einen bestimmten Brenngasstrom über ihren integrierten Gas-Luft-Verbund an den Volumenstrom, den das Gebläse 16 fördert, an. Dieser Brenngasstrom ist kleiner als der Brenngasstrom bei Nennlast und größer als der Brenngasstrom bei Minimallast. Die Regelung 21 veranlaßt, dass ein Funken zwischen den Elektroden der Zündelektrode 31 das Brenngas-Luft-Gemisch, das aus dem Brenner 31 austritt, zündet. Sobald die Überwachungselektrode 31 die Flamme erkennt, reduziert die Regelung 21 die Gebläsedrehzahl soweit, bis die Gasarmatur 17 den minimal zulässigen Gasdurchsatz fördert. Nun wird die Heizungsmodulationssperrzeit ermittelt. Hierzu erfaßt der Temperatursensor 24 die Vorlauftemperatur und gibt sein Signal an die Regelung weiter. Mittels des Speichermoduls 25 und des Rechenmoduls 26 ermittelt die Regelung 21 die Heizungsmodulationssperrzeit. Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten: So wird einerseits der Modulationssollwert zu einem bestimmten Zeitpunkt oder der durchschnittliche Modulationssollwert aus einer Reihe von Messungen zu bestimmten Zeitpunkten ermittelt. Dem so ermittelte Wert wird mittels einer stetigen Funktion eine bestimmte Heizungsmodulationssperrzeit zugewiesen oder ― gemäß eines anderen Zuweisungsverfahrens - durch einen Vergleich mit einem Grenzwert eine bestimmte kurze oder eine bestimmte längere Heizungsmodulationssperrzeit zugeteilt. Nach Ablauf der ermittelten Heizungsmodulationssperrzeit steuert die Regelung 21 den Motor 20 des Gebläses 16 bedarfsgerecht an, wodurch die Gasarmatur selbsttätig den notwendigen Brenngasdurchsatz anpaßt. Hierdurch wird die Geräteleistung der Wärmeanforderung angepaßt.
  • Fig. 2 zeigt den Modulationssollwert für zwei verschiedene Leistungsanforderungen gemäß dem Stand der Technik bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bei einer Leistungsanforderung wird gemäß dem Stand der Technik zunächst der Brenner mit einer bestimmten Modulationslast MStart gestartet. Ist der Brenner sicher gestartet, was in der Regel durch die Messung eines lonisationsstroms in der Flamme festgestellt wird, so wird die Brennerbelastung anschließend (Zeitpunkt t0) auf eine Minimallast Mmin reduziert und während der Modulationssperrzeit 1 (bis zum Zeitpunkt t1) der Brenner mit dieser Minimallast Mmin betrieben. Danach entspricht die Last der Modulationsanforderung. Bei sehr hohem Modulationssollwert (durchgezogene Linie 1) wird das Gerät mit maximaler Leistung betrieben; dies entspricht dem maximalen Modulationssollwert Mmax.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anpassung der Heizungsmodulationssperrzeit wird bei der gleichen Wärmeanforderung und entsprechendem Modulationssollwert die Modulationssperrzeit bereits nach einer kürzeren Modulationssperrzeit 3 (Zeitpunkt t3) beendet und das Gerät anschließend mit maximaler Leistung und entsprechendem Modulationssollwert Mmax betrieben (strich-punktierte Linie 3). Bei einem etwas geringeren Modulationssollwert wird die entsprechende Modulationssperrzeit 2 zu einem Zeitpunkt t2 (t1 > t2 > t3) beendet und das Gerät mit Teillast (Modulationssollwert M2) betrieben (gestrichelte Linie 2).
  • Fig. 3 zeigt das Flußdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verkürzung der Heizungsmodulationssperrzeit. Hierbei werden zu bestimmten, vorgegebenen Zeitpunkten n mal der Modulationssollwert bestimmt und erfaßt. Aus diesen n Werten wird der Durchschnitt gebildet. Ist der Mittelwert größer als ein bestimmter Schwellwert (d.h. große Wärmeanforderung), so wird eine kurze, vorgegebene Heizungsmodulationssperrzeit (in diesem Fall 1 Minute), ansonsten eine längere, vorgegebene Heizungsmodulationssperrzeit Heizungsmodulationssperrzeit (in diesem Fall 2 Minuten) verwendet.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Variante zur Bestimmung der Heizungsmodulationssperrzeit ist in Fig. 4 dargestellt. Auch hier werden zunächst n Werte des Modulationssollwerts zu bestimmten Zeitpunkten aufgenommen und anschließend der Mittelwert gebildet. Anhand diese Mittelwertes wird aus einem linearen Zusammenhang (gemäß Funktion 4) die Heizungsmodulationssperrzeit bestimmt.
  • Fig. 5 zeigt für eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens den Zusammenhang zwischen den Messungen und der Modulation. Die Linie 5 entspricht dem jeweils errechneten Modulationssollwert in Abhängigkeit von der Zeit. Die Linie 6 entspricht dem Modulationsvorgabewert. Zu den Zeitpunkten t7 bis t12 wird jeweils der Modulationssollwert (7, 8, 9, 10, 11 und 12) bestimmt: Aus diesen Werten wird der Mittelwert gebildet und entsprechend die Heizungsmodulationssperrzeit bestimmt, so dass nach Ablauf der Heizungsmodulationssperrzeit zum Zeitpunkt tM die Belastung von der Minimallast auf den Sollwert gesteigert wird.
  • Es besteht gemäß Fig. 5 jedoch auch die Möglichkeit, nur zu einem bestimmten Zeitpunkt t13 einen bestimmten Modulationssollwert 13 zu bestimmen und hieraus die Heizungsmodulationssperrzeit zu bestimmen. Das Flußdiagramm hierzu ist in Fig. 6 dargestellt.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Inbetriebnahme eines Heizgerätes (27), das einen Wärmeaustauscher (15) aufweist, der von einem Brenner (14) beheizt ist, dessen Brennstoffdurchsatz variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (14) bei Inbetriebnahme des Heizgerätes (27) unter Zuführung eines mittleren Gasdurchsatzes gezündet wird und dieser Gasdurchsatz anschließend nach erfolgter Zündung auf einen Kleinstdurchsatz für eine festlegbare Heizungsmodulationssperrzeit gehalten wird, die mit der Maßgabe variierbar ist, dass sie umso mehr verkürzt wird, je höher der für die Befriedigung des angeforderten Wärmebedarfs notwendige Modulationsgasdurchsatz gegenüber dem Kleinstdurchsatz liegt.
  2. Verfahren zur Inbetriebnahme eines Heizgerätes (27) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der erfolgten Zündung des Brenners (14) zu mehreren festgelegten Zeitpunkten der für die Befriedigung des angeforderten Wärmebedarfs notwendige Modulationsgasdurchsatz und hieraus wiederum der Mittelwert bestimmt wird und anhand dieses Mittelwertes und einer stetigen Funktion die Heizungsmodulationssperrzeit bestimmt wird.
  3. Verfahren zur Inbetriebnahme eines Heizgerätes (27) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der erfolgten Zündung des Brenners (14) zu einem bestimmten festgelegten Zeitpunkt der für die Befriedigung des angeforderten Wärmebedarfs notwendige Modulationsgasdurchsatz und hieraus mit Hilfe einer stetigen Funktion die Heizungsmodulationssperrzeit bestimmt wird.
  4. Verfahren zur Inbetriebnahme eines Heizgerätes (27), das einen Wärmeaustauscher (15) aufweist, der von einem Brenner (14) beheizt ist, dessen Brennstoffdurchsatz variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (14) bei Inbetriebnahme des Heizgerätes (27) unter Zuführung eines mittleren Gasdurchsatzes gezündet wird und dieser Gasdurchsatz anschließend nach erfolgter Zündung auf einen Kleinstdurchsatz für eine festlegbare Heizungsmodulationssperrzeit gehalten wird, die mit der Maßgabe variierbar ist, dass sie bei Überschreitung einer bestimmten Modulationsgasdurchsatzvorgabe einer bestimmten, vorgegebenen Heizungsmodulationssperrzeit und bei Unterschreitung dieser Modulationsgasdurchsatzvorgabe einer längeren, bestimmten, vorgegebenen Heizungsmodulationssperrzeit entspricht.
  5. Verfahren zur Inbetriebnahme eines Heizgerätes (27) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der erfolgten Zündung des Brenners (14) zu mehreren festgelegten Zeitpunkten der für die Befriedigung des angeforderten Wärmebedarfs notwendige Modulationsgasdurchsatz und hieraus wiederum der Mittelwert bestimmt wird und anhand dieses Mittelwertes die Heizungsmodulationssperrzeit bestimmt wird.
  6. Verfahren zur Inbetriebnahme eines Heizgerätes (27) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der erfolgten Zündung des Brenners (14) zu einem bestimmten festgelegten Zeitpunkt der für die Befriedigung des angeforderten Wärmebedarfs notwendige Modulationsgasdurchsatz und hieraus die Heizungsmodulationssperrzeit bestimmt wird.
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