EP2420748A2 - Verfahren und System zur Durchführung eines hydraulischen Abgleichs in einem Heizungssystem - Google Patents

Verfahren und System zur Durchführung eines hydraulischen Abgleichs in einem Heizungssystem Download PDF

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EP2420748A2
EP2420748A2 EP11006715A EP11006715A EP2420748A2 EP 2420748 A2 EP2420748 A2 EP 2420748A2 EP 11006715 A EP11006715 A EP 11006715A EP 11006715 A EP11006715 A EP 11006715A EP 2420748 A2 EP2420748 A2 EP 2420748A2
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EP
European Patent Office
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value
temperature
heating surface
opening position
heating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11006715A
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English (en)
French (fr)
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EP2420748A3 (de
Inventor
Jens Linden
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ista International GmbH
Original Assignee
Ista International GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Ista International GmbH filed Critical Ista International GmbH
Publication of EP2420748A2 publication Critical patent/EP2420748A2/de
Publication of EP2420748A3 publication Critical patent/EP2420748A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1009—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating
    • F24D19/1015—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating using a valve or valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1009—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating
    • F24D19/1015—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating using a valve or valves
    • F24D19/1018—Radiator valves

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for performing a hydraulic balancing in a heating system with at least two heating surfaces, in particular at least two radiators, wherein the mass flow of a heating fluid through each of the heating surfaces on each of the heating surfaces by means of an electronic thermostatic valve individually by adjusting the current opening position of Thermostat valve is controlled, wherein for each of the heating surfaces of temperature readings a value representing the operating point of the heating surface determined and compared with a stored comparison value of the heating surface and depending on the comparison, the maximum permissible opening position of the thermostatic valve is electronically limited.
  • a system for carrying out such a method comprises at least one heating surface through which a heating fluid flows, in particular at least one heating element, each heating surface having an electronic thermostatic valve for regulating the mass flow through the heating surface as a function of the room temperature.
  • each electronic thermostatic valve has its own control, eg internally in the valve or by an external control to set the opening position of the valve based on the room air setpoint temperature preset by a user and the measured room air temperature and so the room air temperature to regulate. It can communicate for this purpose, several thermostatic valves with a higher-level control unit.
  • a plurality of heating surfaces are arranged in a circuit with a heat generator, e.g. a central heating to supply the individual heating surfaces each with heated heating fluid.
  • a heat generator e.g. a central heating to supply the individual heating surfaces each with heated heating fluid.
  • These can be single-pipe or twin-pipe systems.
  • the heat generator e.g. a gas or oil heating or district heating device, a heating fluid of a predetermined flow temperature available, then it is ensured by one or more circulation pumps that each of the heating surfaces is flowed through in the heating system of the heating fluid with the selected flow temperature.
  • the flow temperature may e.g. be outside temperature-controlled, have a night-time lowering or other basically follow any criteria, e.g. are stored by characteristic curves in a heating system.
  • the individual heating surfaces can have different flow resistance within such a heating system in connection with the pipes leading to the individual heating surfaces. It follows, in particular with simultaneously opened thermostatic valves of several radiators that a heating surface with a higher flow resistance has a lower mass flow of the heating fluid than a heating surface with a lower flow resistance.
  • heating phases of a heating system as they occur, for example, after a reduction in the flow temperature during the night after the end of the night setback, but also during the time of night reduction, this may result in heating surfaces with a lower flow resistance creates a high mass flow of heating fluid, In contrast, only a small mass flow of heating fluid at such heating surfaces with a higher flow resistance, so that found in the latter heating surfaces, in particular space heaters, a hydraulic undersupply is, however, in the former heating surfaces or radiators a hydraulic oversupply. This is especially true when this is usually several or even all the thermostatic valves of the heating surfaces of the heating system are open.
  • Such a hydraulic adjustment is usually carried out by the fact that the flow resistance is set individually by a heating engineer when installing the system on each heating surface or in certain strand sections of the heating system, especially if all thermostatic valves of the heating surfaces are opened.
  • the flow resistance in the return fitting of radiators can be variably adjusted or it can be changed by a so-called presetting of the flow cross-section in radiator valves, in particular gradually.
  • Another disadvantage is that a one-time performed hydraulic balancing is performed for one operating point. As an operating point usually the design state is taken, are based on the minimum outside temperature conditions. However, as these design conditions rarely occur in practice, it is quite possible that the one-time hydraulic balancing will only produce suboptimal results for much of the plant's operating life.
  • a method and system for performing an automatic hydraulic balancing in a heating system is eg from the publication DE 199 11 866 A1 known. From this it is known to determine the operating point of each heating surface by the difference of the temperatures of flow and return and adjust to a desired value as a comparison value by changing the opening of a valve of each heating circuit. An additional room thermostat closes the valve when the room temperature has reached a setpoint or open when the setpoint is not reached.
  • a heat demand adjustment of the opening positions of the thermostatic valves should be achieved, for example, to minimize the target-actual deviation in the room air temperature.
  • this object is achieved in that in a case when the comparison indicates a hydraulic over-supply of the heating surface, the current opening position of the thermostatic valve by a reduction value, in particular a fixed reduction value, in particular repeatedly reduced until the comparison provides a result, according to which a further reduction is unnecessary and the value of the last opening position is stored as the maximum permissible opening position together with the measured excess temperature of the heating surface for the formation and / or adaptation of a characteristic / a characteristic field.
  • a system for carrying out such a method is accordingly arranged, in a case when the comparison indicates a hydraulic oversupply of the respective heating surface, to reduce the current opening position of the thermostatic valve by a reduction value, in particular a fixed reduction value, in particular several times until the comparison yields a result according to which a further reduction is unnecessary and to store the value of the last opening position as the maximum permissible opening position together with the measured excess temperature of the heating surface for the formation and / or adaptation of a characteristic / a characteristic field.
  • a value is determined for the implementation of the method or in a system purely from temperature measured values which can be detected at any time during operation of the system by means of temperature sensors, which represents an operating point of the considered heating surface. It then suffices a simple comparison to obtain a hydraulic balance. Depending on the type of value determined and the reference value used, a limit will then be set performed, for example, if the value exceeds the comparison value or alternatively falls short of.
  • Such a value may be obtained from the detected temperature readings, e.g. are determined on the basis of a stored model, in particular a stored calculation rule, in a calculation device or also result directly from the temperature measurement values, e.g. by summation or difference value formation.
  • a stored comparison value which, based on the calculated value mentioned in the introduction, e.g. is formed by a standard design value of the heating surface or a value dependent thereon.
  • it may be provided to select from a plurality of different possible values in order to represent an operating point of the heating surface.
  • the current or time filtered mass flow (e.g., mean) flowing through the heating surface may be used, which is calculated from a stored model.
  • comparison value e.g. a limit mass flow should be used, which should not be exceeded at the considered heating surface and is stored for the heating surface, e.g. in the computing device.
  • This comparison value may be e.g. given by the standard mass flow at the design point of the radiator or a value dependent thereon.
  • the comparative value in particular the said limiting mass flow, may itself be dependent on at least one of the measured temperatures, e.g. from the excess temperature of the heating surface, in particular which here denotes the difference between flow and room temperature. It can therefore be provided to determine the comparison value from a table, characteristic curve or calculation rule for the comparison as a function of the temperature, e.g. also in the calculation device.
  • the heat output current or filtered from the heating surface may be determined as a value, e.g. again using a stored model.
  • a stored comparison value e.g. the standard heat output at the design point of the radiator or a dependent value or the theoretically maximum achievable heating power of the radiator are used.
  • the maximum heating power e.g. by means of limiting value formation when the mass flow approaches infinity.
  • the return temperature is equal to the flow temperature.
  • a value dependent on the maximum possible heating power For example, one could demand that the current heating power does not exceed a value of 90% of the maximum possible heating power at the operating point.
  • the current or filtered slope of the radiator performance vs. mass flow or radiator performance versus valve lift characteristic may be used, particularly where the slope is calculated from a stored model.
  • This slope-based design is based on the consideration that the radiator performance is non-linear and results in a flattening of the power curve for high mass flows or even large valve lifts, thus their slope decreases sharply.
  • the slope of a desired operating point is set for the process, which should not be exceeded during operation.
  • a comparison value such a limit gradient can be determined as a function of the slope of the radiator performance curve at the design point. For example, can be determined as the limit slope that slope, which is present at twice the design mass flow. At least the limit slope should be less than or equal to the slope at the design point. We found in the comparison that the current or filtered slope is smaller than the comparison value, so again the inventive limitation of the maximum permissible opening position.
  • the temperature spread of the heating surface ie the difference between the flow and return of the heating surface by measuring the flow and return temperature is determined.
  • the current or filtered spread can be compared to a comparison value. If the spread is smaller than the comparison value, then the limitation occurs.
  • the comparison value can be determined here, for example, based on a limiting mass flow, as was mentioned for the first embodiment.
  • the return temperature can also be any other state variable of the radiator such as the radiator temperature to 75% of the height of the radiator used to determine a spread.
  • the core idea of the invention is based on avoiding that the considered heating surface with respect to the calculated value, which represents the operating point, does not exceed or fall short of the stored or computable comparison value, depending on which value is used, since it is known that this is due to known Nonlinearities of a heating surface no further advantage in the heating of rooms is achieved, but a drawback is to recognize that otherwise the remaining heating surfaces of the heating system are hydraulically and thus energetically underserved.
  • the mass flow flowing through the heating surface is greater than the limiting mass flow for which the heating surface is aligned or the value of the heat output is greater than the limit heat output of the heating surface or the slope is smaller than the limit slope or the spread is smaller than the boundary spread so there is an automatic limitation of the maximum permissible opening position of the thermostatic valve, thereby increasing the flow resistance of the considered heating surface and thus the maximum possible heat output, based on a design flow temperature or the maximum by this heating surface flowing mass flow of the heating fluid is limited in the same way.
  • each considered thermostatic valve is carried out electronically, so that this limit autonomous, e.g. can be made by the heating system or the thermostat valve itself, without the need for a human intervention.
  • the limitation is such that a current opening position of a thermostatic valve currently to be tested in the method when a hydraulic oversupply is detected is gradually reduced with each limitation, e.g. by an absolute amount or by a relative amount, e.g. by a certain percentage.
  • each limitation e.g. by an absolute amount or by a relative amount, e.g. by a certain percentage.
  • iteration for example, if, after a performance, in particular after a prescribed rest period, there is still a hydraulic overfeed
  • there is a limit in each iteration step until the monitored value withstands the comparison thus no further limitation is necessary becomes.
  • the maximum permissible opening position is limited at the present excess temperature.
  • a thermostatic valve of at least some, preferably all heating surfaces of such a heating system its opening cross section can only change so far that this is turned on due to the electronic limit at most up to the electronically fixed, maximum allowable opening position, but not beyond even if the considered thermostatic valve could allow even further opening purely due to its physically given possibilities. This further opening is prevented by the electronic limitation.
  • thermostatic valve in an individual room control for regulating the room temperature by means of a thermostatic valve on a respective heating surface of this room only one such opening position of the thermostatic valve is allowed within its control, which between the maximum closed position or a minimum frost protection position and the maximum opening position determined in the course of the calculation and the comparison.
  • the current opening position of a thermostatic valve can be detected by metrology, for example by measuring the stroke of the valve actuator, for example by means of strain gauges or in a similar manner, by an electronic feedback of the valve actuator or by evaluating the manipulated variable of the electronic room temperature controller.
  • the current opening position can be determined at any time.
  • a thermostatic valve or the system may comprise an electronically interrogatable memory in which the maximum permissible opening position is stored and may be changed after calculation, e.g. by overwriting the old value with a new one.
  • a characteristic curve or at least one characteristic diagram with discrete value pairs can be formed by the plurality of value pairs of excess temperature and permissible opening position stored over time ,
  • the opening position can be further limited by the comparison described above, if there is a hydraulic oversupply or the opening position is increased, if a shortage is given. Then, the thus determined new opening position can be stored as a new maximum permissible opening position in the map / the characteristic at the associated excess temperature, whereby the characteristic / the map is adapted and updated.
  • the fulfillment or non-fulfillment of the comparison can be checked by whether the value representing the operating point lies within a given tolerance around the comparison value or not. If the tolerance is exceeded, then this state is considered to be not hydraulically balanced, in particular depending on the direction of exceeding as over- or undersupplied.
  • a function to the stored value pairs, in particular if at least two or more than two value pairs are present, e.g. by a step function or exponential function or polynomial or other suitable function, e.g. also by a straight line.
  • the above-mentioned value is calculated by solving the static or dynamic radiator equation as a function of a plurality of measured temperatures.
  • the radiator equation known to those skilled in the art further parameters, such as e.g. enter the heat transfer coefficient of the heating surface and / or the radiator exponent.
  • Such parameters may be variable, i. be predeterminable or be taken into account in the equation for a calculation.
  • the heat output of the heating surface, the slope or the spread, the flow temperature and / or the room air temperature of the space heated by the heating surface and the heating surface area can be determined with reference to the considered heating surface. and / or the return temperature and / or the outside temperature are measured, for which in the said system for performing the method corresponding temperature sensors on the flow of the heating surface and / or on the flow of the heating strand and / or on the return of the heating surface and / or in space and / or directly can be arranged on the heating surface and / or on the outer shell of the building.
  • the flow temperature can be assigned by the heating curve clearly an outside temperature.
  • outside temperature instead of the difference between supply and room temperature
  • room temperature instead of the difference between supply and room temperature
  • Such temperature sensors may be provided separately in a system according to the invention or in the implementation of the method, but preferably sensors are used, which are already present on components of the heating system, such as on the radiator (eg in a heat cost allocator) or on the thermostatic valve.
  • the room air temperature and alternatively either the Schund- or return temperature can be calculated via the aforementioned radiator equation of the method to be considered value and then compared with the comparison value.
  • a respective heating surface has a heat cost allocator, which is usually used to detect the heat output to the relevant heating surface and to count an internal counter depending on the heat output, so in particular over a billing period, the total incurred heating costs among the individual Be able to distribute parties to a property.
  • Such a heat cost allocator can already be present and used for the interests of the invention, by providing at least a part of the total required temperature measured values for the calculation.
  • such a heat cost allocator or smoke detector can preferably be used to measure in particular with one of its temperature sensors, for example, the room air temperature in the space of the considered heating surface or also (in the case of Schumacherers) the room air temperature from the measured Schundtemperatur to extrapolate.
  • the Schundtemperatur with such a heat cost allocator or its Temperature sensor is detected, are used.
  • the room air temperature can be detected by a separate room air temperature sensor, eg also a smoke detector.
  • the flow and / or return temperature and / or room air temperature are measured by temperature sensors of the respective thermostatic valve and the Schuvin- and / or return temperature and / or room air temperature by a temperature sensor of a the heating surface associated heating cost allocator is measured and / or the room air temperature is measured by a smoke alarm.
  • thermostatic valve and heat cost allocator and / or smoke detectors complement in such a system according to the invention insofar as to calculate the respective value of interest, such as the mass flow or the heat output of the heating surface, the slope or spreading the necessary temperature readings each to a part of both System units, ie Thermostat valve and heat cost allocators and / or smoke detectors are contributed.
  • the heating surface and / or return temperature of the respective heat cost allocator. is communicated by radio to the respective thermostatic valve and the calculation of the value of interest on the basis of at least one further, contributed by the thermostatic valve temperature reading, in particular the flow temperature, by means of the stored model, e.g. is made by the thermostatic valve.
  • the room air temperature may e.g. be communicated by radio from a smoke detector to the thermostatic valve.
  • the thermostatic valve has an internal intelligence, eg a microprocessor with a program running therein, by means of which the Calculation, for example, based on a stored model and the total provided temperature readings is made, in this embodiment by a receiving unit of the thermostatic valve from the outside at least one temperature reading is detected by the arranged in the vicinity of the thermostatic valve heat cost allocator.
  • the thermostatic valve comprises a computing device.
  • the transmission of the measured value by radio can in principle be used in the heat cost allocator and / or smoke detector anyway existing transmitting device that is otherwise commonly used to send the internal meter readings of the heat cost allocator for the purpose of "reading", e.g. to stationary or mobile receiving units.
  • a separate transmitting device may be provided in the heat cost allocator to communicate temperature readings to the thermostatic valve.
  • the flow and / or room air temperature for example, from the thermostatic valve and / or a smoke detector to the heat cost allocator, in particular by radio are communicated and the calculation, for example, based on a stored Model is made by the heat cost allocator, what then this includes a calculation device and then back to the calculation and a comparison, a value for limiting the maximum permissible opening position back to the thermostatic valve, in particular again by radio.
  • the electronic intelligence in particular in the form of a microprocessor, is provided by the heat cost allocator, thus making the calculation on the basis of the temperature measured values provided, but then, in contrast to the previous embodiment, the maximum permissible opening position representing value to the thermostatic valve communicates.
  • thermostatic valve has the Computationsintelligencez and insofar as an optionally recalculated maximum permissible opening value of the thermostatic valve after calculation is present directly in the thermostatic valve and can be used for the electronic limitation, for. by storing in a designated memory area.
  • the temperature readings from an electronic thermostatic valve and / or the heat cost allocator to a separate, e.g. central computing device, e.g. by radio or wired. It can be e.g. be a computing device that is integrated into a network with thermostatic valves and / or heat cost allocators of the respective heating surfaces or an external data center.
  • This calculation device comprises the stored model and calculates the said value, eg the mass flow through the considered heating surface or its heat dissipation or the slope or the spread for the purpose of the comparison.
  • the respective comparison value can eg in the Calculation device for all connected heating surfaces or for the purpose of comparison of the thermostatic valve or the heat cost allocator of each heating surface are also provided by communication to the computing device. If the calculation device determines in the context of the comparison that the maximum permissible opening position is to be limited, it communicates a corresponding new value for limiting back to the respective thermostatic valve.
  • a calculation may e.g. are made of a plurality of during the aforementioned predetermined time period and / or collected before the said time temperature readings.
  • the temperature measurements required for the calculation may be of a smaller periodicity than the predetermined period, e.g. be detected over a day several times, the limitation of the maximum opening position and thus, e.g. the writing of a value representing this position in the thermostatic valve in a designated memory area, however, takes place only with the periodicity mentioned above, such as once a day. This reduces an optionally disadvantageous, too frequent change of the flow resistance within a heating system.
  • the maximum permissible opening position is limited only when exceeding (or falling below, depending on the value / comparison value), in particular a multiple Exceeding / undershooting is detected by a stored limit value and / or beyond a preset time interval.
  • this ensures that a limitation does not occur immediately in the case of a single or even a very small exceeding / undershooting of the comparison value by the calculated value, but in one embodiment only when this exceeding / falling below a certain order of magnitude exceeds the limit / Thus falls short of a certain, stored as a limit value takes place and / or multiple times and / or takes place over a certain period.
  • thermostatic valve When limiting the maximum permissible opening position of the thermostatic valve, it may be provided that to maintain a minimum mass flow downwards, a minimum opening position is not exceeded. Thus, functions such as the protection against freezing can be ensured by such a minimum mass flow generated thereby.
  • the maximum permissible opening position after a previous limitation i. Reduction is in turn increased, in particular if the value resulting from the calculation based on the stored model, the comparison value falls below (or exceeds, depending on the selected value / comparison value), in particular in an analogous manner, as mentioned above, by a predetermined limit falls below / exceeds and / or falls short of / exceeds for the duration of a preset time interval.
  • the method according to the invention does not necessarily always only reduce the maximum permissible opening position that the thermostatic valve is allowed to assume, so that changing flow conditions resulting from changed conditions in the entire heating system can also be taken into account.
  • a pump used in the heating system will deliver its entire mass flow through a heating surface with a wide open thermostatic valve, so here the method of the invention is highly probable determines an over-supply condition by calculating the value to be used and comparison, and electronically limits the maximum opening position of the thermostatic valve of this over-supplied heating surface.
  • the maximum permissible opening position of the thermostatic valve at a certain heating surface is not a constant value, but depends on conditions in the heating system and, for. for the described state, in turn, can be increased without the risk of oversupply this heating surface and a shortage of other heating surfaces is given.
  • the invention can also be provided, after determining the operating point at a certain time on the basis of the value representing the operating point to calculate this value temporally in the future, in particular on the basis of a stored model taking into account the dynamic behavior of the system and then the projected value to use for comparison rather than the current value.
  • This can take into account the fact that in a dynamically changing heating system at the time of measurement of the temperatures for the determination of the operating point is not a statically stable state.
  • the extrapolation converts the currently changing operating point into a future static operating point.
  • a calculation rule can be stored in the system with which this extrapolation takes place.
  • the rule may e.g. created in the system design.
  • heat cost allocators which were otherwise used only in terms of their function for heating cost distribution, can make a further contribution to energy conservation, namely the fact that they contribute to the implementation of the method within the system according to the invention insofar as they at least provide a temperature measurement required for the calculation available, for example, the room air temperature and / or the Schundtemperatur and / or the return temperature of the heating surface.
  • a system can thus be set up such that it has a heat cost allocator on the heating surface for detecting the heat output the heating surface, wherein at least one of the devices is arranged by the thermostatic valve or heat cost allocator to make the aforementioned comparison by the calculation on the basis of a stored model with the aid of at least one measured by said device itself temperature reading and at least one of the other device by preferred radio communication transmitted temperature reading.
  • the communication of the supplied temperature measured value for example, also be wired.
  • FIG. 1 shows a graphical representation of several characteristics of a assumed for this embodiment combination of a heating surface with an electronic thermostatic valve.
  • the assumptions for this embodiment are only for specific description, without limiting the possible embodiments to this example.
  • valve characteristic is used in this embodiment to clarify the technical context and for the simulative description of a possible real-world scenario to prove the function of the invention.
  • the characteristics of the FIG. 1 in particular such a valve characteristic of Figure 1A neither needed nor is it necessary to determine the characteristic curves.
  • FIG. 1B an exemplary characteristic of the radiator is shown on the one hand at 75 ° C and on the other hand at 50 ° C flow temperature and 20 ° C room temperature, which represents the relationship between the heat output of this radiator depending on the mass flow through this radiator.
  • the square marks the standard design condition at 75 ° C / 65 ° C / 20 ° C, ie the point at which the return temperature of 65 ° C is 75 ° C. In the design point, therefore, the considered radiator has a certain standard design value of the mass flow, in this example of 0.0364kg / s.
  • the Figure 1C shows each exemplary characteristics resulting from a series connection of a valve with the characteristic according to Figure 1A and a radiator according to FIG. 1B result. These show the heat output of the radiator depending on the valve lift. Based on the characteristic curve for the supply temperature of 75 ° C, it can be seen that the standard design point of the radiator has already been reached at approx. 19% of the valve position. From this low value of the valve position, it can be seen that this is a hydraulically overheated radiator.
  • radiator characteristic eg according to the FIG. 1B and requires that during operation, for example, a reference value, once defined, of a minimum gradient of the radiator characteristic, in particular that at the flow temperature at the design point (in this case 75 ° C.), not be undershot.
  • the mathematical symbols used are listed in Table 1 below. ⁇ b> Table 1: Mathematical Symbols and Availability.
  • the slope depends on the radiator parameters, the overtemperature and the mass flow. It can thus be determined by this equation for each mass flow at the given (measured) temperatures, the slope of the radiator characteristic and inversely to the selected reference value of the slope, a mass flow limit at the given (measured) temperatures are determined, which should be below the reference value the slope not to fall below.
  • the current mass flow can be reconstructed according to the invention from the known or measured temperatures, the radiator parameters and possibly the current valve position with standard tools of control engineering and system identification using a stored model.
  • a calculation of the mass flow ⁇ according to the invention is possible. From multiple measurements, mean values or filtered mass flow values can also be determined.
  • the slope of the current operating point can be determined (estimated). For the automated hydraulic balancing according to the invention, this means that in this embodiment the estimate of the current gradient can be compared with the selected gradient reference value at any time.
  • a reference value a value smaller than the slope at the design point or at least one reference value dependent on the slope at the design point is preferably selected here.
  • the value representing the operating point of the heating surface may be the slope at the operating point of the heating surface and the comparison value given by the reference value of the slope mentioned here.
  • an iterative solution method can be carried out for determining the limiting mass flow by means of the aforementioned equation, since this equation can not be explicitly solved for ⁇ .
  • the characteristic curve for the limiting mass flow depends only on the known radiator parameters ⁇ , n and the eg once defined limit slope dQ ⁇ min ld ⁇ . This allows an a-priori calculation of the characteristic curve for the limiting mass flow, in particular that is deposited once during the installation of the system in the microcontroller, for example, the calculation device mentioned above. Alternatively, it is possible to transfer the characteristic from a central IT, preferably by radio, into the system according to the invention and, if necessary, to update it.
  • a mass flow value e.g. the current mass flow is compared with the determined limit mass flow, without necessarily determining slope values beforehand.
  • the mass flow currently flowing through the radiator can be determined, for example, by means of a static or dynamic radiator model.
  • Table 2 Table 2: Mathematical Symbols and Availability. ⁇ / b> symbol importance Availability ⁇ log ( t ) Logarithmic overtemperature known, measured m HK Mass of the radiator known C HK Specific heat capacity of the radiator known T s sampling known, given t Discrete time index known
  • the thus determined mass flow can now at any time at a given excess temperature ⁇ be compared with the limit mass flow, for example, based on a characteristic, as from FIG. 2 , can be determined for this overtemperature.
  • the maximum permissible opening position of the valve is reduced.
  • the self-regulating thermostatic valve regulates only between its minimum, in particular as a function of the deviation between the room-actual and room-set temperature
  • Opening position and the invention defined maximum permissible opening position are defined maximum permissible opening position.
  • the reduction in mass flow may be by a controller of a general type, e.g. controls the mass flow to the predetermined limit mass flow, based on the control error, which consists of the difference formed between the mass flow limit and determined mass flow.
  • a regulator which regulates the spread to a desired value can be used to reduce the mass flow in the same way, which uses as a control error the difference between the required minimum spread and determined spread ,
  • the pitch can be used as a controlled variable.
  • the room temperature controller is thus replaced or supplemented by a mass flow, spread or gradient controller, which reduces the mass flow until the comparison yields a result according to which a further reduction of the maximum permissible opening position of the valve is unnecessary.
  • one fittet the thus determined characteristic of the maximum permissible opening position by a function can be done by a discontinuous monotonously increasing staircase function.
  • FIG. 3A shows the time course of flow and return temperatures of the radiator and the room air temperature.
  • the flow temperature is kept constant at 70 ° C. Between 24:00 and 06:00, this will be lowered to 50 ° C. It can be seen that the spread becomes smaller during the night subsidence phase.
  • the room temperature starts at 12:00 at 17 ° C. The room is thus initially in the heating phase. Then you can see that the PI controller of the electronic thermostatic valve reaches a constant 21 ° C after a few minutes. This is maintained until the beginning of the lowering phase.
  • FIG. 3B shows the performance of the radiator. One recognizes the reduced heating power in the lowering phase.
  • Figure 3D shows the time course of the mass flow and the standard mass flow at the design point (75/65/20) as an exemplary reference point.
  • the current mass flow is almost exactly on the standard mass flow, while the lowering phase, however, reaches a maximum mass flow, which is about three times as high as the Standard mass flow is.
  • this hydraulic oversupply is insufficient to reach the required 21 ° C room temperature.
  • other radiators of the entire system are potentially underserved and thus the entire system is not hydraulically balanced.
  • FIG. 4 shows the predefined limit slope d min / ⁇ compared to the current slope on a logarithmic scale. It can be seen that after the heating phase and before the lowering phase, the current slope is greater than the limit gradient. Thus, there is no need for a valve lift limit in this time window. During the heating and lowering phase, however, it is recognized that the limit slope is exceeded, and that a Ventilhubbegrenzung would be required.
  • the current overtemperature can be determined via the limit mass flow characteristic or its parameterization, eg according to FIG. 2 the limiting mass flow is calculated or calculated, which is also in Figure 3D is shown. It can be seen that after the heating phase and before the lowering phase, the current mass flow is significantly below the limiting mass flow and during this time the system is hydraulically balanced.
  • FIG. 5A recognizes that the spread during the lowering phase is lower than before the lowering phase, but from about 01:00 clock by the inventive limitation of the maximum allowable opening position is greater than in the previous example, as in FIG. 3A is shown.
  • the room air temperature in FIG. 5A initially appears unchanged compared to the previous simulation.
  • the room temperature during the settling phase was only reduced from 17.14 ° C to 16.9 ° C. This is to be expected, since the oversupply in the first part of the simulation only corresponds to a marginal increase in heating capacity.
  • FIG. 5C it can be seen that during the heating up phase at 12:00 o'clock the valve lift first jumps to 100%.
  • the limit valve lift is still unknown and has to be learned successively.
  • the valve lift is gradually reduced by a predetermined value, for example by 5%, until the mass flow is below the limit mass flow.
  • the value of the last valve position h ( t-1 ) can now be displayed together with the associated overtemperature ⁇ be stored to reconstruct the characteristic of the Grenzventilhubs. For this purpose, a monotonously rising staircase function is assumed here.
  • FIG. 5D it can be seen that after the values of the characteristic curve of the limit valve lift have been learned (around 01:00 o'clock), the mass flow has been limited to half the previous value. Thus, a hydraulic oversupply of the radiator is prevented during the lowering phase. This in turn prevents further radiators are hydraulically undersupplied in the same strand during the lowering phase. A shortage of supply in these rooms would mean that the room temperature could fall well below 17 ° C.
  • FIG. 7 shows the mass flow when the maximum permissible opening position of the thermostatic valve is limited. It can be seen that, despite mass flow limitation, the heating-up phase is also completed after approx. 35 minutes and thus there is hardly any loss of comfort.
  • the Grenzventilhub for this case did not have to be learned first, but is already known by storing the values of the first heating phase.
  • the current mass flow is slightly below the theoretical limit mass flow, since the characteristic curve of the limit valve stroke was approximated stepwise in this example. Thus, there are small discrepancies between the theoretical Calculated limit mass flow and the self-adjusting mass flow after the limitation of the valve lift.
  • the determined characteristic of the limit valve lift is in FIG. 8 shown.
  • the learned measured values are located at approx. 32K and approx. 47K overtemperature.
  • the measured values at approx. 32K correspond to the learning phases during the night reduction
  • the measured values at approx. 47K correspond to the learning phase during the heating phase at the beginning of the simulation.
  • the staircase-shaped characteristic was used in the simulation considered here, other types of functions that are fitted to the learned measured values are conceivable.
  • Exemplary is in FIG. 8 a fitted characteristic in the form of an exponential function shown.
  • the mass flow must be determined at any time with elaborate algorithms. By estimating the mass flow, errors can arise that can ultimately propagate to the limit valve lift and thus lead to a deterioration of the results.
  • the mass flow limit can be determined according to the embodiment described above and converted into a boundary spread.
  • the spread is the difference between the flow temperature and the return temperature of the considered heating surface, here a radiator.
  • FIG. 9 shows the resulting spread corresponding to FIG. 1B and FIG. 1C . It can be seen that the spread is a monotonically decreasing function of the Mass flow is. Therefore, it makes sense, the limit mass flow FIG. 2 to convert into a characteristic of the boundary spread. This characteristic is in FIG. 10B shown while Figure 10A again shows the associated characteristic of the limit mass flow.
  • the characteristic of the boundary spread is also almost linear.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Durchführung eines hydraulischen Abgleichs in einem Heizungssystem mit wenigstens zwei Heizflächen, wobei der Massenstrom eines Heizfluids durch jede der Heizflächen an jeder der Heizflächen mittels eines elektronischen Thermostatventils individuell durch Einstellung der aktuellen Öffnungsposition des Thermostatventils geregelt wird, wobei für jede der Heizflächen aus Temperaturmesswerten ein den Arbeitspunkt der Heizfläche repräsentierender Wert bestimmt und mit einem gespeicherten Vergleichswert der Heizfläche verglichen wird und in Abhängigkeit des Vergleichs die maximal zulässige Öffnungsposition des Thermostatventil elektronisch begrenzt wird, bei dem in einem Fall, wenn der Vergleich eine hydraulische Überversorgung der Heizfläche anzeigt die aktuelle Öffnungsposition des Thermostatventils um einen Reduktionswert, insbesondere einen festen Reduktionswert, insbesondere mehrfach reduziert wird bis dass der Vergleich ein Ergebnis liefert, gemäß dem eine weitere Reduktion unnötig ist und der Wert der letzten Öffnungsposition als maximal zulässige Öffnungsposition zusammen mit der gemessenen Übertemperatur der Heizfläche zur Bildung und/oder Adaption einer Kennlinie / eines Kennfeldes gespeichert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Durchführung eines hydraulischen Abgleichs in einem Heizungssystem mit wenigstens zwei Heizflächen, insbesondere wenigstens zwei Heizkörpern, wobei der Massenstrom eines Heizfluids durch jede der Heizflächen an jeder der Heizflächen mittels eines elektronischen Thermostatventils individuell durch Einstellung der aktuellen Öffnungsposition des Thermostatventils geregelt wird, wobei für jede der Heizflächen aus Temperaturmesswerten ein den Arbeitspunkt der Heizfläche repräsentierender Wert bestimmt und mit einem gespeicherten Vergleichswert der Heizfläche verglichen wird und in Abhängigkeit des Vergleichs die maximal zulässige Öffnungsposition des Thermostatventils elektronisch begrenzt wird.
  • Ein System zur Durchführung eines solchen Verfahrens umfasst wenigstens eine von einem Heizfluid durchströmte Heizfläche, insbesondere wenigstens einen Heizkörper, wobei jede Heizfläche ein elektronisches Thermostatventil zur Regelung des Massenstroms durch die Heizfläche in Abhängigkeit der Raumtemperatur aufweist.
  • Hier kann es üblicherweise vorgesehen sein, dass jedes elektronische Thermostatventil eine eigene Regelung, z.B. intern im Ventil oder durch eine externe Regelung aufweist, um anhand der Raumluft-Sollwert-Temperaturvorgabe durch einen Benutzer und die gemessene Raumlufttemperatur die Öffnungsposition des Ventils einzustellen und so die Raumlufttemperatur zu regeln. Es können zu diesem Zweck auch mehrere Thermostatventile mit einer übergeordneten Regeleinheit kommunizieren.
  • Im Stand der Technik ist es allgemein bekannt, dass eine Vielzahl von Heizflächen in einem Kreislauf angeordnet sind mit einem Wärmeerzeuger, z.B. einer Zentralheizung, um die einzelnen Heizflächen jeweils mit aufgeheiztem Heizfluid zu versorgen. Dabei kann es sich um Einrohr- oder Zweirohrsysteme handeln.
  • Dafür stellt der Wärmeerzeuger, z.B. eine Gas- oder Ölheizung oder Fernwärmeeinrichtung, ein Heizfluid einer vorgegebenen Vorlauftemperatur zur Verfügung, wobei sodann durch eine oder mehrere Umwälzpumpen sicher gestellt wird, dass jede der Heizflächen im Heizungssystem von dem Heizfluid mit der gewählten Vorlauftemperatur durchströmt wird. Die Vorlauftemperatur kann z.B. außentemperaturgeführt sein, eine Nachttemperaturabsenkung aufweisen oder sonstigen grundsätzlich beliebigen Kriterien folgen, die z.B. durch Kennlinien in einem Heizungssystem gespeichert sind.
  • Es ist dabei im Stand der Technik weiterhin bekannt, dass die einzelnen Heizflächen innerhalb eines solchen Heizungssystems in Verbindung mit den Rohrleitungen, die zu den einzelnen Heizflächen führen, verschiedene Strömungswiderstände aufweisen können. Hieraus ergibt sich, insbesondere bei gleichzeitig geöffneten Thermostatventilen mehrerer Heizkörper, dass eine Heizfläche mit einem höheren Strömungswiderstand einen geringeren Massenstrom des Heizfluids aufweist als eine Heizfläche mit einem geringeren Strömungswiderstand.
  • Gerade in Aufheizphasen eines Heizungssystems, wie sie z.B. nach einer Absenkung der Vorlauftemperatur während der Nacht nach der Beendigung der Nachtabsenkung vorkommen, aber auch während der Zeit der Nachtabsenkung kann dies dazu führen, dass durch Heizflächen mit einem geringeren Strömungswiderstand ein hoher Massenstrom an Heizfluid entsteht, hingegen an solchen Heizflächen mit einem höheren Strömungswiderstand lediglich ein geringer Massenstrom an Heizfluid, so dass bei den letztgenannten Heizflächen, insbesondere Raumheizkörpern, eine hydraulische Unterversorgung festgestellt wird, hingegen bei den erstgenannten Heizflächen bzw. Heizkörpern eine hydraulische Überversorgung. Dies gilt insbesondere dann, wenn hierbei in der Regel mehrere oder sogar alle Thermostatventile der Heizflächen des Heizsystems geöffnet sind.
  • Um solche Missstände auszuräumen, ist es bekannt, einen sogenannten hydraulischen Abgleich durchzuführen, bei welchem die Strömungswiderstände aller Heizflächen bzw. aller Heizkörper oder der gesamten Stränge, in denen Heizflächen / Heizkörper angeordnet sind, für den Fall maximal geöffneter Thermostatventile (zumindest näherungsweise) gleich eingestellt werden. So ist in einer Aufheizphase der z.B. oben genannten Art der Strömungswiderstand an allen Heizflächen gleich, so dass unterschiedliche Versorgungszustände an den einzelnen Heizflächen vermieden werden. Ein solches System wird als hydraulisch abgeglichen bezeichnet.
  • Ein solcher hydraulischer Abgleich wird üblicherweise dadurch vorgenommen, dass durch einen Heizungstechniker bei der Installation der Anlage an jeder Heizfläche oder in bestimmten Strangabschnitten des Heizungssystems der Strömungswiderstand individuell eingestellt wird, insbesondere wenn dabei alle Thermostatventile der Heizflächen geöffnet sind. Beispielsweise kann der Strömungswiderstand in der Rücklaufverschraubung von Heizkörpern variabel eingestellt werden oder es kann durch eine sogenannte Voreinstellung der Strömungsquerschnitt in Heizkörperventilen, insbesondere stufenweise, geändert werden.
  • Als nachteilig wird hierbei empfunden, dass die Durchführung eines solchen hydraulischen Abgleichs personal- und zeitintensiv ist und demnach üblicherweise auch entsprechende Kosten hervorruft. Weiterhin ist oftmals eine Rohrnetzberechnung zur Ermittlung der Voreinstellwerte der Ventile erforderlich. Besonders in Bestandsanlagen ist dies kompliziert und in diesem Fall müssen viele Annahmen getroffen werden. Dadurch entsteht eine Ungenauigkeit in den umgesetzten Voreinstellwerten.
  • Ein weiterer Nachteil ist, dass ein einmalig durchgeführter hydraulischer Abgleich für einen Arbeitspunkt durchgeführt wird. Als Arbeitspunkt wird üblicherweise der Auslegungszustand genommen, bei dem minimale Außentemperaturbedingungen zugrunde gelegt werden. Da diese Auslegungsbedingungen in der Praxis jedoch nur in den seltensten Fällen eintreten, ist es durchaus möglich, dass der einmalig erfolgte hydraulische Abgleich nur suboptimale Ergebnisse für einen Großteil der Betriebszeit der Anlage erzielt.
  • Ein Verfahren und System zur Durchführung eines automatischen hydraulischen Abgleichs in einem Heizungssystem ist z.B. aus der Veröffentlichung DE 199 11 866 A1 bekannt. Hieraus ist es bekannt, den Arbeitspunkt jeder Heizfläche durch die Differenz der Temperaturen von Vor- und Rücklauf zu bestimmen und auf einen gewünschten Wert als Vergleichswert einzuregeln durch Änderung der Öffnung eines Ventils jedes Heizkreises. Durch einen zusätzlichen Raumthermostaten wird das Ventil geschlossen, wenn die Raumtemperatur einen Sollwert erreicht hat oder geöffnet wenn der Sollwert nicht erreicht ist.
  • Als nachteilig wird hier empfunden, dass für alle Heizkreise dieselbe Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur als Vergleichswert angenommen wird und dieser Wert für alle Betriebszustände konstant ist. Durch die Raumtemperaturregelung, die nur zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand der Ventile unterscheidet, kann der tatsächliche aktuelle Wärmebedarf und ggfs. Fremdwärmequellen, z.B. Sonnenlicht nicht berücksichtigt werden, Solange die Ventile durch die Raumtemperaturregelung aufgesteuert sind erfolgt eine Regelung auf konstante Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur ohne eine Anpassung an den tatsächlichen Wärmebedarf vorzunehmen.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein System bereitzustellen, mittels denen ein hydraulischer Abgleich durch Einstellung der Heizflächen- und/oder Strangströmungswiderstände eines Heizungssystems vollautomatisch ermöglicht wird und bevorzugt dem aktuellen Arbeitspunkt der Anlage entspricht. Dabei soll bevorzugt eine wärmebedarfsgerechte Einstellung der Öffnungspositionen der Thermostatventile erzielt werden, z.B. zur Minimierung der Soll-Ist-Abweichung bei der Raumlufttemperatur.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem Fall, wenn der Vergleich eine hydraulische Überversorgung der Heizfläche anzeigt die aktuelle Öffnungsposition des Thermostatventils um einen Reduktionswert, insbesondere einen festen Reduktionswert, insbesondere mehrfach reduziert wird bis dass der Vergleich ein Ergebnis liefert, gemäß dem eine weitere Reduktion unnötig ist und der Wert der letzten Öffnungsposition als maximal zulässige Öffnungsposition zusammen mit der gemessenen Übertemperatur der Heizfläche zur Bildung und/oder Adaption einer Kennlinie / eines Kennfeldes gespeichert wird.
  • Ein System zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist demnach eingerichtet, in einem Fall, wenn der Vergleich eine hydraulische Überversorgung der jeweiligen Heizfläche anzeigt die aktuelle Öffnungsposition des Thermostatventils um einen Reduktionswert, insbesondere einen festen Reduktionswert, insbesondere mehrfach zu reduzieren bis dass der Vergleich ein Ergebnis liefert, gemäß dem eine weitere Reduktion unnötig ist und den Wert der letzten Öffnungsposition als maximal zulässige Öffnungsposition zusammen mit der gemessenen Übertemperatur der Heizfläche zur Bildung und/oder Adaption einer Kennlinie / eines Kennfeldes zu speichern.
  • Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist es, dass zur Durchführung des Verfahrens bzw. in einem System rein aus Temperaturmesswerten, die während des Betriebs des Systems jederzeit erfasst werden können, mittels Temperatursensoren, ein Wert ermittelt wird, der einen Arbeitspunkt der betrachteten Heizfläche repräsentiert. Es reicht sodann ein einfacher Vergleich aus, um einen hydraulischen Abgleich zu erhalten. Je nach Art des ermittelten Wertes und des zugrunde gelegten Vergleichswertes wird dann eine Begrenzung durchgeführt, wenn z.B. der Wert den Vergleichswert überschreitet oder alternativ unterschreitet.
  • Ein solcher Wert kann aus den erfassten Temperaturmesswerten z.B. anhand eines gespeicherten Modells, insbesondere einer gespeicherten Berechnungsvorschrift, in einer Berechnungsvorrichtung ermittelt werden oder sich auch unmittelbar aus den Temperaturmesswerten ergeben, z.B. durch Summen- oder Differenzwertbildung.
  • Weiterhin liegt in dem System bzw. zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere in der Berechnungsvorrichtung, ein gespeicherter Vergleichswert vor, der bezogen auf den eingangs genannten berechneten Wert z.B. durch einen Auslegungsnormwert der Heizfläche oder einen davon abhängigen Wert gebildet wird.
  • Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, aus mehreren verschiedenen möglichen Werten auszuwählen um einen Arbeitspunkt der Heizfläche zu repräsentieren.
  • Beispielsweise kann der durch die Heizfläche fließende aktuelle oder über eine Zeit gefilterte Massenstrom (z.B. Mittelwert) herangezogen werden, der anhand eines gespeicherten Modells berechnet wird. Als Vergleichswert kann dann z.B. ein Grenzmassenstrom herangezogen werden, der an der betrachteten Heizfläche nicht überschritten werden soll und für die Heizfläche gespeichert ist, z.B. in der Berechnungsvorrichtung. Dieser Vergleichswert kann sich z.B. durch den Normmassenstrom am Auslegungspunkt des Heizkörpers ergeben oder einen davon abhängigen Wert.
  • Ist der festgestellte Wert des Massenstroms größer als der Vergleichswert, so erfolgt erfindungsgemäß eine Begrenzung der maximal zulässigen Öffnungsposition.
  • Der Vergleichswert, insbesondere der genannte Grenzmassenstrom kann selbst von zumindest einer der gemessenen Temperaturen abhängig sein, z.B. von der Übertemperatur der Heizfläche, insbesondere welche hier die Differenz aus Vorlauf- und Raumtemperatur bezeichnet. Es kann daher vorgesehen sein, den Vergleichswert aus einer Tabelle, Kennlinie oder Berechnungsvorschrift für den Vergleich in Abhängigkeit von der Temperatur zu ermitteln, z.B. ebenso in der Berechnungsvorrichtung.
  • In einer anderen Ausführung kann die von der Heizfläche aktuelle oder gefilterte Wärmeabgabe als Wert ermittelt werden, z.B. wiederum anhand eines gespeicherten Modells. Als gespeicherter Vergleichswert kann z.B. die Normwärmeabgabe am Auslegungspunkt des Heizkörpers oder ein davon abhängiger Wert oder die theoretisch maximal erreichbare Heizleistung des Heizkörpers herangezogen werden.
  • Z.B. ist es möglich für eine gegebene Übertemperatur (Vorlauftemperatur-Raumlufttemperatur) die maximale Heizleistung zu bestimmen, z.B. mittels einer Grenzwertbildung wenn der Massenstrom gegen unendlich geht. In einem solchen Fall ist die Rücklauftemperatur gleich der Vorlauftemperatur. Als Vergleichswert kann man dann einen von der maximal möglichen Heizleistung abhängigen Wert heranziehen. Z.B. könnte man fordern, dass die aktuelle Heizleistung nicht einen Wert von 90% der maximal möglichen Heizleistung im Arbeitspunkt überschreitet.
  • In einer wiederum anderen Ausführung kann die aktuelle oder gefilterte Steigung der Kennlinie der Heizkörperleistung gegen den Massenstrom oder der Heizkörperleistung gegen den Ventilhub herangezogen werden, insbesondere wobei die Steigung anhand eines gespeicherten Modells berechnet wird.
  • Im Fall wenn die Steigung der Kennlinie Ventilhub gegen Heizkörperleistung genutzt wird, würde kein Modell benötigt. Aus den Messwertpaaren von Ventilhub und Heizkörperleistung kann eine Kennlinie rekonstruiert werden, deren Steigung numerisch ermittelt werden kann.
  • Dieser auf der Steigung basierender Ausführung liegt die Überlegung zugrunde, dass die Heizkörperleistung nichtlinear ist und sich für hohe Massenströme oder auch große Ventilhübe eine Abflachung der Leistungskurve ergibt, somit deren Steigung stark abnimmt.
  • Auf der Leistungskurve, insbesondere auf derjenigen für die Auslegungsvorlauftemperatur, wird für das Verfahren die Steigung eines gewünschten Arbeitspunktes festgelegt, die während des Betriebs nicht unterschritten werden soll. Als Vergleichswert kann eine solche Grenzsteigung festgelegt werden in Abhängigkeit der Steigung der Heizkörperleistungskurve am Auslegungspunkt. Z.B. kann als Grenzsteigung diejenige Steigung ermittelt werden, die bei doppeltem Auslegungsmassenstrom vorliegt. Zumindest sollte die Grenzsteigung kleiner gleich der Steigung am Auslegungspunkt sein. Wir bei dem Vergleich festgestellt, dass die aktuelle oder gefilterte Steigung kleiner ist als der Vergleichswert, so erfolgt wiederum die erfindungsgemäße Begrenzung der maximal zulässigen Öffnungsposition.
  • In wieder einer anderen Ausführung kann es vorgesehen sein, die Temperaturspreizung der Heizfläche, d.h. die Differenz zwischen Vor- und Rücklauf der Heizfläche durch Messung der Vor- und Rücklauftemperatur bestimmt wird. Die aktuelle oder gefilterte Spreizung kann mit einem Vergleichswert verglichen werden. Ist die Spreizung kleiner als der Vergleichswert, so erfolgt die Begrenzung. Der Vergleichswert kann hier z.B. ermittelt werden basierend auf einem Grenzmassenstrom, wie er zur ersten Ausführung erwähnt wurde. Anstelle der Rücklauftemperatur kann ebenfalls eine beliebige andere Zustandsgröße des Heizkörpers wie beispielsweise die Heizkörpertemperatur auf 75% der Höhe des Heizkörpers zur Bestimmung einer Spreizung herangezogen werden.
  • Der Kerngedanke der Erfindung beruht darauf, zu vermeiden, dass die betrachtete Heizfläche hinsichtlich des berechneten Werts, der den Arbeitspunkt repräsentiert, den gespeicherten oder berechenbaren Vergleichswert nicht über- oder unterschreitet, je nachdem welcher Wert herangezogen wird, da bekannt ist, dass hierdurch aufgrund bekannter Nichtlinearitäten einer Heizfläche kein weiterer Vorteil bei der Beheizung von Räumen erzielt wird, vielmehr ein Nachteil darin zu erkennen ist, dass anderenfalls die verbleibenden Heizflächen des Heizungssystems hydraulisch und somit energetisch unterversorgt sind.
  • Wird demnach bei der Berechnung und dem nachfolgenden Vergleich festgestellt, dass beispielsweise der durch die Heizfläche fließende Massenstrom größer ist als der Grenzmassenstrom, für den die Heizfläche ausgerichtet ist oder der Wert der Wärmeabgabe größer ist als die Grenzwärmeabgabe der Heizfläche bzw. Grenzwärmeleistung, oder die Steigung kleiner ist als die Grenzsteigung oder die Spreizung kleiner ist als die Grenzspreizung so erfolgt eine automatische Begrenzung der maximal zulässigen Öffnungsposition des Thermostatventils, so dass hierdurch der Strömungswiderstand der betrachteten Heizfläche vergrößert und somit die maximal mögliche Wärmeabgabe, bezogen auf eine Auslegungsvorlauftemperatur bzw. der maximal durch diese Heizfläche fließende Massenstrom des Heizfluids in gleicher Weise begrenzt ist.
  • Insbesondere wird so erreicht, dass bei einer Begrenzung der maximalen Öffnungsposition eines Thermostatventils auf einen Wert, der bedingt, dass der überwachte Wert einem Vergleich mit dem Vergleichswert standhält, eine gleichmäßige hydraulische Versorgung aller im Heizsystem vorliegenden Heizflächen erzielt wird und somit ein automatischer hydraulischer Abgleich erreicht ist, der sich an Änderungen des Arbeitspunktes der Anlage anpasst. Überversorgungszustände an einzelnen Heizflächen und damit Unterversorgungszustände an anderen Heizflächen werden verhindert, da an den überversorgten Heizflächen, bei denen dieser Überversorgungszustand anhand des zuvor beschriebenen Vergleichs festgestellt wird, eine künstliche Versorgungsbeschränkung initiiert wird.
  • Die Begrenzung der Öffnungsposition des jeweils betrachteten Thermostatventils erfolgt dabei elektronisch, so dass diese Begrenzung autark, z.B. durch das Heizungssystem oder das Thermostatventil selbst vorgenommen werden kann, ohne dass es hierfür eines personellen Einsatzes bedarf.
  • Die Begrenzung erfolgt erfindungsgemäß so , dass eine aktuelle Öffnungsposition eines im Verfahren aktuell zu prüfendenThermostatventils beim Feststellen einer hydraulischen Überversorgung mit jeder Begrenzung stufenweise verringert wird, z.B. um einen absoluten Betrag oder auch um einen relativen Betrag, z.B. um einen bestimmten Prozentsatz. Bei der ggfs. nötigen Iteration (z.B. wenn nach einer Durchführung, insbesondere nach einer vorgeschriebenen Ruhezeit noch immer eine hydraulische Überversorgung vorliegt) des Verfahrens erfolgt somit in jedem Iterationsschritt eine Begrenzung, bis dass der überwachte Wert dem Vergleich standhält, somit also keine weitere Begrenzung nötig wird. Auf die so gefundene aktuelle Öffnungsposition wird die maximal zulässige Öffnungsposition bei der vorliegenden Übertemperatur begrenzt.
  • So ist es demnach erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Thermostatventil wenigstens einiger, bevorzugt aller Heizflächen eines solchen Heizungssystems, seinen Öffnungsquerschnitt nur insoweit verändern kann, dass dieser aufgrund der elektronischen Begrenzung höchstens bis zu der elektronisch festgelegten, maximal zulässigen Öffnungsposition aufgesteuert wird, nicht jedoch darüber hinaus, selbst wenn das betrachtete Thermostatventil rein aufgrund seiner physikalisch gegebenen Möglichkeiten eine noch weitere Öffnung ermöglichen könnte. Diese weitere Öffnung wird durch die elektronische Begrenzung verhindert.
  • So wird in einer Einzelraumregelung zur Regelung der Raumtemperatur mittels eines Thermostatventils an einer betreffenden Heizfläche dieses Raumes nur jeweils eine solche Öffnungsposition des Thermostatventils innerhalb von dessen Regelung zugelassen, die zwischen der maximal geschlossenen Position oder einer minimalen Frostschutzposition und der im Zuge der Berechnung und den Vergleich festgelegten maximalen Öffnungsposition liegt. Die aktuelle Öffnungsposition eines Thermostatventil kann dabei z.B. messtechnisch erfasst werden, z.B. durch Messen des Hubs des Ventilstellglieds, z.B. mittels Dehnungsmessstreifen oder auf ähnliche Weise, durch ein elektronisches Feedback des Ventilstellglieds oder durch Auswerten der Stellgröße des elektronischen Raumtemperaturreglers. Die aktuelle Öffnungsposition kann so jederzeit ermittelt werden.
  • Das weitere Aufsteuern eines solchen Thermostatventil kann dann nur erfolgen, wenn z.B. die aktuelle Öffnungsposition kleiner ist als die gespeicherte maximal zulässige Öffnungsposition. Hierfür kann ein Thermostatventil oder das System einen elektronisch abfragbaren Speicher aufweisen, in dem die maximal zulässige Öffnungsposition gespeichert ist und nach einer Berechnung geändert werden kann, z.B. durch Überschreiben des alten Werts mit einem neuen.
  • Da die Erfindung vorsieht, nach einer durchgeführten Begrenzung zu der bei dieser Begrenzung vorliegenden Übertemperatur die maximal zulässige Öffnungsposition zu speichern, kann durch die Vielzahl der im Laufe der Zeit gespeicherten Wertepaare von Übertemperatur und zulässiger Öffnungsposition eine Kennlinie oder zumindest ein Kennfeld mit diskreten Wertepaaren gebildet werden.
  • Es kann sodann vorgesehen sein, bei einer gegebenen messtechnisch festgestellten Übertemperatur zunächst über die Kennlinie oder das Kennfeld einen zu der Übertemperatur gehörigen Wert der maximal zulässigen Öffnungsposition zu bestimmen und diesen Wert dem betrachteten Thermostatventil zuzuweisen z.B. durch Speicherung in dessen Speicher. Erst danach, insbesondere nach Ablauf einer vorgesehenen Ruhezeit kann es weiterhin vorgesehen sein, den eingangs genannten Vergleich durchzuführen, um festzustellen, ob der aus der Kennlinie / dem Kennfeld ermittelte Wert bei der derzeitigen Systemkonfiguration noch die Anforderungen an den hydraulischen Abgleich erfüllt.
  • Ist dies nicht der Fall, so kann durch den zuvor beschriebenen Vergleich die Öffnungsposition weiter begrenzt werden, wenn eine hydraulische Überversorgung vorliegt oder die Öffnungsposition wird vergrößert, wenn eine Unterversorgung gegeben ist. Sodann kann die so ermittelte neue Öffnungsposition als neue maximal zulässige Öffnungsposition im Kennfeld / der Kennlinie bei der zugehörigen Übertemperatur gespeichert werden, wodurch die Kennlinie / das Kennfeld adaptiert und aktualisiert wird. Die Erfüllung oder Nicht-Erfüllung des Vergleichs kann dadurch geprüft werden, ob der den Arbeitspunkt repräsentierende Wert innerhalb einer gegebenen Toleranz um den Vergleichswert herum liegt oder nicht. Ist die Toleranz überschritten, so wird dieser Zustand als nicht hydraulisch abgeglichen gewertet, insbesondere je nach Richtung der Überschreitung als über- oder unterversorgt.
  • Z.B. wenn noch gar keine Öffnungsposition zu einer Übertemperatur in der Kennlinie / dem Kennfeld gegeben ist kann es vorgesehen sein, die Vergleich sofortig durchzuführen, also insbesondere beim erstmaligen Systemstart.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, die Kennlinie durch eine Funktion an die gespeicherten Wertepaare zu fitten, insbesondere wenn wenigstens zwei oder mehr als zwei Wertepaare vorliegen, z.B. durch eine Treppenfunktion oder Exponentialfunktion oder Polynom oder sonstige geeignete Funktion, z.B. auch durch eine Gerade. So können aus einer solchen Kennlinie auch dann zu einer gemessenen Übertemperatur zugehörige Werte der maximal zulässigen Öffnungsposition ausgelesen werden bzw. bestimmt werden, wenn zu der konkreten Übertemperatur zuvor noch keine Begrenzung und Speicherung eines Wertes der Öffnungsposition stattgefunden hat.
  • Es kann vorgesehen sein, nach jeder Speicherung einer Öffnungsposition zu einer Übertemperatur das Anfitten der Kennlinie mit einer gewählten Funktion zu erneuern und so die neue Kennlinie als aktualisierte Funktion zu beschreiben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann es vorgesehen sein, dass der eingangs genannte Wert berechnet wird durch Lösung der statischen oder dynamischen Heizkörpergleichung in Abhängigkeit von mehreren gemessenen Temperaturen. Hierbei können in die Heizkörpergleichung, die dem Fachmann bekannt sind, weitere Parameter, wie z.B. der Wärmeübertragungskoeffizient der Heizfläche und/oder der Heizkörperexponent eingehen. Solche Parameter können variabel, d.h. vorgebbar sein oder auch fest in der Gleichung für eine Berechnung berücksichtigt sein.
  • Zur Berechnung des genannten Wertes, in bevorzugter Ausführung des durch die Heizfläche fließenden Massenstroms, der Wärmeabgabe der Heizfläche, der Steigung oder der Spreizung können mit Bezug auf die betrachtete Heizfläche die Vorlauftemperatur und/oder die Raumlufttemperatur des durch die Heizfläche geheizten Raumes und die Heizflächen- und/oder Rücklauftemperatur und/oder die Außentemperatur gemessen werden, wofür in dem genannten System zur Durchführung des Verfahrens entsprechende Temperatursensoren am Vorlauf der Heizfläche und/oder am Vorlauf des Heizungsstrangs und/oder am Rücklauf der Heizfläche und/oder im Raum und/oder direkt an der Heizfläche und/oder an der Außenhülle des Gebäudes angeordnet sein können.
  • Die Vorlauftemperatur kann durch die Heizkurve eindeutig einer Außentemperatur zugeordnet werden. Dadurch ist es ebenfalls denkbar, eine Kombination von Außentemperatur und Raumtemperatur (anstelle der Differenz von Vorlauf- und Raumtemperatur) zu betrachten um eine Kennline für eine Begrenzung zu rekonstruieren.
  • Solche Temperatursensoren können bei einem erfindungsgemäßen System bzw. bei der Durchführung des Verfahrens separat vorgesehen sein, bevorzugt werden jedoch Sensoren eingesetzt, die ohnehin an Komponenten des Heizungssystems, wie z.B. am Heizkörper (z.B. in einem Heizkostenverteiler) oder am Thermostatventil vorhanden sind.
  • Mit Hilfe der erfassten Temperaturen, insbesondere mindestens mit der Vorlauftemperatur, der Raumlufttemperatur und alternativ entweder der Heizflächen- oder Rücklauftemperatur kann über die vorgenannte Heizkörpergleichung der verfahrensmäßig zu berücksichtigende Wert berechnet und sodann mit dem Vergleichswert verglichen werden.
  • Hierbei kann es z.B. vorgesehen sein, dass eine jeweilige Heizfläche einen Heizkostenverteiler aufweist, der üblicherweise dafür eingesetzt ist, die Wärmeabgabe an der betreffenden Heizfläche zu erfassen und einen internen Zähler in Abhängigkeit der Wärmeabgabe hochzuzählen, um so, insbesondere über einen Abrechnungszeitraum, die insgesamt angefallenen Heizkosten unter den einzelnen Parteien einer Liegenschaft verteilen zu können.
  • Ein solcher Heizkostenverteiler kann ohnehin vorhanden sein und für die Belange der Erfindung eingesetzt werden, indem ein solcher zumindest einen Teil der insgesamt benötigten Temperaturmesswerte für die Berechnung zu Verfügung stellt.
  • Ebenso besteht die Möglichkeit die Raumlufttemperatur mittels eines im Raum angeordneten Rauchwarnmelders zu erfassen und für die Berechnung zur Verfügung zu stellen.
  • Für das erfindungsgemäße Verfahren und System kann ein solcher Heizkostenverteiler oder Rauchwarnmelder bevorzugt eingesetzt werden, um insbesondere mit einem von dessen Temperatursensoren beispielsweise die Raumlufttemperatur in dem Raum der betrachteten Heizfläche zu messen oder aber auch um (im Fall des Heizkostenverteilers) die Raumlufttemperatur aus der gemessenen Heizflächentemperatur zu extrapolieren.
  • Ebenso kann für die Durchführung des Verfahrens unmittelbar die Heizflächentemperatur, die mit einem solchen Heizkostenverteiler bzw. dessen Temperatursensor erfasst wird, herangezogen werden. Die Raumlufttemperatur kann durch einen separaten Raumlufttemperatursensor erfasst werden, z.B. auch den eines Rauchwarnmelders.
  • Um die für die Berechnung benötigten Temperaturmesswerte weiterhin bereitzustellen, kann es vorgesehen sein, dass die Vorlauf- und/oder Rücklauftemperatur und/oder Raumlufttemperatur durch Temperatursensoren des jeweiligen Thermostatventils gemessen werden und die Heizflächen- und/oder Rücklauftemperatur und/oder Raumlufttemperatur durch einen Temperatursensor eines der Heizfläche zugeordneten Heizkostenverteilers gemessen wird und/oder die Raumlufttemperatur durch einen Rauchwarnmelder gemessen wird.
  • So ergänzen sich Thermostatventil und Heizkostenverteiler und/oder Rauchwarnmelder bei einem solchen erfindungsgemäßen System insoweit, als dass zur Berechnung des jeweils interessierenden Wertes, wie beispielsweise des Massenstroms oder der Wärmeabgabe der Heizfläche, der Steigung oder der Spreizung die nötigen Temperaturmesswerte jeweils zu einem Teil von beiden Systemeinheiten, d.h. Thermostatventil und Heizkostenverteiler und/oder Rauchwarnmelder beigetragen werden.
  • Hierbei kann es in einer Ausführung vorgesehen sein, dass die Heizflächen-und/oder Rücklauftemperatur von dem jeweiligen Heizkostenverteiler z.B. per Funk an das jeweilige Thermostatventil kommuniziert wird und die Berechnung des interessierenden Wertes anhand wenigstens eines weiteren, vom Thermostatventil beigesteuerten Temperaturmesswertes, hier insbesondere der Vorlauftemperatur, mittels des gespeicherten Modells, z.B. durch das Thermostatventil vorgenommen wird. Ergänzend oder alternativ kann die Raumlufttemperartur z.B. per Funk von einem Rauchwarnmelder an das Thermostatventil kommuniziert werden.
  • Dies bedeutet, dass das Thermostatventil eine interne Intelligenz, z.B. einen Mikroprozessor mit einem darin ablaufenden Programm aufweist, mittels dem die Berechnung z.B. anhand eines gespeicherten Modells und der insgesamt zur Verfügung gestellten Temperaturmesswerte vorgenommen wird, wobei in dieser Ausführung durch eine Empfangseinheit des Thermostatventils von außen wenigstens ein Temperaturmesswert durch den in der Umgebung des Thermostatventils angeordneten Heizkostenverteiler erfasst wird. Hier umfasst demnach das Thermostatventil eine Berechnungsvorrichtung.
  • Dabei kann zur Übertragung des Messwertes per Funk grundsätzlich die in dem Heizkostenverteiler und/oder Rauchwarnmelder ohnehin vorhandene Sendevorrichtung verwendet werden, die ansonsten üblicherweise zum Einsatz kommt, um die internen Zählerstände des Heizkostenverteilers zum Zweck der "Ablesung" zu versenden, z.B. an stationäre oder mobile Empfangseinheiten.
  • Hierbei kann es aufgrund der großen Nähe zwischen Thermostatventil und Heizkostenverteiler, insbesondere im Bereich von wenigen Metern, vorgesehen sein, dass zur Schonung der internen Energiequelle des Heizkostenverteilers das Versenden des oder der betreffenden Temperaturmesswerte vom Heizkostenverteiler an das Thermostatventil mit einer gegenüber dem Normalbetrieb (reiner Kostenerfassungsbetrieb) des Heizkostenverteilers reduzierten Sendeleistung erfolgt.
  • Eine solche reduzierte Sendeleistung schont demnach die Energiereserven des Heizkostenverteilers, ist dennoch ausreichend, um die kurze Distanz zwischen Thermostatventil und Heizkostenverteiler zu überbrücken.
  • Ebenso kann eine separate Sendevorrichtung im Heizkostenverteiler vorgesehen sein, um Temperaturmesswerte an das Thermostatventil zu kommunizieren.
  • In einer anderen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass die Vorlauf-und/oder Raumlufttemperatur z.B. vom Thermostatventil und/oder einem Rauchwarnmelder an den Heizkostenverteiler, insbesondere per Funk kommuniziert werden und die Berechnung z.B. anhand eines gespeicherten Modells durch den Heizkostenverteiler vorgenommen wird, wofür sodann dieser eine Berechnungsvorrichtung umfasst und der dann nach der Berechnung und einem Vergleich einen Wert zur Begrenzung der maximal zulässigen Öffnungsposition an das Thermostatventil zurückkommuniziert, insbesondere wiederum per Funk.
  • Hier kann es demnach vorgesehen sein, dass die elektronische Intelligenz, insbesondere in Form eines Mikroprozessors, durch den Heizkostenverteiler zur Verfügung gestellt wird, somit dieser die Berechnung anhand der zur Verfügung gestellten Temperaturmesswerte vornimmt, dann jedoch im Gegensatz zur vorherigen Ausführung einen die maximal zulässige Öffnungsposition repräsentierenden Wert an das Thermostatventil kommuniziert.
  • In der vorher genannten Ausführung bedarf es einer solchen Kommunikation nicht, da das Thermostatventil die Berechnungsintelligenz aufweist und insoweit ein gegebenenfalls neu berechneter maximal zulässiger Öffnungswert des Thermostatventils nach der Berechnung unmittelbar in dem Thermostatventil vorliegt und für die elektronische Begrenzung herangezogen werden kann z.B. durch Abspeichern in einem dafür vorgesehenen Speicherbereich.
  • In einer anderen Ausführungsform kann es auch vorgesehen sein, dass die Temperaturmesswerte von einem elektronischen Thermostatventil und/oder dem Heizkostenverteiler an eine separate, z.B. zentrale Berechnungsvorrichtung kommuniziert werden, z.B. per Funk oder auch kabelgebunden. Es kann sich z.B. um eine Berechnungsvorrichtung handeln, die in ein Netzwerk mit Thermostatventilen und/oder Heizkostenverteilern der jeweiligen Heizflächen eingebunden ist oder ein externes Rechenzentrum.
  • Diese Berechnungsvorrichtung umfasst das gespeicherte Modell und berechnet den genannten Wert, z.B. den Massenstrom durch die betrachtete Heizfläche oder deren Wärmeabgabe oder die Steigung oder die Spreizung zum Zweck des Vergleichs. Der jeweilige Vergleichswert kann dabei z.B. in der Berechnungsvorrichtung für alle angeschlossenen Heizflächen vorliegen oder zum Zweck des Vergleichs von dem Thermostatventil oder dem Heizkostenverteiler einer jeweiligen Heizfläche ebenfalls durch Kommunikation an die Berechnungsvorrichtung bereit gestellt werden. Sofern die Berechnungsvorrichtung im Rahmen des Vergleichs feststellt, dass die maximal zulässige Öffnungsposition zu begrenzen ist, kommuniziert diese einen entsprechenden neuen Wert zur Begrenzung an das jeweilige Thermostatventil zurück.
  • In allen vorher genannten Ausführungen kann es vorgesehen sein, dass eine Berechnung des genannten Werts und der Vergleich oder eine Begrenzung der maximal zulässigen Öffnungsposition des Thermostatventils jeweils nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer oder zuvor bestimmten Zeiten, somit bevorzugt jeweils periodisch und insbesondere einmal täglich erfolgt oder erfolgt, wenn Änderungen an der Vorlauftemperatur und/oder der Raumlufttemperatur ergeben, z.B. durch benutzerseitige Einstellungen oder durch Vorgaben der Heizungsanlage.
  • Eine Berechnung kann z.B. erfolgen aus mehreren, während der vorgenannten vorbestimmten Zeitdauer und/oder vor der genannten Zeit gesammelten Temperaturmesswerten. So können zwar beispielsweise die für die Berechnung notwendigen Temperaturmesswerte mit kleinerer Periodizität als die vorbestimmte Zeitdauer, z.B. über einen Tag mehrfach erfasst werden, die Begrenzung der maximalen Öffnungsposition und somit z.B. das Einschreiben eines diese Position repräsentierenden Wertes in das Thermostatventil in einen dafür vorgesehenen Speicherbereich erfolgt hingegen nur mit der eingangs genannten Periodizität, wie beispielsweise einmal täglich. Dies reduziert ein gegebenenfalls nachteiliges, zu häufiges Ändern der Strömungswiderstände innerhalb eines Heizungssystems.
  • Dabei kann es auch weiterhin vorgesehen sein, dass die maximal zulässige Öffnungsposition erst dann begrenzt wird, wenn ein Überschreiten (oder Unterschreiten, je nach Wert / Vergleichswert), insbesondere ein mehrfaches Überschreiten / Unterschreiten um einen gespeicherten Grenzwert und/oder über ein voreingestelltes Zeitintervall hinaus festgestellt wird.
  • So wird hierdurch sicher gestellt, dass nicht sofort bei einem einmaligen oder bereits bei einem sehr kleinen Überschreiten / Unterschreiten des Vergleichswertes durch den berechneten Wert eine Begrenzung erfolgt, sondern in einer Ausführung erst dann, wenn dieses Überschreiten / Unterschreiten eine bestimmte Größenordnung aufweist, das Überschreiten / Unterschreiten somit um einen bestimmten, als Grenzwert gespeicherten Betrag erfolgt und/oder mehrfach erfolgt und/oder über eine bestimmte Dauer erfolgt.
  • Bei der Begrenzung der maximal zulässigen Öffnungsposition des Thermostatventils kann es vorgesehen sein, dass zur Einhaltung eines minimalen Massenflusses nach unten hin eine minimale Öffnungsposition nicht unterschritten wird. So können Funktionen, wie beispielsweise die Sicherung gegen Einfrieren, durch einen solchen hierdurch erzeugten minimalen Massenstrom sicher gestellt werden.
  • Es kann weiterhin in dem Verfahren vorgesehen sein, dass die maximal zulässige Öffnungsposition nach einer vorherigen Begrenzung, d.h. Reduktion wiederum erhöht wird, insbesondere dann, wenn der Wert, der aus der Berechnung anhand des gespeicherten Modells hervorgeht, den Vergleichswert unterschreitet (oder überschreitet, je nach gewähltem Wert / Vergleichswert), insbesondere in analoger Art, wie zuvor genannt, um einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet / überschreitet und/oder für die Dauer eines voreingestellten Zeitintervalls unterschreitet / überschreitet.
  • So wird sicher gestellt, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht zwangsläufig immer nur eine Reduktion der maximal zulässigen Öffnungsposition vornimmt, die das Thermostatventil einnehmen darf, so dass sich ändernde Strömungsbedingungen, die sich durch geänderte Bedingungen im gesamten Heizungssystem ergeben, ebenso Berücksichtigung finden können. Beispielsweise wird festzustellen sein, dass in einer Situation, wenn viele Heizflächen durch Reduktion des Öffnungsquerschnittes am Thermostatventil einen hohen Strömungswiderstand aufweisen, eine im Heizungssystem eingesetzte Pumpe ihren gesamten Massenstrom durch eine Heizfläche fördert mit weit geöffneten Thermostatventil, so dass hier das erfindungsgemäße Verfahren mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Überversorgungszustand durch Berechnung des heranzuziehenden Wertes und Vergleich feststellt und die maximale Öffnungsposition des Thermostatventils dieser überversorgten Heizfläche elektronisch begrenzt.
  • In einer späteren anderen Situation, wenn eine Vielzahl von Heizflächen z.B. durch eine Änderung von deren Thermostatventilstellungen einen höheren Massenstrom zulassen und sich somit der Massenstrom der zuvor betrachteten Pumpe gleichmäßiger auf mehrere Heizflächen aufteilt, wird sich hingegen ergeben, dass bei derjenigen Heizfläche, bei der zuvor die maximal zulässige Öffnungsposition des Thermostatventils stark reduziert wurde, sich eine Überschreitung des Normmassenstroms oder der Normwärmeabgabe selbst dann nicht mehr ergeben würde, wenn das Thermostatventil eine höhere als die aktuell maximal zulässige Öffnungsposition des Thermostatventils aufweist.
  • Aus dieser Situation ergibt sich, dass die maximal zulässige Öffnungsposition des Thermostatventils an einer bestimmten Heizfläche kein konstanter Wert ist, sondern von Rahmenbedingungen im Heizsystem abhängt und z.B. für den beschriebenen Zustand wiederum vergrößert werden kann, ohne dass die Gefahr einer Überversorgung dieser Heizfläche und einer Unterversorgung anderer Heizflächen gegeben ist.
  • Durch das Reduzieren der maximal zulässigen Öffnungsposition und auch das Wiedererhöhen der maximal zulässigen Öffnungsposition im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die vorbeschriebene Art und Weise wird somit sicher gestellt, dass im Zeitrahmen einer eingestellten Regelzeit, wie beispielsweise einmal täglich oder auch mehrfach täglich ein Heizungssystem an den einzelnen Heizflächen automatisch hinsichtlich der jeweiligen Strömungsquerschnitte optimiert wird. Bei jedem Regelzyklus kann es sodann vorgesehen sein, nacheinander die Öffnungspositionen aller Thermostatventile zu prüfen, insbesondere wobei nach jeder Prüfung und dabei vorgenommenen Änderungen eine Ruhezeit zur Systemstabilisierung eingehalten wird.
  • Bei der Ausführung der Erfindung kann es weiterhin auch vorgesehen sein, nach Feststellung des Arbeitspunktes zu einer bestimmten Zeit anhand des den Arbeitspunkt repräsentierenden Werts diesen Wert zeitlich in die Zukunft hochzurechnen, insbesondere anhand eines gespeicherten das dynamische Verhalten des Systems berücksichtigenden Modells und sodann den hochgerechneten Wert für den Vergleich zu verwenden statt den aktuellen Wert. Hierdurch kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass bei einem sich dynamisch ändernden Heizungssystem zum Messzeitpunkt der Temperaturen für die Bestimmung des Arbeitspunktes kein statisch stabiler Zustand vorliegt. Durch die Hochrechnung wird der sich gerade ändernde Arbeitspunkt in einen zukünftigen statischen Arbeitspunkt extrapoliert. Hierfür kann eine Berechnungsvorschrift im System hinterlegt sein, mit dem diese Hochrechnung erfolgt. Die Vorschrift kann z.B. bei der Systemauslegung erstellt worden sein.
  • Für das eingesetzte System ist es vorteilhaft, dass Heizkostenverteiler, die ansonsten lediglich hinsichtlich ihrer Funktion zur Heizkostenverteilung eingesetzt wurden, einen weiteren Beitrag zur Energieeinsparung leisten können, nämlich dadurch, dass sie zur Durchführung des Verfahrens innerhalb des erfindungsgemäßen Systems insoweit beitragen, als dass sie wenigstens einen zur Berechnung benötigten Temperaturmesswert zur Verfügung stellen, beispielsweise die Raumlufttemperatur und/oder die Heizflächentemperatur und/oder die Rücklauftemperatur der Heizfläche.
  • Ein System kann demnach erfindungsgemäß so eingerichtet sein, dass es einen Heizkostenverteiler an der Heizfläche aufweist zur Erfassung der Wärmeabgabe der Heizfläche, wobei zumindest eines der Geräte vom Thermostatventil oder Heizkostenverteiler eingerichtet ist, den vorgenannten Vergleich durch die Berechnung anhand eines gespeicherten Modells vorzunehmen unter Zuhilfenahme wenigstens eines durch das genannte Gerät selbst erfassten Temperaturmesswertes und wenigstens eines von dem anderen Gerät durch bevorzugte Funkkommunikation übermittelten Temperaturmesswertes. Hier kann in alternativer Ausgestaltung die Kommunikation des zugeführten Temperaturmesswertes beispielsweise auch kabelgebunden erfolgen.
  • Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren verdeutlicht.
  • Figur 1 zeigt eine grafische Darstellung mehrerer Kennlinien einer für dieses Ausführungsbeispiel angenommenen Kombination einer Heizfläche mit einem elektronischen Thermostatventil. Die Annahmen zu diesem Ausführungsbeispiel dienen nur zur konkreten Beschreibung, ohne die möglichen Ausführungen auf dieses Beispiel zu beschränken.
  • Als Heizfläche wird in diesem Ausführungsbeispiel ein üblicher Raumheizkörper betrachtet. Zunächst ist in der Figur 1A eine beispielhafte Ventilkennlinie mit einer Ventilautorität von a = 0,3 dargestellt, welche den nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Ventilstellung des Thermostatventils eines Heizkörpers und dem Massenstrom durch diesen Heizkörper wiedergibt.
  • Die Ventilkennlinie dient in diesem Ausführungsbeispiel zur Verdeutlichung der technischen Zusammenhänge und zur simulativen Beschreibung eines möglichst realen Szenarios, um die Funktion der Erfindung zu belegen. Für das erfindungsgemäße Verfahren werden die Kennlinien der Figur 1, insbesondere eine solche Ventilkennlinie der Figur 1A weder benötigt, noch ist eine Ermittlung der Kennlinien erforderlich.
  • In der Figur 1B wird je eine beispielhafte Kennlinie des Heizkörpers einerseits bei 75°C und andererseits bei 50°C Vorlauftemperatur sowie 20°C Raumtemperatur dargestellt, welche den Zusammenhang zwischen der Wärmeleistung dieses Heizkörpers in Abhängigkeit vom Massenstrom durch diesen Heizkörper darstellt. Das Quadrat markiert den Norm-Auslegungszustand bei 75°C/65°C/20°C, das heißt denjenigen Punkt, bei dem sich bei 75°C Vorlauftemperatur eine Rücklauftemperatur von 65°C ergibt. Im Auslegungspunkt hat demnach der betrachtete Heizkörper einen bestimmten Auslegungsnormwert des Massenstroms, bei diesem Beispiel von 0.0364kg/s.
  • Die Figur 1C zeigt je beispielhafte Kennlinien, die sich aus einer Hintereinanderschaltung von einem Ventil mit der Kennlinie gemäß Figur 1A und einem Heizkörper gemäß Figur 1B ergeben. Diese zeigen die Wärmeleistung des Heizkörpers in Abhängigkeit vom Ventilhub. Anhand der Kennlinie zur Vorlauftemperatur von 75°C ist zu erkennen, dass der Normauslegungspunkt des Heizkörpers schon bei ca. 19% der Ventilstellung erreicht ist. Aus diesem geringen Wert der Ventilstellung erkennt man, dass es sich hier um einen hydraulisch überversorgten Heizkörper handelt.
  • Des Weiteren erkennt man aus Figur 1C, dass die Kennlinien bei höheren Ventilöffnungen sehr flach werden, d.h. eine sehr geringe Steigung aufweisen, so dass man trotz weiterer Öffnung des Ventils kaum eine Erhöhung der Heizleistung des Heizkörpers erreichen kann. Dieser Umstand wird bei der Erfindung ausgenutzt.
  • Dazu betrachtet man die Heizkörperkennlinie, z.B. gemäß der Figur 1B und fordert, dass während des Betriebs ein z.B. einmalig definierter Referenzwert einer minimalen Steigung der Heizkörperkennlinie, insbesondere derjenigen bei der Vorlauftemperatur im Auslegungspunkt (hier 75°C) nicht unterschritten wird.
  • Alternativ wäre es auch denkbar die Steigung der zusammengesetzten Kennlinie, wie im Beispiel der Figur 1C zu betrachten und zu fordern, dass ein z.B. einmalig definierter Referenzwert von deren Steigung einen Minimalwert nicht unterschreitet.
  • Der Vorteil der Festlegung des genannten Steigungs-Referenzwertes anhand der Heizkörperkennlinie, wie z.B. aus Figur 1B anstelle der zusammengesetzten Kennlinie, wie z.B. aus Figur 1C ist, dass erstere nur von der Differenz zwischen Vorlauf- und Raumtemperatur abhängt, zwei Größen, die beide direkt gemessen werden können, während letztere auch von der hydraulischen Gesamtsituation im Rohrleitungssystem abhängt, welche messtechnisch schwierig zu bestimmen ist.
  • Die Steigung der Heizkörperkennlinie, wie sie z.B. in Figur 1B gezeigt ist, wird durch die Gleichung d ⁢ Q ˙ d ⁢ M ˙ = C F ⁢ Δ ⁢ ϑ ‾ - C F ⁢ α ⁢ n - 1 M ˙ ⁢ C F + Δ ⁢ ϑ ‾ 1 - n 1 n - 1 - α M ˙ ⁢ α ⁢ n - 1 M ˙ ⁢ C F + Δ ⁢ ϑ ‾ 1 - n 1 1 - n
    Figure imgb0001
     beschrieben. Die verwendeten mathematischen Symbole sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgelistet. Tabelle 1: Mathematische Symbole und Verfügbarkeit.
    Symbol Bedeutung Verfügbarkeit
    Q̇ Heizkörperleistung berechenbar aus Temperaturmessungen
    Ṁ Massenstrom unbekannt, aber Schätzung bzw. Berechnung möglich
    CF Spezifische Wärmekapazität Wasser bekannt, gemessen
    ϑ VL Vorlauftemperatur gemessen
    ϑ RL ϑ RL Rücklauftemperatur gemessen oder aus Temperaturmessungen berechenbar
    ϑ R Raumtemperatur bekannt, gemessen
    n Heizkörperexponent bekannt
    α Wärmeübergangskoeffizient des Heizkörpers bekannt
    Δϑ= VL -ϑ R Übertemperatur zwischen Vorlauf- und Raumtemperatur bekannt, gemessen
  • Erkennbar hängt die Steigung von den Heizkörperparametern, der Übertemperatur und vom Massenstrom ab. Es kann somit über diese Gleichung zu jedem Massenstrom bei den gegebenen (gemessenen) Temperaturen die Steigung der Heizkörperkennlinie bestimmt werden und umgekehrt zu dem gewählten Referenzwert der Steigung ein Grenzmassenstrom bei den gegebenen (gemessenen) Temperaturen bestimmt werden, der unterschritten werden sollte, um den Referenzwert der Steigung nicht zu unterschreiten.
  • Der aktuelle Massenstrom kann erfindungsgemäß aus den bekannten bzw. gemessenen Temperaturen, den Heizkörperparametern sowie ggf. der aktuellen Ventilstellung mit Standardwerkzeugen der Regelungstechnik und Systemidentifikation rekonstruiert werden anhand eines gespeicherten Modells. Somit ist zu jedem Zeitpunkt aufgrund der Messung lediglich von Temperaturen eine erfindungsgemäße Berechnung des Massenstroms Ṁ möglich. Aus Mehrfachmessungen können auch Mittelwerte oder gefilterte Massenstromwerte bestimmt werden.
  • In einer möglichen Ausführung der Erfindung kann die Steigung des aktuellen Arbeitspunktes ermittelt (geschätzt) werden. Für den erfindungsgemäßen automatisierten hydraulischen Abgleich bedeutet dies, dass in dieser Ausführung zu jedem Zeitpunkt die Schätzung der aktuellen Steigung mit dem gewählten Steigungs-Referenzwert verglichen werden kann. Als Referenzwert wird hier bevorzugt ein Wert kleiner als die Steigung am Auslegungspunkt oder zumindest ein von der Steigung am Auslegungspunkt abhängiger Referenzwert gewählt.
  • In dieser Ausführung wird beispielhaft als Referenzwert diejenige Steigung gewählt, welche man in der Heizkörperkennline z.B. gemäß der Figur 1B bei doppeltem Massenstrom im Auslegungspunkt, also bei 2*0.0364kg/s=0.0728kg/s und 75°C Vorlauftemperatur vorfindet. Dieser Referenzwert der Steigung beträgt d
    Figure imgb0002
    min /dṀ = 1,4·103J/kg. Unterschreitet die Steigung beim aktuellen Arbeitspunkt des Heizkörpers diesen Referenzwert, so muss erfindungsgemäß der aktuell durch den Heizkörper fließende Massenstrom begrenzt werden.
  • Bei dieser möglichen Ausführung der Erfindung kann somit der den Arbeitspunkt der Heizfläche (hier Heizkörper) repräsentierende Wert die Steigung im Arbeitspunkt der Heizfläche sein und der Vergleichwert durch den hier genannten Referenzwert der Steigung gegeben sein.
  • Setzt man die linke Seite d
    Figure imgb0003
    min /dṀ von Gleichung (1) gleich dem vorgenannten Referenzwert der Steigung und löst bei gegebener Übertemperatur Δ
    Figure imgb0004
    nach Ṁ auf, so erhält man für eine andere Ausführung der Erfindung den Grenzmassenstrom als erfindungsgemäßen Vergleichswert. Dies ist der Massenstrom, der bei den aktuellen Temperaturen maximal durch den Heizkörper fließen darf, so dass der gewählte Referenzwert der Steigung bzw. die Grenzsteigung dQ̇ min / dṀ nicht unterschritten wird.
  • Zur Bestimmung des Grenzmassenstromes mittels der vorgenannten Gleichung kann z.B. ein iteratives Lösungsverfahren durchgeführt werden, da diese Gleichung nicht explizit nach Ṁ gelöst werden kann. Für eine effizientere Feststellung des Grenzmassenstroms in einem Mikrocontroller kann vorteilhaft auch auf eine Kennlinie zurückgegriffen werden, die zur Durchführung des Verfahrens gespeichert ist, z.B. in der im allgemeinen Teil genannten Berechnungsvorrichtung.
  • Der Verlauf des Grenzmassenstroms für verschiedene Übertemperaturen Δ
    Figure imgb0005
    sowie für konstante Werte von dQ̇ min ist in Figur 2 beispielhaft gegeben.
  • Man erkennt, dass der Zusammenhang zwischen Grenzmassenstrom und Übertemperatur fast linear ist. Somit bietet es sich an, dass für die Ermittelung des Grenzmassenstroms durch eine Berechnung in einem Mikrokontroller diese Kennlinie in Form einer parametrisierten Gerade hinterlegt wird, die durch zwei Parameter charakterisiert werden kann. Alternativ ist es auch möglich die iterative Lösung des Grenzmassenstroms durch ein Polynom oder eine andere geeignete Funktion zu approximieren/fitten.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die Kennlinie für den Grenzmassenstrom nur von den bekannten Heizkörperparametern α,n sowie der z.B. einmalig definierten Grenzsteigung dQ̇ min ldṀ abhängt. Dies erlaubt eine a-priori Berechnung der Kennlinie für den Grenzmassenstrom, insbesondere die bei der Installation des Systems einmal im Mikrocontroller, z.B. der eingangs genannten Berechnungsvorrichtung hinterlegt wird. Alternativ ist es möglich, die Kennlinie von einer zentralen IT, vorzugsweise per Funk, in das erfindungsgemäße System zu übertragen und ggf. zu aktualisieren.
  • Es kann nun in der anderen Ausführung der Erfindung auch ein Massenstromwert, z.B. der aktuelle Massenstrom mit dem ermittelten Grenzmassenstrom verglichen werden, ohne hierfür zwingend zuvor Steigungswerte zu bestimmen.
  • Der Massenstrom der aktuell durch den Heizkörper fließt kann z.B. anhand eines statischen oder dynamischen Heizkörpermodells ermittelt werden. Ein mögliches dynamisches Heizkörpermodell in diskreter Form ist durch die Differenzgleichung ϑ RL ⁢ t + 1 = ϑ RL t + T s ⁢ M ˙ t ⁢ C F m HK ⁢ C HK ⁢ ϑ VL t - ϑ RL t - T s ⁢ α m HK ⁢ C HK ⁢ Δ ⁢ ϑ log n t
    Figure imgb0006
     gegeben. Die verwendeten mathematischen Symbole sind in der nachfolgenden Tabelle 2 aufgelistet. Tabelle 2: Mathematische Symbole und Verfügbarkeit.
    Symbol Bedeutung Verfügbarkeit
    Δϑlog (t) Logarithmische Übertemperatur bekannt, gemessen
    m HK Masse des Heizkörpers bekannt
    CHK Spezifische Wärmekapazität des Heizkörpers bekannt
    Ts Abtastzeit bekannt, vorgegeben
    t Diskreter Zeitindex bekannt
  • Durch Lösen der dynamischen Heizkörpergleichung nach Ṁ(t) ist es möglich, den Massenstrom zu jedem Zeitpunkt t zu schätzen. Insbesondere ist es vorteilhaft den Massenstrom als einen stochastischen Prozess zu modellieren und einen erweiterten Kalman Filter als insbesondere rekursiven Schätzer für Ṁ(t) einzusetzen.
  • Der so ermittelte Massenstrom kann nun zu jedem Zeitpunkt bei gegebener Übertemperatur Δ
    Figure imgb0007
    mit dem Grenzmassenstrom verglichen werden, der beispielweise anhand einer Kennlinie, wie aus Figur 2, für diese Übertemperatur ermittelt werden kann.
  • Ist der durch das Modell ermittelte Massenstrom größer als der zulässige Grenzmassenstrom, so wird erfindungsgemäß die maximal zulässige Öffnungsposition des Ventils reduziert.
  • Bei den vorgenannten Ausführungen anhand des Vergleichs der Steigungen oder der Massenströme sowie allgemein gültig auch bei allen anderen und insbesondere später noch genannten Ausführungen kann es vorgesehen sein, dass eine solche Reduzierung der maximal zulässigen Öffnungsposition des Thermostatventils z.B. iterativ/adaptiv erfolgt, z.B. durch Reduktion um einen festgelegten Reduktionswert, z.B. um einen bestimmten Prozentsatz, hier z.B. gemäß dem Zusammenhang h(t) = 0.95h(t-1). Hierbei ist h(t) die zu einer Zeit t maximale zulässige Öffnungsposition, bzw. der zulässige Maximalhub des Ventils.
  • Eine solche Reduktion kann z.B. mehrfach wiederholt werden, bis der ermittelte Wert unter / über den Vergleichswert fällt, z.B. also der ermittelte Massenstrom unter den Grenzmassenstrom fällt oder die ermittelte Steigung über dem Referenzwert der Steigung liegt. Fortan regelt das selbsttätig regelnde Thermostatventil insbesondere in Abhängigkeit der Abweichung zwischen der Raum - IST- und Raum-SOLL - Temperatur nur zwischen seiner minimalen
  • Öffnungsposition und der erfindungsgemäß festgelegten maximal zulässigen Öffnungsposition.
  • In einer verallgemeinerten Form kann die Reduktion des Massenstroms durch einen Regler genereller Art erfolgen, der z.B. den Massenstrom auf den vorgegebenen Grenzmassenstrom regelt, basierend auf dem Regelfehler, der aus der gebildeten Differenz zwischen Grenzmassenstrom und ermittelten Massenstrom besteht.
  • Für eine weiter unten erwähnte alternative Ausführungsform, welche die Spreizung als Vergleichsgröße nutzt, kann zur Reduktion des Massenstroms in gleicher Weise ein Regler, der die Spreizung auf einen gewünschten Wert regelt, eingesetzt werden, welcher als Regelfehler die Differenz zwischen erforderlicher Mindestspreizung und ermittelter Spreizung benutzt.
  • In gleicher Weise kann entsprechend einer anderen Ausführungsform die Steigung als Regelgröße benutzt werden. In den Phasen der Massenstromreduktion wird somit der Raumtemperaturregler durch einen Massenstrom-, Spreizungs- oder Steigungsregler ersetzt bzw. ergänzt, der den Massenstrom solange reduziert, bis der Vergleich ein Ergebnis liefert, gemäß dem eine weitere Reduktion der maximal zulässigen Öffnungsposition des Ventil unnötig ist.
  • Hier ist es sodann gemäß der Erfindung vorgesehen , dass, sobald der Vergleich ein Ergebnis liefert, gemäß dem eine weitere Reduktion der maximal zulässigen Öffnungsposition des Ventil unnötig ist, z.B. wenn der Massenstrom während einer solchen Adaptionsphase den Grenzmassenstrom unterschreitet, der Wert des letzten Ventilhubs h(t-1) zusammen mit der zugehörigen Übertemperatur Δ
    Figure imgb0008
    gespeichert wird.
  • Dies hat den Vorteil, dass ein einmal gelernter Wert für die maximal zulässige Öffnungsposition (Ventilhub) in Zukunft nicht neu erlernt werden muss, sondern erfindungsgemäß auch auf den zuvor iterativ gelernten Wert zurückgegriffen werden kann, insbesondere wenn zukünftig dieselbe Übertemperaturbedingung eintritt. Durch wiederholtes Speichern von Wertepaaren (Δ
    Figure imgb0009
    ;h(t-1)) kann über die Zeit hinweg eine Kennlinie bzw. ein Kennfeld für die maximal zulässige Öffnungsposition in Abhängigkeit von der Übertemperatur aufgebaut, gespeichert und ggf. korrigiert werden.
  • Dabei ist es z.B. möglich, dass man die so ermittelte Kennlinie der maximal zulässigen Öffnungsposition durch eine Funktion fittet. In einer möglichen Ausführung kann dies durch eine unstetige monoton steigende Treppenfunktion erfolgen.
  • Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend erläutert, wobei für die weitere Beschreibung folgende beispielhafte Rahmenbedingungen gelten:
    • Simulationszeit: 24h
      • Vorlauftemperatur konstant 70°C, jedoch zwischen 24:00 und 06:00 Uhr auf 50°C abgesenkt
      • Konstante Raumluftsollwerttemperatur von 21°C
      • Konstante Wandtemperatur des Raums von 10°C
      • Keine Absenkung der Raumluftsollwerttemperatur durch Profilvorgabe am Thermostatventil
      • Der Ventilhub wird durch einen PI-Regler geregelt, der die Raumlufttemperatur mit der Raumluft-Solltemperatur vergleicht
  • Zunächst wird eine Situation ohne erfindungsgemäße Begrenzung der maximal zulässigen Öffnungsposition des Thermostatventils bzw. des Ventilhubs betrachtet. Die Simulationsergebnisse sind in Figur 3 dargestellt. Es wird ein 24h Zyklus mit Nachtabsenkung, d.h. mit einer Absenkung der Vorlauftemperatur (VLT) von 24:00-06:00, betrachtet.
  • Figur 3A zeigt den zeitlichen Verlauf von Vorlauf- und Rücklauftemperaturen des Heizkörpers sowie der Raumlufttemperatur. Tagsüber wird die Vorlauftemperatur konstant auf 70°C gehalten. Zwischen 24:00 und 06:00 Uhr wird diese auf 50°C abgesenkt. Man erkennt, dass die Spreizung in der Nachtabsenkungsphase kleiner wird. Die Raumtemperatur startet um 12:00 Uhr bei 17°C. Der Raum befindet sich somit zunächst in der Aufheizphase. Anschließend erkennt man, dass der PI Regler des elektronischen Thermostatventils nach wenigen Minuten konstante 21 °C erreicht. Diese wird bis zu Beginn der Absenkphase beibehalten.
  • Während der Absenkphase werden jedoch nur noch 17.14°C erreicht. Nach der Absenkphase erkennt man ein leichtes Überschwingen der Raumtemperatur bevor wieder 21 °C erreicht werden.
  • Figur 3B zeigt die Leistung des Heizkörpers. Man erkennt die reduzierte Heizleistung in der Absenkphase.
  • Den Grund für das Nichterreichen der Sollwerttemperatur während der Absenkphase wird in Figur 3C ersichtlich. Nach Absenkung der Vorlauftemperatur sinkt die Raumlufttemperatur, der Regler des Thermostatventils versucht gegenzusteuern und öffnet das Ventil voll auf 100%. Die maximale Heizleistung im Absenkbetrieb reicht jedoch nicht aus um die geforderten 21°C Raumlufttemperatur zu erreichen. Nach der Absenkphase geht die Ventilöffnung (der Ventilhub) auf den ursprünglichen Wert von 18,9% zurück.
  • Figur 3D zeigt den zeitlichen Verlauf des Massenstroms sowie den Normmassenstrom im Auslegungspunkt (75/65/20) als beispielhaften Bezugspunkt. Vor der Absenkphase liegt der aktuelle Massenstrom fast genau auf dem Normmassenstrom, während der Absenkphase wird jedoch ein maximaler Massenstrom erreicht, der ungefähr dreimal so hoch ist, wie der Normmassenstrom ist. Diese hydraulische Überversorgung reicht jedoch nicht aus um auf die verlangten 21°C Raumtemperatur zu kommen. Während dieser Überversorgung sind andere Heizkörper des gesamten Systems potenziell unterversorgt und somit das gesamte System nicht hydraulisch abgeglichen.
  • Figur 4 zeigt die vordefinierte Grenzsteigung d
    Figure imgb0010
    min / Ṁ im Vergleich zu der aktuellen Steigung auf einer logarithmischen Skala. Man erkennt, dass nach der Aufheizphase und vor der Absenkphase die aktuelle Steigung größer als die Grenzsteigung ist. Somit besteht in diesem Zeitfenster kein Bedarf zu einer Ventilhubbegrenzung. Während der Aufheiz- und Absenkphase erkennt man jedoch, dass die Grenzsteigung unterschritten wird, und dass eine Ventilhubbegrenzung erforderlich wäre.
  • Zu der aktuellen Übertemperatur kann über die Grenzmassenstrom-Kennlinie bzw. deren Parametrisierung, z.B. gemäß Figur 2 der Grenzmassenstrom ermittelt bzw. berechnet werden, welcher ebenfalls in Figur 3D dargestellt ist. Man erkennt, dass nach der Aufheizphase und vor der Absenkphase der aktuelle Massenstrom deutlich unter dem Grenzmassenstrom liegt und in dieser Zeit das System hydraulisch abgeglichen ist.
  • Während der Aufheiz- und Absenkphase sollte der Massenstrom jedoch reduziert werden, um einen Abgleich zu erzielen. Während der Absenkphse ist der aktuelle Massenstrom fast doppelt so groß wie der Grenzmassenstrom. In Figur 3D erkennt man auch den Einfluss der Vorlauftemperatur auf den Grenzmassenstrom. Während der Absenkphase ist dieser geringer als vor und nach der Absenkphase. Dies liegt daran, dass sich die Kennlinie des Heizkörpers bei niedriger Vorlauftemperatur ändert, wie es aus Figur 1B ersichtlich ist. Somit ändern sich auch die Steigungen dieser Kennlinie bei fixen Massenströmen. Bei einer stärkeren Absenkung der Vorlauftemperatur während der Nacht, könnte der Grenzmassenstrom sogar unter dem Normmassenstrom im Auslegungszustand 75°C/65°C/20°C fallen.
  • Im Folgenden wird dieselbe Situation unter Berücksichtigung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
  • Die Simulation wird wiederholt und die maximal zulässige Öffnungsposition des Ventils bzw. der Ventilhub wird nun auf den maximal erlaubten Wert begrenzt, welcher zunächst erlernt werden muss. Die Ergebnisse sind in Abbildung 5 dargestellt.
  • In Figur 5A erkennt man, dass die Spreizung während der Absenkphase geringer wird als vor der Absenkphase, jedoch ab ca. 01:00 Uhr durch die erfindungsgemäße Begrenzung der maximal zulässigen Öffnungsposition größer ist als im vorangegangenem Beispiel, wie es in Figur 3A dargestellt ist. Die Raumlufttemperatur in Figur 5A erscheint zunächst unverändert im Vergleich zur vorherigen Simulation. In der Tat wurde durch die Durchführung des automatischen hydraulischen Abgleichs die Raumtemperatur während der Absenkphase lediglich von 17,14°C auf 16,9°C reduziert. Dies ist zu erwarten, da die Überversorgung im ersten Teil der Simulation nur einem marginalen Zuwachs an Heizleistung entspricht.
  • In Figur 5C erkennt man, dass während der Aufheizphase um 12:00 Uhr der Ventilhub zunächst auf 100% schnellt. Zu Beginn der Simulation ist der Grenzventilhub noch unbekannt und muss sukzessive erlernt werden. Dazu wird der Ventilhub schrittweise um einen vorgegebenen Wert, z.B. um 5% reduziert, bis der Massenstrom unter dem Grenzmassenstrom liegt. Der Wert der letzten Ventilstellung h(t-1) kann nun zusammen mit der dazugehörigen Übertemperatur Δ
    Figure imgb0011
    gespeichert werden, um die Kennlinie des Grenzventilhubs zu rekonstruieren. Dazu wird hier eine monoton steigende Treppenfunktion angenommen.
  • Zu Beginn der Nachtabsenkung sind zwei weitere Lernphasen an den Spitzen im Ventilhub in Figur 5C zu erkennen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Übertemperatur geringer als in der ersten Lernphase während der Aufheizphase und die Kennlinie des Grenzventilhubs ist an diesem Arbeitspunkt noch unbekannt, daher müssen die Werte hier erst erlernt werden.
  • In Figur 5D erkennt man, dass nachdem die Werte der Kennlinie des Grenzventilhubs erlernt worden sind (gegen 01:00 Uhr), der Massenstrom auf die Hälfte des vorherigen Wertes begrenzt worden ist. Somit wird während der Absenkphase eine hydraulische Überversorgung des Heizkörpers verhindert. Dies verhindert wiederum, dass weitere Heizkörper im gleichen Strang während der Absenkphase hydraulisch unterversorgt sind. Eine Unterversorgung hätte in diesen Räumen zur Folge, dass die Raumtemperatur deutlich unter 17°C fallen könnte.
  • Von besonderem Interesse ist die Wiederaufheizperiode direkt nach der Absenkphase. Ein Ausschnitt für den Verlauf des Massenstromes für beide Simulationen ist in Figur 6 und Figur 7 gegeben.
  • In Figur 6 erkennt man eine hydraulische Überversorgung zwischen 6:00 und 6:20 Uhr. Während dieser Zeit sind andere Heizkörper im Strang unterversorgt und erreichen ihre Sollwerttemperatur erst nachdem die Regler der Thermostatventile hydraulisch besser versorgten Heizkörper den Volumenstrom abdrosseln. Je nach Anzahl der Heizkörper im Strang werden die hydraulisch am schlechtesten versorgten Heizkörper erst nach Stunden mit Heizungswasser versorgt.
  • Figur 7 zeigt den Massenstrom wenn die maximal zulässige Öffnungsposition des Thermostatventils begrenzt wird. Man erkennt, dass trotz Massenstrombegrenzung die Aufheizphase ebenfalls nach ca. 35 Minuten abgeschlossen ist und es somit kaum zu Komforteinbüßung kommt. Der Grenzventilhub für diesen Fall musste nicht erst erlernt werden, sondern ist durch Speichern der Werte der ersten Aufheizphase schon bekannt. Der aktuelle Massenstrom liegt leicht unter dem theoretischen Grenzmassenstrom, da die Kennlinie des Grenzventilhubs in diesem Beispiel treppenförmig approximiert wurde. Somit ergeben sich geringe Diskrepanzen zwischen dem theoretisch berechneten Grenzmassenstrom sowie dem sich einstellenden Massenstrom nach erfolgter Begrenzung des Ventilhubs.
  • Die ermittelte Kennlinie des Grenzventilhubs ist in Figur 8 dargestellt. Die erlernten gespeicherten Messwerte befinden sich bei ca. 32K sowie bei ca. 47K Übertemperatur. Die Messwerte bei ca. 32K korrespondieren zu den Lernphasen während der Nachtabsenkung, die Messwerte bei ca. 47K korrespondieren zu der Lernphase während der Aufheizphase zu Beginn der Simulation. Während in der hier betrachteten Simulation die treppenförmige Kennlinie benutzt worden ist, sind andere Funktionsarten, die zu den erlernten Messwerten gefittet werden, denkbar. Beispielhaft ist in Figur 8 eine gefittete Kennlinie in Form einer Exponentialfunktion dargestellt.
    • Alternative Ausführungsform
  • Bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel kann es als nachteilig empfunden werden, dass der Massenstrom zu jedem Zeitpunkt mit aufwendigen Algorithmen ermittelt werden muss. Durch das Schätzen des Massenstroms können Fehler entstehen, die sich letztlich bis zum Grenzventilhub fortpflanzen und somit zu einer Verschlechterung der Ergebnisse führen können.
  • Daher wird hier als eine alternative Ausführungsform vorgeschlagen, zum Vergleich nicht den Grenzmassenstrom und den ermittelten z.B. aktuellen Massenstrom zu nutzen, sondern eine Grenzspreizung mit der gemessenen oder ermittelten Spreizung am Heizkörper zu vergleichen. Z.B. kann der Grenzmassenstrom gemäß der zuvor beschriebenen Ausführung bestimmt werden und in eine Grenzspreizung umgerechnet werden. Die Spreizung ist dabei die Differenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur der betrachteten Heizfläche, hier eines Heizkörpers.
  • Figur 9 zeigt die resultierende Spreizung korrespondierend zu Figur 1B und Figur 1C. Man erkennt, dass die Spreizung eine monoton fallende Funktion des Massenstroms ist. Daher bietet es sich an, den Grenzmassenstrom aus Figur 2 in eine Kennlinie der Grenzspreizung umzurechnen. Diese Kennlinie ist in Figur 10B dargestellt, während Figur 10A noch einmal die zugehörige Kennlinie des Grenzmassenstroms zeigt.
  • Man erkennt, dass die Kennlinie der Grenzspreizung ebenfalls fast linear verläuft. Somit ist es nun möglich, die Grenzspreizung für einen Heizkörper a-priori zu berechnen und bei der Installation eines der Erfindung entsprechenden Systems diese Kennlinie oder ihre mathematische Repräsentation abzuspeichern. Nun kann zu jedem Zeitpunkt die aktuelle Spreizung am Heizkörper durch Temperaturmessung ermittelt, und mit der Grenzspreizung vergleichen werden.
  • Für den weiteren Verlauf wird verfahren wie im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels. In der zuvor beschriebenen Simulation erzielt man nahezu die gleichen Resultate wenn die Grenzspreizung verglichen wird, anstelle des Grenzmassenstroms. Für eine praktische Implementierung scheint die hier beschriebene alternative Ausführungsform jedoch vorteilhaft.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Durchführung eines hydraulischen Abgleichs in einem Heizungssystem mit wenigstens zwei Heizflächen, wobei der Massenstrom eines Heizfluids durch jede der Heizflächen an jeder der Heizflächen mittels eines elektronischen Thermostatventils individuell durch Einstellung der aktuellen Öffnungsposition des Thermostatventils geregelt wird, wobei für jede der Heizflächen aus Temperaturmesswerten ein den Arbeitspunkt der Heizfläche repräsentierender Wert bestimmt und mit einem gespeicherten Vergleichswert der Heizfläche verglichen wird und in Abhängigkeit des Vergleichs die maximal zulässige Öffnungsposition des Thermostatventil elektronisch begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fall, wenn der Vergleich eine hydraulische Überversorgung der Heizfläche anzeigt die aktuelle Öffnungsposition des Thermostatventils um einen Reduktionswert, insbesondere einen festen Reduktionswert, insbesondere mehrfach reduziert wird bis dass der Vergleich ein Ergebnis liefert, gemäß dem eine weitere Reduktion unnötig ist und der Wert der letzten Öffnungsposition als maximal zulässige Öffnungsposition zusammen mit der gemessenen Übertemperatur der Heizfläche zur Bildung und/oder Adaption einer Kennlinie / eines Kennfeldes gespeichert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer gemessenen Übertemperatur, insbesondere vor der Durchführung des Vergleichs, die maximal zulässige Öffnungsposition auf einen zu dieser Übertemperatur gehörigen Wert, insbesondere zuvor gelernten Wert aus der Kennlinie / dem Kennfeld eingestellt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie durch eine Funktion an die gespeicherten Wertepaare angefittet wird, insbesondere durch eine Treppenfunktion, Gerade, oder Exponentialfunktion.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen den Arbeitspunkt repräsentierenden Wert einer der folgenden Werte gewählt wird:
    a. der durch die Heizfläche fließende aktuelle oder gefilterte Massenstrom, der anhand eines gespeicherten Modells berechnet wird
    b. die von der Heizfläche aktuelle oder gefilterte Wärmeabgabe, die anhand eines gespeicherten Modells berechnet wird
    c. die aktuelle oder gefilterte Steigung der Kennlinie der Heizkörperleistung gegen den Massenstrom oder der Heizkörperleistung gegen den Ventilhub, insbesondere wobei die Steigung anhand eines gespeicherten Modells berechnet wird.
    d. Die Temperaturspreizung der Heizfläche zwischen Vor- und Rücklauf, die durch Messung der Vor- und Rücklauftemperatur bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichswert gebildet wird durch den Auslegungsnormwert des Massenstroms oder der Wärmeabgabe der Heizfläche oder durch die maximal mögliche Wärmeabgabe der Heizfläche oder die Steigung der Kennlinie der Heizkörperleistung beim Auslegungsmassenstrom oder durch einen von einem der vorgenannten Werte abhängigen Wert.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlauftemperatur und/oder die Raumlufttemperatur und die Heizflächen- und/oder Rücklauftemperatur und/oder Außentemperatur zur Berechnung des Wertes gemessen werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumlufttemperatur durch einen Heizkostenverteiler der Heizfläche oder einen Rauchwarnmelder des Raumes gemessen oder aus der von diesem gemessenen raumseitigen Temperatur extrapoliert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Vorlauf- und/oder Raumlufttemperatur durch Temperatursensoren des jeweiligen Thermostatventils und die Heizflächen- oder Rücklauftemperatur und/oder die Raumlufttemperatur durch einen Temperatursensor eines der Heizfläche zugeordneten Heizkostensverteilers gemessen werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizflächen- oder Rücklauftemperatur und/oder die Raumlufttemperatur von dem jeweiligen Heizkostenverteiler, insbesondere per Funk, an das jeweilige Thermostatventil kommuniziert wird und die Berechnung der maximal zulässigen Öffnungsposition anhand des gespeicherten Modells durch das Thermostatventil vorgenommen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufund Raumlufttemperatur an den Heizkostenverteiler, insbesondere per Funk kommuniziert werden und die Berechnung anhand des gespeicherten Modells durch den Heizkostenverteiler vorgenommen wird, der nach der Berechnung einen Wert zur Begrenzung der maximal zulässigen Öffnungsposition an das Thermostatventil zurückkommuniziert, insbesondere per Funk.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzung nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer oder zu vorbestimmten Zeiten, insbesondere einmal täglich erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale zulässige Öffnungsposition erst begrenzt wird, wenn ein, insbesondere mehrfaches Überschreiten/Unterschreiten des Vergleichswertes durch den Wert um einen gespeicherten Grenzwert und/oder über ein voreingestelltes Zeitintervall hinaus festgestellt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige Öffnungsposition nach einer vorherigen Begrenzung wieder erhöht wird, wenn der Wert den Vergleichswert unterschreitet/überschreitet, insbesondere um einen vorgegebenen Grenzwert und/oder für die Dauer eines voreingestellten Zeitintervalls..
  14. System umfassend wenigstens eine durch ein Heizfluid durchströmte Heizfläche wobei jede Heizfläche ein elektronisches Thermostatventil aufweist zur Regelung des Massenstroms durch die Heizfläche durch Einstellung der aktuellen Öffnungsposition des Thermostatventils, insbesondere in Abhängigkeit der Raumtemperatur und es eingerichtet ist, die maximal zulässige Öffnungsposition des Thermostatventils zur Herstellung eines hydraulischen Abgleichs zu begrenzen in Abhängigkeit eines Vergleiches zwischen einem den Arbeitspunkt der Heizfläche repräsentierenden Wert und einem gespeicherten Vergleichswert der Heizfläche, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin eingerichtet ist in einem Fall, wenn der Vergleich eine hydraulische Überversorgung der Heizfläche anzeigt die aktuelle Öffnungsposition des Thermostatventils um einen Reduktionswert, insbesondere einen festen Reduktionswert, insbesondere mehrfach zu reduzieren bis dass der Vergleich ein Ergebnis liefert, gemäß dem eine weitere Reduktion unnötig ist und den Wert der letzten Öffnungsposition als maximal zulässige Öffnungsposition zusammen mit der gemessenen Übertemperatur der Heizfläche zur Bildung und/oder Adaption einer Kennlinie / eines Kennfeldes zu speichern.
  15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Heizkostenverteiler an der Heizfläche aufweist zur Erfassung der Wärmeabgabe der Heizfläche, wobei eines der Geräte von Thermostatventil oder Heizkostenverteiler eingerichtet ist, den Vergleich vorzunehmen anhand wenigstens eines selbst erfassten Temperaturmesswertes und wenigstens eines von dem anderen Gerät durch Funkkommunikation übermittelten Temperaturmesswertes.
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