EP1777466A2 - Verfahren zur Teillasteinstellung bei Heizungsanlagen - Google Patents

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EP1777466A2 EP06021683A EP06021683A EP1777466A2 EP 1777466 A2 EP1777466 A2 EP 1777466A2 EP 06021683 A EP06021683 A EP 06021683A EP 06021683 A EP06021683 A EP 06021683A EP 1777466 A2 EP1777466 A2 EP 1777466A2
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Michael Klepka
Klaus Richter
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    • F24H15/345Control of fans, e.g. on-off control
    • F24H15/35Control of the speed of fans

Definitions

  • the invention relates to a method for partial load adjustment in heating systems.
  • the power rating of a heater to be selected is determined essentially by the desired hot water comfort. So it is customary to provide a heating water capacity of 25 to 30 kW in a water heater with a storage volume of 200 1. If at the same time 150 m 2 of living space are to be heated, 10 kW of heating power are sufficient for this purpose. In order to take this circumstance into account, the maximum power for the heating mode can be set independently of the maximum power in service water mode for heaters. One then speaks of the set heating part load.
  • the height of the setting to be selected generally results from a heat demand calculation, in which the parameters to be heated are primarily the area to be heated, the volume of the room, the desired room temperature, as well as the type and design of insulation. Another factor influencing the heating part load to be selected is the outside temperature at which the desired room temperature is ensured. As a rule, the heating systems are set to a minimum outside temperature of -12 to -15 ° C.
  • the heater would then run permanently at the set maximum heating part load.
  • heaters are operated with external controllers, so-called weather-controlled controllers. These controllers calculate a flow temperature setpoint for the heating circuit as a function of the outside temperature. Alternatively or additionally, room temperature controllers preset a flow temperature setpoint for the heating circuit as a function of the deviation of the temperature of a temperature sensor located in the living space from the setpoint temperature.
  • Heating systems with fuel-operated burners are started according to the prior art with a predetermined partial load; this partial load is chosen so that the burner ignites as safely as possible. If a flame is detected, the burner is operated after a few seconds with the demand-driven heating part load until the flow temperature reaches its setpoint temperature.
  • the object of the present invention is to adjust the heating part setting before the intervention of the flow temperature control as needed automatically to the current heat demand of the system after the ignition phase.
  • heating part load is adjusted individually to the outside or room temperature before reaching the desired flow temperature.
  • the temperature rise of the flow is detected and determined from this the necessary heating part load.
  • the heating load is set in dependence on the last heating process, in particular the duration and the temperature rise.
  • the heating system 1 shows a heating system 1, to which a heating circuit 8 is connected with a radiator 14 as a heat consumer.
  • the heating system 1 has a burner 6, which is connected via a regulated blower 2 to an intake manifold 4.
  • the intake 4 opens into the ambient air.
  • the intake 4 also opens the gas line, which is acted upon by a gas fitting 3 coming from fuel gas.
  • Around the burner 6 around is a heat exchanger 7, which is connected to the heating circuit 8.
  • the heating system 1 has a control 11, which with the gas fitting 3, the controlled fan 2, the temperature sensor 9 and an external control device 12 to which an outside temperature sensor 13 is connected, connected.
  • the outside temperature sensor 13 sends via the external control 12 to the internal control 11, a signal for starting the device.
  • the controller 11 sets a predetermined speed for the Blower 2 and a defined flow rate through the gas valve 3 a.
  • the fuel gas-air mixture is ignited downstream of the burner 6, the hot exhaust gases cooled in the heat exchanger 7, so that the heat is transferred to the heating circuit 8.
  • the water located there is conveyed by the circulation pump 10.
  • the heat is released in the radiator 14, preferably in a room to be heated.
  • Figure 2 shows the heating curve a according to the prior art and the heating curve b according to the inventive method. According to the prior art, the burner is ignited with a predefined power at a time t 0 .
  • the heating part load is increased until time t 2, the maximum heating part load is reached.
  • the device is now operated with maximum heating part load, until the time t 3, the pre-actual temperature corresponds to the flow setpoint temperature. Now the heating part load is controlled in such a way that the flow temperature remains constant. This has the consequence that the heating part load decreases from the time t 3 .
  • the heating process ends.
  • the burner according to the invention is also ignited at the time t 0 . Also at time t 1 , the ignition phase is completed and transferred to the demand-based heating part load. For this purpose, from the time t 1 to the time t 2, the heating part load is lowered until from the time t 2, the heat demand-dependent heating part load is reached. Now, the heating system is operated at a constant power until the time t 5, the flow temperature is reached. From the time t 5 , the heating system is controlled so that the heating flow temperature remains constant. At time t 6 , the heating system is switched off. During this heating process, the output power is ⁇ t 0 t 6 P b t ⁇ dt ,
  • FIG. 3 shows the relationship between the outside temperature T a and the heating flow temperature T V. It can be seen that at very low outside temperatures, a high heating flow temperature is required. With increasing outside temperature, the heating flow temperature can be lowered.
  • FIG. 4 accordingly shows the relationship between the heating part load P and the outside temperature T a .
  • the heating part load can be reduced.
  • the heater is operated after the ignition phase before reaching the set flow temperature with a heating part load, which is dependent on the measured value of the outside temperature sensor 13.
  • the outside temperature sensor 13 is on the external control 12 to the controller 11 a reading.
  • the control calculates the necessary power to operate the burner and accordingly sets the gas flow rate of the gas valve 3 and the speed of the controlled fan 2 a.
  • Figure 5 shows a variant of the method according to the invention, in which the flow temperature T V is received. From the course of the flow temperature T V , the gradient T v determined. This is compared with a setpoint. If the gradient of the temperature rise of the flow temperature is smaller than the predetermined value, the heating part load is increased. If the gradient is greater, ie the water heats up faster than it should, the heating part load is reduced.
  • FIG. 6 shows a further variant of the method according to the invention and illustrates the change in the heating part load as a function of the duration of the last heating process (t 6 -t 0 ).
  • the lines c, d, e and f illustrate characteristics for predetermined temperature differences in the last heating process.
  • line c illustrates a heating process in which the flow temperature has been raised by 5 K
  • line f illustrates a heating process in which the flow temperature differs by 30 K from the minimum value to the setpoint during the heating process.

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Abstract

Verfahren zur Teillasteinstellung bei brennstoffbetriebenen Heizungsanlagen mit Außentemperaturfühler und / oder Raumtemperaturfühler und Erfassung der Vorlauftemperatur, bei dem nach der Zündphase vor Erreichung der Vorlaufsolltemperatur die Heizung mit einer Heizungsteillast, welche eine Funktion der Außen- und / oder Raumtemperatur ist, betrieben wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Teillasteinstellung bei Heizungsanlagen.
  • Aufgrund vom immer besser gedämmten Wänden, Fenstern, Dächern usw. sinkt der Heizwärmebedarf seit Jahren. Gleichzeitig steigt tendenziell das Komfortbedürfnis bei der Bereitung von warmem Brauchwasser. Dementsprechend wird die zu wählende Leistungsgröße eines Heizgerätes im Wesentlichen durch den gewünschten Warmwasserkomfort bestimmt. So ist es üblich, bei einem Brauchwasserspeicher mit einem Speichervolumen von 200 1 eine Heizleistung von 25 bis 30 kW bereitzustellen. Sind gleichzeitig 150 m2 Wohnfläche zu beheizen, so reichen hierfür 10 kW Heizleistung aus. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, lässt sich bei Heizgeräten die Maximalleistung für den Heizbetrieb unabhängig von der Maximalleistung im Brauchwasserbetrieb einstellen. Man spricht dann von der eingestellten Heizungsteillast.
  • Die Höhe der zu wählenden Einstellung ergibt sich in der Regel aus einer Wärmebedarfsrechnung, bei der als Parameter vorwiegend die zu beheizende Fläche, das Raumvolumen, die gewünschte Raumtemperatur, sowie die Art und Ausführung von Dämmungen eingehen. Eine weitere Einflussgröße auf die zu wählende Heizungsteillast ist die Außentemperatur, bei der die gewünschte Raumtemperatur sichergestellt ist. In der Regel legt man die Heizsysteme auf eine minimale Außentemperatur von -12 bis -15°C aus.
  • Bei dieser Temperatur würde das Heizgeräte dann permanent auf der eingestellten maximalen Heizungsteillast laufen.
  • Da diese Temperaturen - wenn überhaupt - nur an wenigen Tagen im Jahr erreicht werden, laufen die Heizgeräte an den allermeisten Tagen im Jahr mit einer zu hohen Leistung, was zur Folge hat, dass die Geräte sehr häufig zwischenzeitlich ausschalten, was man auch als Takten bezeichnet. Der Vorgang vom Start des Brenners bis zum Ausschalten wird auch als Schaltspiel bezeichnet.
  • Häufig werden Heizgeräte mit externen Reglern, so genannten witterungsgeführten Reglern betrieben. Diese Regler errechnen in Abhängigkeit der Außentemperatur einen Vorlauftemperatursollwert für den Heizkreis. Alternativ oder ergänzend geben Raumtemperaturregler in Abhängigkeit von der Abweichung der Temperatur eines im Wohnraum befindlichen Temperaturfühlers von der Solltemperatur einen Vorlauftemperatursollwert für den Heizkreis vor.
  • Alle Systeme haben gemeinsam, dass nach dem Starten des Brenners auch bei modulierenden Systemen nach dem Zünden des Brenners die Anlage mit der höchsten eingestellten Heizungsteillast auch dann betrieben wird, wenn der aktuelle Wärmebedarf der Anlage dies nicht erfordert.
  • Heizungsanlagen mit brennstoffbetriebenen Brennern werden gemäß dem Stand der Technik mit einer vorgegebenen Teillast gestartet; diese Teillast ist derart gewählt, dass der Brenner möglichst sicher zündet. Wird eine Flamme erkannt, so wird der Brenner nach wenigen Sekunden mit der bedarfsgerechten Heizungsteillast betrieben bis die Vorlauftemperatur ihre Solltemperatur erreicht.
  • Generell ist man beim Betrieb von Heizungsanlagen daran interessiert, die Heizungsanlagen möglichst lange mit kleiner Last anstelle taktend mit hoher Last zu betreiben, da die Schadstoffemissionen beim Start hoch sind und der thermische Wirkungsgrad bei kleiner Last höher als bei Volllast ist.
  • Wird die Anlage generell mit kleiner Last bis zur Erreichung der Sollvorlauftemperatur betrieben, so kann es bei hohem Wärmebedarf vorkommen, dass die Solltemperatur nicht erreicht wird. Wird die Anlage zu Beginn mit großer Last betrieben, so besteht die Gefahr, dass die Anlage schnell wieder abschaltet und in den taktenden Betrieb übergeht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bereits nach der Zündphase die Heizungsteillasteinstellung vor dem Eingriff der Vorlauftemperaturregelung bedarfsgerecht selbsttätig an den aktuellen Wärmebedarf der Anlage anzupassen.
  • Erfindungsgemäß wird dies gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass bereits vor Erreichen der Vorlaufsolltemperatur die Heizungsteillast individuell an die Außen- oder Raumtemperatur angepasst wird.
  • Alternativ hierzu wird gemäß dem unabhängigen Anspruch 2 der Temperaturanstieg des Vorlaufs erfasst und hieraus die notwendige Heizungsteillast bestimmt.
  • Gemäß Anspruch 4 wird die Heizlast in Abhängigkeit des letzten Heizvorganges, insbesondere der Dauer und des Temperaturanstiegs, eingestellt.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Figuren erläutert.
    • Fig. 1 zeigt ein Heizgerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • Fig. 2 je einen Kurvenverlauf gemäß dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Verfahren,
    • Fig. 3 den Zusammenhang zwischen Außentemperatur und Vorlauftemperatur der Heizung,
    • Fig. 4 den Zusammenhang zwischen Außentemperatur und Heizungsteillast,
    • Fig. 5 die Anpassung der Heizungsteillast gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren sowie
    • Fig. 6 die Veränderung der Heizungsteillast gemäß einem abgeänderten Verfahren.
  • Figur 1 zeigt eine Heizungsanlage 1, an welcher ein Heizungskreislauf 8 mit einem Radiator 14 als Wärmeabnehmer angeschlossen ist. Die Heizungsanlage 1 verfügt über einen Brenner 6, welcher über ein geregeltes Gebläse 2 an einen Ansaugstutzen 4 angeschlossen ist. Der Ansaugstutzen 4 mündet in die Umgebungsluft. In den Ansaugstutzen 4 mündet ebenfalls die Gasleitung, welche von einer Gasarmatur 3 herkommend mit Brenngas beaufschlagt ist. Um den Brenner 6 herum befindet sich ein Wärmeaustauscher 7, welcher mit dem Heizungskreislauf 8 verbunden ist. Im Rücklauf des Heizungskreislaufs 8 befindet sich eine Umwälzpumpe 10, im Vorlauf ein Vorlauftemperatursensor 9. Die Heizungsanlage 1 verfügt über eine Regelung 11, welche mit der Gasarmatur 3, dem geregelten Gebläse 2, dem Temperatursensor 9 sowie einem externen Regelungsgerät 12, an welches ein Außentemperaturfühler 13 angeschlossen ist, verbunden.
  • Beim Betrieb des Heizungsgerätes 1 sendet der Außentemperaturfühler 13 über die externe Regelung 12 an die interne Regelung 11 ein Signal zum Starten des Gerätes. In Abhängigkeit des Wärmebedarfs stellt die Regelung 11 eine vorbestimmte Drehzahl für das Gebläse 2 sowie einen definierten Durchsatz durch die Gasarmatur 3 ein. Das Brenngas-Luftgemisch wird stromab des Brenners 6 gezündet, die heißen Abgase in dem Wärmeübertrager 7 abgekühlt, so dass die Wärme auf den Heizungskreislauf 8 übertragen wird. Das sich dort befindliche Wasser wird durch die Umwälzpumpe 10 gefördert. Die Wärme wird in dem Radiator 14, vorzugsweise in einem zu beheizenden Raum, abgegeben. Figur 2 zeigt die Heizungskurve a gemäß dem Stand der Technik sowie die Heizungskurve b nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Nach dem Stand der Technik wird zu einem Zeitpunkt t0 der Brenner mit einer vordefinierten Leistung gezündet. Es wird abgewartet bis sich die Flamme zu einem Zeitpunkt t1 stabilisiert hat. Zum Zeitpunkt t1 wird die Heizungsteillast erhöht bis zum Zeitpunkt t2 die maximale Heizungsteillast erreicht ist. Das Gerät wird nun mit maximaler Heizungsteillast betrieben, bis zum Zeitpunkt t3 die Vorauf-Ist-Temperatur der Vorlauf-Soll-Tempertur entspricht. Nun wird die Heizungsteillast derart geregelt, dass die Vorlauftemperatur konstant bleibt. Dies hat zur Folge, dass die Heizungsteillast ab dem Zeitpunkt t3 abnimmt. Zum Zeitpunkt t4 endet der Heizvorgang.
  • Während des Heizvorgangs wird eine Wärme t 0 t 4 P a t dt
    Figure imgb0001
    abgegeben.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ebenfalls zum Zeitpunkt t0 der Brenner gezündet. Ebenfalls zum Zeitpunkt t1 wird die Zündphase abgeschlossen und in die bedarfsgerechte Heizungsteillast übergegangen. Hierzu wird von dem Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 die Heizungsteillast abgesenkt, bis ab dem Zeitpunkt t2 die wärmebedarfsabhängige Heizungsteillast erreicht wird. Nun wird die Heizungsanlage mit konstanter Leistung betrieben, bis zu einem Zeitpunkt t5 die Vorlaufsolltemperatur erreicht ist. Ab dem Zeitpunkt t5 wird die Heizungsanlage derart geregelt, dass die Heizungsvorlauftemperatur konstant bleibt. Zum Zeitpunkt t6 wird die Heizungsanlage abgeschaltet. Während dieses Heizungsvorgangs beträgt die abgegebene Leistung t 0 t 6 P b t dt .
    Figure imgb0002
  • Die abgegebene Heizleistung ist gemäß dem Stand der Technik gleich dem erfindungsgemäßen Verfahren t 0 t 4 P a t dt = t 0 t 6 P b t dt .
    Figure imgb0003
  • Figur 3 zeigt das Verhältnis zwischen Außentemperatur Ta und der Heizungsvorlauftemperatur TV. Es ist zu erkennen, dass bei sehr niedrigen Außentemperaturen eine hohe Heizungsvorlauftemperatur benötigt wird. Mit steigender Außentemperatur kann die Heizungsvorlauftemperatur abgesenkt werden.
  • Figur 4 zeigt dementsprechend das Verhältnis zwischen Heizungsteillast P zur Außentemperatur Ta. Auch hier wird deutlich, dass mit steigender Außentemperatur die Heizungsteillast reduziert werden kann.
  • Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach der Zündphase vor Erreichen der Vorlaufsolltemperatur die Heizung mit einer Heizungsteillast betrieben, welche vom Messwert des Außentemperaturfühlers 13 abhängig ist. Der Außentemperaturfühler 13 gibt über die externe Regelung 12 an die Regelung 11 einen Messwert weiter. Gemäß der Figuren 3 und 4 errechnet die Regelung die notwendige Leistung zum Betrieb des Brenners und stellt demgemäß den Gasdurchsatz der Gasarmatur 3 als auch die Drehzahl des geregelten Gebläses 2 ein.
  • Figur 5 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem die Vorlauftemperatur TV aufgenommen wird. Aus dem Verlauf der Vorlauftemperatur TV wird der Gradient T v
    Figure imgb0004
    ermittelt. Dieser wird mit einem Sollwert verglichen. Ist der Gradient des Temperaturanstiegs der Vorlauftemperatur kleiner als der vorgegebene Wert, so wird die Heizungsteillast erhöht. Ist der Gradient größer, d. h. das Wasser erhitzt sich schneller als es soll, so wird die Heizungsteillast reduziert.
  • Figur 6 zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und verdeutlicht die Veränderung der Heizungsteillast in Abhängigkeit der Dauer des letzten Heizvorganges (t6 - t0). Die Linien c, d, e und f verdeutlichen Kennlinien für vorgegebene Temperaturdifferenzen bei letzten Heizvorgang. So verdeutlicht die Linie c einen Heizvorgang, bei dem die Vorlauftemperatur um 5 K angehoben wurde, Linie f verdeutlicht einen Heizvorgang, bei dem die Vorlauftemperatur um 30 K während des Heizvorganges vom Minimalwert zum Sollwert differiert.
  • Beispiel: Wurde beim letzten Heizvorgang die Vorlauftemperatur um 20 K in 20 min angehoben, so ist dies gemäß Kennlinie e ein Indiz dafür, dass die Heizungsteillast nicht verändert werden sollte. Wurde für die Temperaturanhebung des Vorlaufs bei 20 K eine Zeit von 30 min benötigt, so muss gemäß der Kennlinie e beim nächsten Heizvorgang die Heizungsteillast um 10% angehoben werden. Wurden hingegen nur 10 min benötigt, so wird beim nächsten Heizvorgang die Heizungsteillast um 10% reduziert.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Teillasteinstellung bei brennstoffbetriebenen Heizungsanlagen mit Außentemperaturfühler und / oder Raumtemperaturfühler und Erfassung der Vorlauftemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Zündphase vor Erreichung der Vorlaufsolltemperatur die Heizung mit einer Heizungsteillast, welche eine Funktion der Außen- und / oder Raumtemperatur ist, betrieben wird.
  2. Verfahren zur Teillasteinstellung bei brennstoffbetriebenen Heizungsanlagen mit Erfassung der Vorlauftemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Zündphase vor Erreichung der Vorlaufsolltemperatur der Gradient der Vorlauftemperatur erfasst wird und die Heizungsteillast in Abhängigkeit des Gradienten angepasst wird.
  3. Verfahren zur Teillasteinstellung bei brennstoffbetriebenen Heizungsanlagen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreitung eines bestimmten Gradienten die Heizungsteillast erhöht und bei Überschreitung dieses bestimmten Gradienten die Heizungsteillast reduziert wird.
  4. Verfahren zur Teillasteinstellung bei brennstoffbetriebenen Heizungsanlagen mit Erfassung der Vorlauftemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Zündphase vor Erreichung der Vorlaufsolltemperatur die Heizung mit einer Heizungsteillast, welche eine Funktion der Heizungsteillast des letzten Heizvorganges, der Dauer des Heizvorganges und des Vorlauftemperaturanstiegs während des Heizvorganges, betrieben wird.
  5. Verfahren zur Teillasteinstellung bei brennstoffbetriebenen Heizungsanlagen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreitung einer bestimmten temperaturabhängigen Dauer des Heizvorganges die Heizungsteillast reduziert wird und bei einer bestimmten temperaturabhängigen Dauer des Heizvorganges die Heizungsteillast erhöht wird, wobei die bestimmte temperaturabhängige Dauer des Heizvorganges mit zunehmendem Vorlauftemperaturanstiegs während des Heizvorganges abnimmt.
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