EP1310736A2 - Regelverfahren und Regler zur Regelung eines Brenners - Google Patents

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EP1310736A2
EP1310736A2 EP02023855A EP02023855A EP1310736A2 EP 1310736 A2 EP1310736 A2 EP 1310736A2 EP 02023855 A EP02023855 A EP 02023855A EP 02023855 A EP02023855 A EP 02023855A EP 1310736 A2 EP1310736 A2 EP 1310736A2
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EP
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temperature
switch
burner
maximum
sdaus
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EP02023855A
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EP1310736B1 (de
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Harry Gerstner
Dieter Dr. Pfannstiel
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Siemens Building Technologies AG
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    • F23N2223/36—PID signal processing

Definitions

  • the present invention relates to a control method for controlling a burner Heating device, in particular for controlling the burner of a hot water heater according to the preamble of claim 1, a controller for Regulation of such a burner according to the preamble of claim 14 and a preferred use of the method or the controller according to claim 16th
  • Such control methods and controllers for controlling a burner in particular for Control of the burner of a water heater for heating a Heat transfer medium, such as water, are already known, here basically two different principles are applied. This is the case with some Manufacturers of such heaters the process water or the one to be heated Heat transfer medium in a continuous flow principle directly via a heat exchanger from one The burner heats up, while at other manufacturers a second heat exchanger, i.e. a so-called secondary heat exchanger is used for domestic water heating.
  • the heat transfer medium is used either directly via a primary heat exchanger or indirectly using the heated one Water of the heating is heated via a secondary heat exchanger and at suitable Tap points, for example in the kitchen or in the bathroom.
  • burners of such thermal baths are carried out by measurement the outlet temperature at the outlet of the heater. That through an enema the heat transfer medium supplied to the heating device has a certain inlet temperature there and at the outlet of the heater a certain outlet temperature.
  • the heat transfer medium is heated, for example, by means of a PI controller or a PID controller depending on a target temperature and the outlet temperature regulated.
  • the control difference is fed to the controller, while this is then a suitable manipulated variable, for example a signal for setting the burner output, emits.
  • the outlet temperature changes depending on the tapping quantity, the condition of the Burner and the burner output. After turning on the burner, for example due to a requirement of the heat transfer medium or because of a lower switch-on temperature of the heat transfer medium, the temperature drops of the heat transfer medium initially a little, then due to the heating to rise with the burner switched on. In the course of the others The burner draws off heat transfer medium depending on an upper switch-off temperature or a lower switch-on temperature is switched on or off. When tapping the heat transfer medium for the first time, there are stronger ones due to the system Fluctuations in the temperature of the heat transfer medium. These temperature fluctuations result, for example, from that still in the pipelines located heat transfer medium that must be removed, or by the necessary Heating of the pipeline up to the tap.
  • the outlet temperature should be kept as constant as possible, i.e. as close as possible to the setpoint set by the user of the heat transfer medium.
  • the burner should not be switched on and off too often be, as this not only loads the burner, but also in terms of exhaust technology and in terms of fuel consumption is unfavorable.
  • the invention is therefore based on the object of conventional control methods To improve the control of such burners or corresponding regulators in such a way that On the one hand, frequent burner switching on and off avoided and at the same time a constant outlet temperature is achieved.
  • the invention is based on the knowledge that when a burner is switched on due to the irregularities mentioned during the heating of the pipeline to the tap as well as by expelling the still in the pipes fluctuations in the outlet temperature are acceptable are, but these subside after a short settling process.
  • the invention therefore provides a dynamic variable switch-off difference, which in a corridor between a maximum switch-off temperature and a minimum one Switch-off temperature is.
  • the control method measures the increase in the case of a predeterminable burner output Outlet temperature, especially after the burner is switched on for the first time and detected a first maximum of the outlet temperature, i.e. every point where the temperature of the heat transfer medium after a first rise, for example due to an increased draw-off volume compared to the set burner output, falls off again.
  • the control method according to the invention uses as next switch-off temperature, i.e. as the next upper limit of the dynamic switch-off difference a value between the previously set maximum switch-off temperature and the first maximum of the outlet temperature, which previously corresponded was measured.
  • the first maximum of the outlet temperature is advantageous measured, then a first difference between the maximum switch-off temperature and to calculate the first maximum of the outlet temperature. in the Following this, the next switch-off temperature is determined using this first calculated difference determined. This can be the case for any subsequent, resulting maximum the temperature of the heat transfer medium are repeated. The following The difference between the current switch-off temperature is then calculated and the maximum formed.
  • the difference from the current switch-off temperature is advantageously the next switch-off temperature and half of the first difference used.
  • the next switch-off temperature and half of the first difference used Generally applies following rule:
  • the next switch-off temperature is the difference from the i-th switch-off temperature and half of the i-th difference and the i-th maximum of the outlet temperature. This corresponds to the previous switch-off temperature minus half the i-th difference.
  • the control method according to the invention advantageously uses the difference as the i-th difference between the maximum switch-off temperature or the previous switch-off temperature and a minimum switch-off temperature if the ith maximum of the outlet temperature is below the minimum switch-off temperature.
  • the maximum switch-off temperature advantageously uses the maximum switch-off temperature as the next switch-off temperature, if the i-th maximum of the outlet temperature is above the maximum switch-off temperature, i.e. above the originally set upper limit of the dynamic Switch-off difference is.
  • control method starts according to a preferred embodiment of the present invention, the measurement of the i-th maximum only after the measurement of a previous (i-1) th minimum, i.e. that after measuring the (i-1) th maximum a further (i -1) th minimum has to be detected before the control method starts measuring the i-th maximum.
  • a time count is advantageous at the same time after switching on the burner started to the minimum switch-off temperature after a predetermined time to be used as the next switch-off temperature. This is for security the standard procedure. If, for example, by a very high tap output no maximum of the temperature of the heat transfer medium can be detected, i.e. if the temperature gradually falls below the lower limit of the dynamic switch-off difference, i.e. the minimum switch-off temperature is approaching, according to the predeterminable Period can be switched directly to the minimum switch-off temperature, the minimum possible switching difference between the switch-on temperature and the switch-off temperature.
  • the maximum switch-off temperature is preferred Embodiment of the invention limited depending on the target temperature.
  • the first Overshoot a larger switching difference are allowed than with higher setpoints. If the switching differential is set too high at a setpoint of 60 ° C, for example, this leads to a large overshoot in the short term and thus to the Thermal baths geographically close to the tap may scald the tap Person.
  • the switch-off difference can therefore depend on the one to be set Set temperature can be limited.
  • the temperature is not the target temperature for a predeterminable burner output is reached after a predeterminable period of time has elapsed, according to a preferred embodiment of the present control method modulating the burner output.
  • the heating of the heat transfer medium in cyclic operation i.e. with very small amounts of dissipated heat transfer medium, after starting the burner from an ignition power as directly as possible to a predeterminable and storable clock power switched.
  • the last power before switching off is advantageously used as the cycle power of the burner or the minimum adjustable output of the burner is used. This has the advantage that a large overshoot after switching on again of the burner is avoided without the switching difference having to be increased.
  • a controller for controlling a burner of a heating device has corresponding means for measuring a first maximum of the outlet temperature that is achieved at a predeterminable burner output, and others Means for calculating a next switch-off temperature that has a value between the maximum switch-off temperature and the first maximum of the outlet temperature occupies.
  • the controller also advantageously has means for measuring gradients of temperature profiles, in particular the corresponding maxima and to be able to determine minima.
  • the controller consists of regulating a process water heater or for boiler control or heating circuit control.
  • FIG 1 shows the schematic representation of a continuous flow heater with primary exchanger 7 (primary heat exchanger), which is heated by a burner 2 (shown only schematically).
  • the cold water KW is fed to the primary exchanger 7 via a cold water inlet 5 and heated there.
  • the heated water is withdrawn at a tap 6 as hot water WW.
  • An outlet temperature sensor B3 (temperature sensor 9) is used to measure the outlet temperature ⁇ Off .
  • the tap of hot water WW is recognized via a flow switch (flow switch) FS.
  • the burner 2 is also used to heat a heating medium, such as water, for supplying heat to a house.
  • a boiler heat exchanger 8 with flow temperature sensor B2, return temperature sensor B7, flow pump or heating circuit pump Q1, consumer 3 (radiator) and water pipe 4 is shown only schematically.
  • a controller 1 regulates or controls the burner 2 for heating the cold water KW in Primary exchanger 7.
  • FIG. 2 shows the schematic representation of a continuous-flow heater with a secondary heat exchanger, where the cold water KW is not heated directly by the burner 2, but via a secondary exchanger 10 (secondary heat exchanger).
  • the secondary exchanger 10 is supplied with heat from the heating medium via a three-way valve UV, which heats the cold water.
  • an outlet temperature sensor B3 is used to measure the outlet temperature ⁇ Off .
  • An inlet temperature sensor B5 and a buffer medium temperature sensor B4 are also indicated schematically.
  • a flow switch FS is arranged on the outlet side at the tap 6 for measuring a tap of hot water WW.
  • the heating circuit pump Q1 is in this case on the return side of the boiler 8 in front of the return temperature sensor B7 and at the same time ensures the circulation of the heating medium in the secondary exchanger 10.
  • FIG. 3 shows an example of the schematic illustration of a transient process of the temperature of the heat transfer medium, ie the outlet temperature ⁇ Aus , which is measured, for example, at the outlet of the heating device.
  • FIG. 3 shows a maximum switch-off temperature SdAus max and a minimum switch-off temperature SdAus min , which represent the upper and lower values of the dynamic switch-off difference.
  • the dynamic switch-off difference is initially set to the maximum switch-off temperature SdAus max when the burner 2 is switched on in the present control method.
  • a time count (Sd_Zähler) is started when the burner starts. This counter is used to reset the switch-off difference to the minimum switch-off temperature SdAus min after an adjustable time. This ensures that the fluctuations in the outlet temperature ⁇ off are limited.
  • FIG. 4 shows a further possible settling process of the outlet temperature of the heat transfer medium, which at no time exceeds the minimum switch-off temperature SdAus min of the dynamic switch-off difference.
  • the i-th difference between the previous switch-off temperature SdAus (k + i -1) (or the first time between the maximum switch-off temperature SdAus max ) and the minimum switch-off temperature SdAus min is calculated if the i- te maximum of the outlet temperature ⁇ Aus is below the minimum switch-off temperature SdAuS min .
  • the upper limit of the dynamic switch-off difference ie the upper switch-off temperature SdAus (k + i) iteratively approaches the lower switch-off temperature, ie the minimum possible switch-off temperature SdAus min .
  • the minimum switch-off temperature SdAus min is used as the switch-off temperature if the difference between the current upper switch-off temperature SdAus (k + i) and the minimum switch-off temperature SdAuS min falls below a certain limit (e.g. 2-5 K).
  • FIG. 5 shows the schematic representation of the setting of the starting power in the cyclical operation of the burner 2, that is to say with small tapping quantities. While the outlet temperature ⁇ off versus time was plotted in the upper part of FIG. 5, as in FIG. 4, the output of the burner 2 versus time is shown in accordance with the outlet temperature emperatur off lying above it. As soon as a cycle operation has been recognized, ie the tapping of particularly small amounts of hot water WW and the burner 2 have been switched off, the last-used output of the burner 2 is stored in a memory of the controller 1.
  • the burner 2 While the burner 2 remains switched off, it is possible to let the burner fan continue to run in order to get into the suitable speed range as quickly as possible when the burner is switched on again. As soon as the outlet temperature ⁇ out crosses the lower limit of the switching difference SdEin, the burner 2 switches on again, using the previously “noted” power, that is to say stored in the controller 1, which can then also be used, for example, to measure the rate of increase v A if this has not been done before. After the identification phase (power constant), the modulation controller is released.
  • control method according to the invention or the controller according to the invention are advantageously suitable for controlling a process water heater, these can also be used, for example, for the heating operation of a heating system. It is only necessary to differentiate between the parameters for hot water operation and heating operation, ie to switch over.
  • the controller has suitable input means to separately set the minimum and maximum switch-off temperatures SdAus min and SdAus max for heating operation.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelverfahren und einen Regler zur Regelung eines Brenners (2) einer Heizvorrichtung, insbesondere zur Regelung des Brenners eines Brauchwasser-Durchlauferhitzers, wobei der Brenner (2) ein Wärmeträgermedium erwärmt, das an einem Einlauf der Heizvorrichtung eine bestimmte Einlauftemperatur (ϑEin) und an einem Auslauf der Heizvorrichtung eine bestimmte Auslauftemperatur (ϑAus) aufweist, und wobei die Erwärmung des Wärmeträgermediums zumindest in Abhängigkeit einer Solltemperatur (ϑSoll) und der Auslauftemperatur (ϑAus) geregelt wird, wobei das Regelverfahren zunächst ein erstes Maximum (1a) der Auslauftemperatur (ϑAus) bei einer vorbestimmbaren Brennerleistung mißt und anschließend als eine nächste Ausschalttemperatur (SdAus (k+1)) einen Wert zwischen einer maximalen Ausschalttemperatur (SdAusmax) und dem ersten Maximum (1a) der Auslauftemperatur (ϑAus) verwendet. Hierzu wird mit Vorteil eine erste Differenz (Δϑ1) zwischen der maximalen Ausschalttemperatur (SdAusmax) und dem ersten Maximum (1a) der Auslauftemperatur (ϑAus) berechnet. Es ergibt sich somit eine dynamische Ausschaltdifferenz.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelverfahren zur Regelung eines Brenners einer Heizvorrichtung, insbesondere zur Regelung des Brenners eines Brauchwasser-Durchlauferhitzers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, einen Regler zur Regelung eines solchen Brenners nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 14 und eine bevorzugte Verwendung des Verfahrens bzw. des Reglers nach Patentanspruch 16.
Derartige Regelverfahren und Regler zur Regelung eines Brenners, insbesondere zur Regelung des Brenners eines Brauchwasser-Durchlauferhitzers zur Erwärmung eines Wärmeträgermediums, wie beispielsweise Wasser, sind bereits bekannt, wobei hier grundsätzlich zwei verschiedene Prinzipien angewandt werden. So wird bei einigen Herstellern solcher Heizvorrichtungen das Brauchwasser bzw. das zu erwärmende Wärmeträgermedium im Durchlaufprinzip direkt über einen Wärmetauscher von einem Brenner erwärmt, während bei anderen Herstellern ein zweiter Wärmetauscher, d.h. ein sog. Sekundärwärmetauscher für die Brauchwassererwärmung eingesetzt wird.
Bei den bekannten Thermen bzw. Durchlauferhitzern wird das Wärmeträgermedium entweder direkt über einen Primärwärmetauscher oder indirekt mittels des erwärmten Wassers der Heizung über einen Sekundärwärmetauscher erwärmt und an geeigneten Zapfstellen, beispielsweise in der Küche oder im Bad, entnommen. Die Regelung des Brenners solcher Thermen erfolgt beim bekannten Stand der Technik durch die Messung der Auslauftemperatur am Auslauf der Heizvorrichtung. Das über einen Einlauf der Heizvorrichtung zugeführte Wärmeträgermedium hat dort eine bestimmte Einlauftemperatur und am Auslauf der Heizvorrichtung eine bestimmte Auslauftemperatur. Die Erwärmung des Wärmeträgermediums wird beispielsweise mittels eines PI-Reglers oder eines PID-Reglers in Abhängigkeit einer Solltemperatur und der Auslauftemperatur geregelt. Dem Regler wird die Regeldifferenz zugeführt, während dieser dann eine geeignete Stellgröße, beispielsweise ein Signal zur Leistungseinstellung des Brenners, abgibt.
Die Auslauftemperatur ändert sich in Abhängigkeit der Zapfmenge, des Zustands des Brenners und der Brennerleistung. Nach dem Einschalten des Brenners, beispielsweise aufgrund einer Anforderung des Wärmeträgermediums oder weil eine untere Einschalttemperatur des Wärmeträgermediums unterschritten wurde, fällt die Temperatur des Wärmeträgermediums zunächst noch etwas ab, um dann aufgrund der Erwärmung durch den eingeschalteten Brenner anzusteigen. Im Verlaufe der weiteren Zapfung von Wärmeträgermedium wird der Brenner in Abhängigkeit einer oberen Ausschalttemperatur bzw. einer unteren Einschalttemperatur aus- bzw. eingeschaltet. Beim erstmaligen Zapfen von Wärmeträgermedium kommt es systembedingt zu stärkeren Schwankungen der Temperatur des Wärmeträgermediums. Diese Temperaturschwankungen ergeben sich beispielsweise durch das sich noch in den Rohrleitungen befindliche Wärmeträgermedium, das abgeführt werden muß, bzw. durch die notwendige Erwärmung der Rohrleitung bis hin zur Zapfstelle.
Grundsätzlich werden zwei wichtige Anforderungen an ein solches Regelverfahren gestellt. Einerseits soll die Auslauftemperatur möglichst konstant gehalten werden, d.h. möglichst nahe an dem vom Benutzer des Wärmeträgermediums eingestellten Sollwert. Andererseits soll ein zu häufiges Ein- und Ausschalten des Brenners vermieden werden, da dies nicht nur den Brenner belastet, sondern auch abgastechnisch und bezüglich des Brennstoffverbrauchs ungünstig ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, herkömmliche Regelverfahren zur Regelung solcher Brenner bzw. entsprechende Regler dergestalt zu verbessern, dass einerseits ein häufiges Ein- und Ausschalten des Brenners vermieden und gleichzeitig eine möglichst konstante Auslauftemperatur erzielt wird.
Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 14. Eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Reglers ist in Patentanspruch 16 beansprucht. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben und dort gekennzeichnet.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß zwar beim Einschalten eines Brenners durch die vorerwähnten Unregelmäßigkeiten während der Erwärmung der Rohrleitung bis hin zur Zapfstelle als auch durch das Ausstoßen des sich noch in den Rohrleitungen befindlichen Wärmeträgermediums Schwankungen in der Auslauftemperatur akzeptierbar sind, diese jedoch nach einem kurzen Einschwingvorgang abklingen. Die Erfindung sieht daher eine dynamische veränderliche Ausschaltdifferenz vor, die in einem Korridor zwischen einer maximalen Ausschalttemperatur und einer minimalen Ausschalttemperatur liegt.
Das Regelverfahren mißt bei einer vorbestimmbaren Brennerleistung den Anstieg der Auslauftemperatur, insbesondere nach dem ersten Einschalten des Brenners und detektiert ein erstes Maximum der Auslauftemperatur, d.h. jeden Punkt, an dem die Temperatur des Wärmeträgermediums, nach einem ersten Ansteigen, beispielsweise aufgrund einer gestiegenen Zapfmenge im Vergleich zur eingestellten Brennerleistung, wieder abfällt. Anschließend verwendet das erfindungsgemäße Regelverfahren als nächste Ausschalttemperatur, d.h. als nächste obere Grenze der dynamischen Ausschaltdifferenz einen Wert zwischen der vorherig eingestellten maximalen Ausschalttemperatur und dem ersten Maximum der Auslauftemperatur, das zuvor entsprechend gemessen wurde.
Mit Vorteil wird nach dem Einschalten des Brenners das erste Maximum der Auslauftemperatur gemessen, um dann eine erste Differenz zwischen der maximalen Ausschalttemperatur und dem ersten Maximum der Auslauftemperatur zu berechnen. Im Anschluß daran wird mittels dieser ersten berechneten Differenz die nächste Ausschalttemperatur ermittelt. Dies kann für jedes darauffolgende, sich ergebende Maximum der Temperatur des Wärmeträgermediums wiederholt werden. Bei den nachfolgenden Berechnungen wird dann die Differenz zwischen der aktuellen Ausschalttemperatur und dem Maximum gebildet.
Mit Vorteil wird als nächste Ausschalttemperatur die Differenz aus der aktuellen Ausschalttemperatur und der Hälfte der ersten Differenz verwendet. Im Allgemeinen gilt folgende Regel:
Als nächste Ausschalttemperatur wird die Differenz aus der i-ten Ausschalttemperatur und der Hälfte der i-ten Differenz und dem i-ten Maximum der Auslauftemperatur verwendet. Dies entspricht der vorherigen Ausschalttemperatur abzüglich der Hälfte der i-ten Differenz.
Das erfindungsgemäße Regelverfahren verwendet mit Vorteil als i-te Differenz die Differenz zwischen der maximalen Ausschalttemperatur bzw. der vorherigen Ausschalttemperatur und einer minimalen Ausschalttemperatur, falls das i-te Maximum der Auslauftemperatur unterhalb der minimalen Ausschalttemperatur liegt. Andererseits wird mit Vorteil als nächste Ausschalttemperatur die maximale Ausschalttemperatur verwendet, falls das i-te Maximum der Auslauftemperatur oberhalb der maximalen Ausschalttemperatur, d.h. oberhalb der ursprünglich eingestellten oberen Grenze der dynamischen Ausschaltdifferenz liegt.
Weiterhin startet das Regelverfahren nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Messung des i-ten Maximums erst nach der Messung eines vorherliegenden (i-1)-ten Minimums, d.h. daß nach der Messung des (i-1)-ten Maximums erst ein weiteres (i -1)-tes Minimum detektiert werden muß, bevor das Regelverfahren mit der Messung des i-ten Maximums beginnt.
Weiterhin wird mit Vorteil nach dem Einschalten des Brenners gleichzeitig eine Zeitzählung gestartet, um nach Ablauf einer vorbestimmbaren Zeit die minimale Ausschalttemperatur als nächste Ausschalttemperatur zu verwenden. Dies dient zur Sicherheit des Regelverfahrens. Falls beispielsweise durch eine sehr hohe Zapfleistung kein Maximum der Temperatur des Wärmeträgermediums detektiert werden kann, d.h. wenn sich die Temperatur nur allmählich der unteren Grenze der dynamischen Ausschaltdifferenz, d.h. der minimalen Ausschalttemperatur nähert, kann nach der vorbestimmbaren Zeitdauer direkt auf die minimale Ausschalttemperatur umgeschaltet werden, um so die minimal mögliche Schaltdifferenz zwischen der Einschalttemperatur und der Ausschalttemperatur zu erhalten.
Mit Vorteil werden alle Temperatur- und Ausschaltwerte nach dem Ausschalten des Brenners zurückgesetzt und die Berechnung beginnt beim nächsten Brennerstart wieder von vorne. Weiterhin wird die maximale Ausschalttemperatur nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Abhängigkeit von der Solltemperatur begrenzt. Bei niedrigeren Sollwerten für die Auslauftemperaturen kann für das erste Überschwingen eine größere Schaltdifferenz zugelassen werden als bei höheren Sollwerten. Ist die Schaltdifferenz bei einem Sollwert von beispielsweise 60°C zu groß eingestellt, so führt dies zu einem kurzfristig großen Überschwingen und damit bei den der Therme geographisch nahegelegenen Zapfstellen evtl. zu einer Verbrühung der zapfenden Person. Die Ausschaltdifferenz kann daher in Abhängigkeit von der einzustellenden Solltemperatur begrenzt werden.
Falls aufgrund großer Zapfmengen die Temperatur nicht die Solltemperatur bei einer vorbestimmbaren Brennerleistung nach Ablauf einer vorbestimmbaren Zeitdauer erreicht, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Regelverfahrens die Brennerleistung modulierend verändert.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Erwärmung des Wärmeträgermediums im Taktbetrieb, d.h. bei sehr geringen Mengen von abgeführtem Wärmeträgermedium, nach einem Starten des Brenners von einer Zündleistung möglichst unmittelbar auf eine vorbestimmbare und abspeicherbare Taktleistung umgeschaltet. Als Taktleistung wird mit Vorteil die letzte Leistung vor der Abschaltung des Brenners oder die minimale einstellbare Leistung des Brenners verwendet. Dies hat den Vorteil, daß ein großes Überschwingen nach dem Wiedereinschalten des Brenners vermieden wird, ohne daß die Schaltdifferenz vergrößert werden muß.
Bei kleinen abgeführten Mengen von Wärmeträgermedium besteht das Problem, daß nach einer erneuten Einschaltung des Brenners der Modulationsregler die Brennerleistung von einer Zündleistung (Startleistung) herunterregeln muß, wenn die entnommene Menge an Wärmeträgermedium nur sehr gering ist. Wenn dies nicht schnell genug erfolgt, so tritt der Zustand ein, daß die Temperatur im Wärmetauscher, d.h. in der Heizvorrichtung schnell den Brennerausschaltpunkt erreicht und der Brenner wieder abgeschaltet wird. Dies führt zu einer großen Brennerschalthäufigkeit, die unerwünscht ist. Mit Hilfe dieser bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelverfahrens wird der Brenner jedoch nicht im Modulationsbetrieb "gestartet", sondern zunächst auf die "gemerkte" Brennerleistung sofort umgeschaltet.
Während des abgeschalteten Zustands des Brenners im Taktbetrieb wird mit Vorteil das Gebläse des Brenners nicht ausgeschaltet, sondern vorzugsweise mit einer Zünddrehzahl weiterhin betrieben. Dadurch ist es möglich, den Brenner schneller zu starten, was ein "Durchsacken" der Auslauftemperatur reduziert.
Ein erfindungsgemäßer Regler zur Regelung eines Brenners einer Heizvorrichtung weist entsprechende Mittel zur Messung eines ersten Maximums der Auslauftemperatur auf, das bei einer vorbestimmbaren Brennerleistung erreicht wird, sowie weitere Mittel zur Berechnung einer nächsten Ausschalttemperatur, die einen Wert zwischen der maximalen Ausschalttemperatur und dem ersten Maximum der Auslauftemperatur einnimmt. Mit Vorteil weist der Regler darüber hinaus Mittel zur Messung von Gradienten von Temperaturverläufen auf, um insbesondere die entsprechenden Maxima und Minima bestimmen zu können.
Eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Reglers besteht in der Regelung eines Brauchwasser-Durchlauferhitzers oder zur Kesselregelung oder zur Heizkreisregelung.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen für die zwei Prinzipien der Auslauftemperaturregelung (Figur 1 ) und der sog. Komforttemperatur-Regelung (Figur 2) näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1
die schematische Darstellung eines Durchlauferhitzers mit Primärwärmetauscher (Auslauftemperatur-Regelung);
Figur 2
die schematische Darstellung eines Durchlauferhitzers mit Sekundärwärmetauscher (optional mit Komforttemperatur-Regelung);
Figur 3
ein schematisches Diagramm eines ersten Einschwingvorgangs der Temperatur des Wärmeträgermediums;
Figur 4
ein schematisches Diagramm eines weiteren Einschwingvorgangs der Temperatur des Wärmeträgermediums; und
Figur 5
die graphische Darstellung des Setzens der Startleistung im Taktbetrieb des Brenners.
Figur 1 zeigt die schematische Darstellung eines Durchlauferhitzers mit Primärtauscher 7 (Primärwärmetauscher), der von einem Brenner 2 (lediglich schematisch dargestellt) erhitzt wird. Das Kaltwasser KW wird über einen Kaltwassereinlauf 5 dem Primärtauscher 7 zugeführt und dort erhitzt. Das erhitzte Wasser wird an einer Zapfstelle 6 als Warmwasser WW entnommen. Zur Messung der Auslauftemperatur ϑAus dient ein Auslauftemperaturfühler B3 (Temperatursensor 9). Über einen Strömungsschalter (flow-switch) FS wird die Zapfung von Warmwasser WW erkannt. Der Brenner 2 dient gleichzeitig auch zur Erwärmung eines Heizmediums, wie beispielswasser Wasser, zur Wärmeversorgung eines Hauses. Lediglich schematisch dargestellt ist ein Kesselwärmetauscher 8 mit Vorlauftemperaturfühler B2, Rücklauftemperaturfühler B7, Vorlaufpumpe oder Heizkreispumpe Q1, Verbraucher 3 (Heizkörper) und Wasserleitung 4.
Ein Regler 1 regelt bzw. steuert den Brenner 2 zur Erwärmung des Kaltwassers KW im Primärtauscher 7.
Figur 2 zeigt die schematische Darstellung eines Durchlauferhitzers mit Sekundärwärmetauscher, wo das Kaltwasser KW nicht direkt vom Brenner 2, sondern über einen Sekundärtauscher 10 (Sekundärwärmetauscher) erwärmt wird. Der Sekundärtauscher 10 wird von dem Heizmedium über ein Drei-Wege-Ventil UV mit Wärme versorgt, die das Kaltwasser erwärmt. Auch hier dient ein Auslauftemperaturfühler B3 zur Messung der Auslauftemperatur ϑAus. Ein Einlauftemperaturfühler B5 und ein Puffermediumtemperaturfühler B4 ist ebenfalls schematisch angedeutet. Ein Strömungsschalter FS ist hier ausgangsseitig an der Zapfstelle 6 zur Messung einer Zapfung von Warmwasser WW angeordnet. Die Heizkreispumpe Q1 liegt in diesem Fall auf der Rücklaufseite des Kessels 8 vor dem Rücklauftemperaturfühler B7 und sorgt gleichzeitig zur Umwälzung des Heizmediums im Sekundärtauscher 10.
Eine zu große Schaltdifferenz zwischen der Einschalttemperatur SdEin und der Ausschalttemperatur SdAus soll nun an den Zapfstellen 6 in den Figuren 1 und 2 vermieden werden, da der Benutzer sonst große Schwankungen in der Auslauftemperatur ϑAus erhält.
Figur 3 zeigt beispielhaft die schematische Darstellung eines Einschwingvorganges der Temperatur des Wärmeträgermediums, d.h. der Auslauftemperatur ϑAus, die beispielsweise am Auslauf der Heizvorrichtung gemessen wird. Figur 3 zeigt eine maximale Ausschalttemperatur SdAusmax und eine minimale Ausschalttemperatur SdAusmin, die die oberen und unteren Werte der dynamischen Ausschaltdifferenz darstellen. Die dynamische Ausschaltdifferenz wird beim Einschalten des Brenners 2 bei dem vorliegenden Regelverfahren zunächst auf die maximale Ausschalttemperatur SdAusmax gesetzt. Gleichzeitig wird beim Start des Brenners eine Zeitzählung (Sd_Zähler) gestartet. Dieser Zähler dient dazu, nach einer einstellbaren Zeit die Ausschaltdifferenz auf die minimale Ausschalttemperatur SdAusmin rückzusetzen. Dabei wird sichergestellt, daß die Schwankungen der Auslauftemperatur ϑAus begrenzt werden.
Im Folgenden wird der in Figur 3 gezeigte Algorithmus beispielhaft als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben:
  • 1. Aufgrund einer Anforderung des Wärmeträgermediums beispielsweise über das Ansprechen eines Strömungsschalters FS oder weil die Einschalttemperatur SdEin unterschritten wurde, wird der Brenner 2 eingeschaltet.
  • 2. Mit Einschalten des Brenners 2 wird der Zeitzähler (Sd_Zähler) gestartet. Das Zeitende kann ggf. durch die Bedienperson oder durch den Heizungsinstallateur als Abbruchkriterium veränderlich einstellbar gestaltet werden.
  • 3. Gleichzeitig wird auch die Berechnung des ersten Maximums 1a gestartet. Der Startwert für die Maximumberechnung wird beim Brennerstart auf "0" gesetzt.
  • 4. Die im ersten Maximum 1 a der Ausschalttemperatur berechnete Differenz Δϑ1 zwischen der maximalen Ausschalttemperatur SdAusmax und dem ersten Maximum 1a der Auslauftemperatur ϑAus bestimmt die Reduzierung der Ausschaltdifferenz für die nächste Schwingung der Auslauftemperatur des Wärmeträgermediums.
  • 5. Nach der Berechnung des Maximums 1a erfolgt das Zurücksetzen der Schaltdifferenz auf den berechneten Wert. Als oberer Wert der dynamischen Ausschaltdifferenz wird daher mit Vorteil genau die Mitte zwischen der maximalen Ausschalttemperatur SdAusmax und dem ersten Maximum 1a genommen.
  • 6. Wird das erste Minimum 1b erkannt, so wird hier eine erneute Berechnung des nächsten Maximums gestartet und der Startwert für diese Maximumberechnung auf 0 gesetzt.
  • 7. Wird ein zweites Maximum 2a erkannt, so wird die Differenz Δϑ2 zwischen der aktuellen oberen Ausschalttemperatur SdAus (k+1) und dem zweiten Maximum 2a bestimmt. Die Reduzierung der Schaltdifferenz für die nächste Schwingung berechnet sich wie oben bereits beschrieben.
    • Liegt das berechnete Maximum unterhalb der unteren Ausschalttemperatur SdAusmin, so wird die Differenz zwischen dem aktuellen oberen Wert der Ausschalttemperatur SdAus (k+i) und der minimalen Ausschalttemperatur SdAusmin gebildet. Mit Hilfe dieses Regelverfahrens kann jeder beliebige Einschwingvorgang gehandhabt werden, wie dies beispielsweise auch in Figur 4 gezeigt wird.
    Figur 4 zeigt einen weiteren möglichen Einschwingvorgang der Auslauftemperatur des Wärmeträgermediums, die zu keiner Zeit die minimale Ausschalttemperatur SdAusmin der dynamischen Ausschaltdifferenz überschreitet. Auch hier wird bei jedem Erkennen eines Maximums die i-te Differenz zwischen der vorherigen Ausschalttemperatur SdAus (k+i -1) (bzw. beim ersten Mal zwischen der maximalen Ausschalttemperatur SdAusmax) und der minimalen Ausschalttemperatur SdAusmin berechnet, falls das i-te Maximum der Auslauftemperatur ϑAus unterhalb der minimalen Ausschalttemperatur SdAuSmin liegt. Wie in Figur 4 gezeigt, nähert sich die obere Grenze der dynamischen Ausschaltdifferenz, d.h. die obere Ausschalttemperatur SdAus (k+i) iterativ unendlich nah der unteren Ausschalttemperatur, d.h. der minimal möglichen Ausschalttemperatur SdAusmin an.
    Hier kann darüber hinaus vorgesehen werden, als Ausschalttemperatur die minimale Ausschalttemperatur SdAusmin zu verwenden, falls die Differenz zwischen aktueller oberer Ausschalttemperatur SdAus (k+i) und minimaler Ausschalttemperatur SdAuSmin einen bestimmten Grenzwert (bsp. 2-5 K) unterschreitet.
    Figur 5 zeigt die schematische Darstellung des Setzens der Startleistung im Taktbetrieb des Brenners 2, d.h. bei kleinen Zapfmengen. Während im oberen Teil der Figur 5 wie in Fig. 4 die Auslauftemperatur ϑAus gegenüber der Zeit aufgetragen wurde, ist im unteren Teil der Figur 5 die Leistung des Brenners 2 gegenüber der Zeit entsprechend der darüber liegenden Auslauftemperatur ϑAus dargestellt. Sobald ein Taktbetrieb erkannt wurde, d.h. die Zapfung besonders kleiner Mengen von Warmwasser WW und der Brenner 2 ausschaltet, wird die zuletzt verwandte Leistung des Brenners 2 in einem Speicher des Reglers 1 abgespeichert.
    Während der Brenner 2 ausgeschaltet bleibt, ist es möglich, das Gebläse des Brenners weiterlaufen zu lassen, um beim Wiederanschalten des Brenners möglichst schnell in den geeigneten Drehzahlbereich zu kommen. Sobald die Auslauftemperatur ϑAus die untere Grenze der Schaltdifferenz SdEin kreuzt, schaltet der Brenner 2 wieder ein, wobei hier die zuvor "gemerkte", d.h. im Regler 1 abgespeicherte Leistung verwandt wird, die dann auch beispielsweise zur Messung der Anstiegsgeschwindigkeit vA verwendet werden kann, falls dies zuvor noch nicht erfolgt ist. Nach der Identifikationsphase (Leistung konstant) wird der Modulationsregler freigegeben.
    Während sich das erfindungsgemäße Regelverfahren bzw. der erfindungsgemäße Regler mit Vorteil zur Regelung eines Brauchwasser-Durchlauferhitzers eignen, können diese auch beispielsweise für den Heizbetrieb einer Heizanlage verwendet werden. Es müssen hierbei lediglich die Parameter zwischen Brauchwasserbetrieb und Heizbetrieb unterschieden, d.h. umgeschaltet werden. Der Regler verfügt dabei über geeignete Eingabemittel, um die jeweils minimale und maximale Ausschalttemperatur SdAusmin und SdAusmax für den Heizbetrieb separat einzustellen.

    Claims (16)

    1. Regelverfahren zur Regelung eines Brenners (2) einer Heizvorrichtung, insbesondere zur Regelung des Brenners eines Brauchwasser-Durchlauferhitzers, wobei der Brenner (2) ein Wärmeträgermedium erwärmt, das an einem Einlauf der Heizvorrichtung eine bestimmte Einlauftemperatur (ϑEin) und an einem Auslauf der Heizvorrichtung eine bestimmte Auslauftemperatur (ϑAus) aufweist, und wobei die Erwärmung des Wärmeträgermediums zumindest in Abhängigkeit einer Solltemperatur (ϑSoll) und der Auslauftemperatur (ϑAus) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Maximum (1a) der Auslauftemperatur (ϑAus) gemessen wird, und dass als eine nächste Ausschalttemperatur (SdAus(k+1)) ein Wert zwischen einer maximalen Ausschalttemperatur (SdAusmax) und dem ersten Maximum (1a) der Auslauftemperatur (ϑAus) verwendet wird.
    2. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einschalten des Brenners (2) das erste Maximum (1a) der Auslauftemperatur (ϑAus) gemessen wird, dass eine erste Differenz (Δϑ1) zwischen der maximalen Ausschalttemperatur (SdAusmax) und dem ersten Maximum (1a) der Auslauftemperatur (ϑAus) berechnet wird, und dass die nächste Ausschalttemperatur (SdAus(k+1)) mittels dieser ersten Differenz (Δϑ1) berechnet wird.
    3. Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als nächste Ausschalttemperatur (SdAus(k+i)) die Differenz aus der aktuellen Ausschalttemperatur (SdAus (k)) und aus der Hälfte der i-ten Differenz (Δϑi) verwendet wird.
    4. Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als i-te Differenz (Δϑi) die Differenz zwischen der maximalen Ausschalttemperatur (SdAusmax) bzw. der vorherigen Ausschalttemperatur (SdAus(k+i-1)) und einer minimalen Ausschalttemperatur (SdAusmin) verwendet wird, falls das i-te Maximum (ia) der Auslauftemperatur (ϑAus) unterhalb der minimalen Ausschalttemperatur (SdAusmin) liegt.
    5. Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als nächste Ausschalttemperatur (SdAus(k+i)) die maximale Ausschalttemperatur (SdAusmax) verwendet wird, falls das i-te Maximum (ia) der Auslauftemperatur (ϑAus) oberhalb der maximalen Ausschalttemperatur (SdAusmax) liegt.
    6. Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Messung des i-ten Maximums (ia) die Messung eines weiteren Maximums ((i+1)a) erst nach der Messung eines i-ten Minimums (ib) gestartet wird.
    7. Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einschalten des Brenners (2) eine Zeitzählung gestartet wird, und dass nach Ablauf einer vorbestimmbaren Zeit die minimale Ausschalttemperatur (SdAusmin) als nächste Ausschalttemperatur (SdAus(k+i)) verwendet wird.
    8. Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ausschalten des Brenners (2) alle Temperatur- und Ausschaltwerte zurückgesetzt werden und die Berechnung beim nächsten Brennerstart wieder neu gestartet wird.
    9. Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Ausschalttemperatur (SdAusmax) in Abhängigkeit von der Solltemperatur (ϑSoll) begrenzt wird.
    10. Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (1) bei der vorbestimmbaren Brennerleistung und bei Nichterreichen der Solltemperatur (ϑSoll) nach Ablauf einer vorbestimmbaren Zeitdauer die Brennerleistung modulierend verändert.
    11. Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Starten des Brenners (2) von einer Zündleistung auf eine vorbestimmbare und abspeicherbare Taktleistung umgeschaltet wird.
    12. Regelverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktleistung die letzte Leistung vor der Abschaltung des Brenners (2) oder die minimale einstellbare Leistung des Brenners (2) ist.
    13. Regelverfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gebläse des Brenners (2) im Taktbetrieb, d.h. bei kleinen abgeführten Mengen des Wärmeträgermediums, nicht ausgeschaltet und vorzugsweise mit einer Zünddrehzahl betrieben wird.
    14. Regler zur Regelung eines Brenners (2) einer Heizvorrichtung, insbesondere zur Regelung des Brenners eines Brauchwasser-Durchlauferhitzers, wobei der Brenner (2) ein Wärmeträgermedium erwärmt, das an einem Einlauf der Heizvorrichtung eine bestimmte Einlauftemperatur (ϑEin) und an einem Auslauf der Heizvorrichtung eine bestimmte Auslauftemperatur (ϑAus) aufweist, und wobei die Erwärmung des Wärmeträgermediums zumindest in Abhängigkeit einer Solltemperatur (ϑSoll) und der Auslauftemperatur (ϑAus) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler Mittel zur Messung eines ersten Maximums (1a) der Auslauftemperatur (ϑAus) und dass der Regler Mittel zur Berechnung einer nächsten Ausschalttemperatur (SdAus(k+1)) aufweist, die einen Wert zwischen einer maximalen Ausschalttemperatur (SdAusmax) und dem ersten Maximum (1a) der Auslauftemperatur (ϑAus) einnimmt.
    15. Regler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler Mittel zur Messung von Gradienten von Temperaturverläufen aufweist.
    16. Verwendung des Regelverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder eines Reglers nach einem der Ansprüche 14 oder 15 zur Regelung eines Brauchwasser-Durchlauferhitzers oder zur Kesselregelung oder zur Heizkreisregelung.
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