EP3919823A1 - Method for controlling heat generation and distribution in a heating system - Google Patents

Method for controlling heat generation and distribution in a heating system Download PDF

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EP3919823A1
EP3919823A1 EP21175883.4A EP21175883A EP3919823A1 EP 3919823 A1 EP3919823 A1 EP 3919823A1 EP 21175883 A EP21175883 A EP 21175883A EP 3919823 A1 EP3919823 A1 EP 3919823A1
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EP
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temperature
heat
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heat pump
flow
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EP21175883.4A
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Horst GRÜNING
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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
    • F24D19/1018—Radiator 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
    • F24D19/1039—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating the system uses a heat pump
    • 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
    • F24D2200/00—Heat sources or energy sources
    • F24D2200/12—Heat pump

Definitions

  • radiators There are a variety of different forms of radiator. What they all have in common is that the heat capacity is far lower than that of conventional floor heating, and individual room control has so far mostly been achieved by means of thermostatic valves on each radiator.
  • Thermostatic valves even those advanced ones that are connected to an electronic control, throttle the flow of the heat transport medium, water, depending on the room temperature.
  • the consequence of the reduced flow in the radiator is in many cases uneven heating of the same. In such cases, only part of the radiator surface effectively contributes to the radiation, with the result that the temperature in the heated part of the radiator must be higher than with an even temperature distribution.
  • the low heat capacity in the heating circuit leads to a rapid increase in the heating circuit temperature after the heat generator has started.
  • Gas heating systems seem to have few problems with this - they can start up at short intervals and reheat briefly in order to maintain the temperature in the heating circuit.
  • Neither the first nor the second method can be used for operation with a heat pump.
  • an air-to-water heat pump that extracts the heat from the outside air needs up to 15 minutes after each start until it reaches the steady-state efficiency values measured on the test bench.
  • heat pumps require more electrical energy when they have to bridge a higher temperature difference between the source (outside air) and the sink (flow temperature in the heat pump's heat exchanger).
  • the heat pump feeds a buffer storage tank, the water temperature of which is guided via a heating curve depending on the outside air temperature.
  • the radiators receive a throttled inflow from the buffer tank via thermostatic valves.
  • the adjustment of such a system has a decisive influence on the overall efficiency, because the further the temperature values in the buffer storage are above what the radiators really need at the respective outside temperature, the more electrical energy the heat pump will consume.
  • the aim is therefore to set the buffer temperature values as low as possible by trimming the heating curve during commissioning of the system. It must be checked in the following winter periods and readjusted if necessary.
  • Radiator controls according to the present invention make it possible to operate the heat pump in long operating cycles and to keep the flow temperature of the heat pump as low as possible.
  • the amount of heat provided is also distributed to the various rooms in the best possible way.
  • the control process process for controlling the generation and distribution of heat
  • Fig. 1a shows a preferred embodiment of the control method.
  • Figure 1b shows an example of an embodiment of a heating system with the controller 40.
  • the heat pump 1 feeds a predominantly water-based heat transport system 2 with flow 2V, pump 2P and return 2R.
  • the temperature sensor 3 measures the temperature in the flow 2V of the heat transport system 2 and the flow temperature subtractor 4 determines the deviation of the flow temperature from the flow target temperature value, which is specified by the flow target temperature value generator 6.
  • the power output of the heat pump is adjusted via a suitable heat pump control 5 - the heat pump control circuit is thus closed.
  • the Figs. 1a and 1b is based on a heating area with three rooms as an example.
  • Each room has a room temperature sensor 11, 21, 31 and a room temperature setpoint generator 12, 22, 32.
  • the room temperature subtractors 13, 23, 33 feed the difference between the actual room temperature and the room temperature setpoint to the PID controllers 14, 24, 34.
  • the PID controller 14, 24, 34 control the PWM modulators 15, 25, 35, which clock the radiator valves 16, 26, 36 and thereby determine the temperature of the radiators 17, 27, 37.
  • the temperature of the radiators 17, 27, 37 influences the room temperatures of the three rooms in a known manner.
  • a closed control loop e.g. 17, 11, 12, 13, 14, 15, 16 is formed for each room, whereby the output signal of the PID controllers 14, 24, which determines the pulse duty factor of the PWM modulators 15, 25, 35, 34 forms a direct measure of the degree of modulation of the radiator valves 16, 26, 36.
  • the signal selection block 7 forwards one of the output signals of the PID controllers 14, 24, 34 or a combination thereof to the modulation subtractor 9.
  • the modulation subtracter 9 then forms the difference between this signal and the value of the modulation setpoint generator 8 and uses it to control the output value of the flow setpoint temperature value generator 6 .
  • a control loop which regulates the flow temperature of the heat pump 1 in such a way that the output signal from the signal selection block 7 reaches the value of the modulation setpoint generator 8.
  • This control loop causes the flow temperature of the heat pump 1 to drop when the value of the modulation setpoint generator 8 is increased.
  • the aim is to set the flow temperature of the heat pump 1 as low as possible, because this increases its efficiency. This is achieved by the highest possible value of the modulation setpoint generator 8.
  • the value is preferably selected such that the value selected by the signal selection block 7 corresponds to a PWM pulse duty factor of almost 100%, but in any case> 75%.
  • the duty cycle of the radiator valves 16, 26, 36 is determined from the pulse duty factor of the PWM modulators 15, 25, 35. This is reliably achieved when the radiator valves 16, 26, 36 switch between fully open and fully closed. However, it will be advantageous for the load on the heat pump if at no point in time all radiator valves 16, 26, 36 are completely closed, because then the heat pump can no longer give off any heat.
  • a permanent low flow through the radiator valves 16, 26, 36 which can also be generated by a suitable bypass, for example, can solve the problem without the duty cycle of the PWM modulators 15, 25, 35 losing its informative value.
  • the timing of the radiator valves is generated, for example, by the PWM modulators 15, 25, 35.
  • the type of clocking can be freely selected insofar as a pulse duty factor can be determined from it. It is even possible to use single pulse clocking, as described in the patent CH706660B1 has been described.
  • the method for controlling the generation and distribution of heat in a heating system supplies the radiators in such a way that the desired room temperature is set in each room.
  • the radiators are repeatedly flowed through with full flow, so that a uniform temperature distribution is achieved and a high level of radiation results even at a low radiator temperature.
  • the process for controlling the generation and distribution of heat operates the heat pump according to the heat demand and sets the lowest possible flow temperature so that the heat pump can achieve a high level of efficiency.
  • Fig. 2 shows a second preferred embodiment of the control method.
  • the signal selection block 7M is designed therein in such a way that it switches the highest value of the output signals of the PID controllers 14, 24, 34 through to the output.
  • this largest pulse duty factor value from the heating system is compared with the value of the modulation setpoint generator 8.
  • the flow temperature 2V of the heat pump 1 is set in such a way that the room with the highest flow temperature requirement receives sufficient heat.
  • An arrangement according to a second preferred embodiment takes into account the flow temperature requirement of all rooms and sets the flow temperature of the heat pump so that it is sufficient for the room with the greatest flow temperature requirement.
  • Fig. 3 shows a third preferred embodiment of the control method.
  • the signal selection block 7R is designed therein in such a way that it switches the value of the output signal of the PID controller 34 of the reference space through to the output.
  • the duty cycle value of the reference room from the heating system is compared with the value of the modulation setpoint generator 8.
  • the flow temperature 2V of the heat pump 1 is set so that the reference room receives sufficient heat.
  • An arrangement according to a third preferred embodiment takes into account the flow temperature requirement of a reference room and sets the flow temperature of the heat pump so that it is sufficient for this room.
  • Fig. 4 shows a fourth preferred embodiment of the control method.
  • An outside temperature sensor 10 is placed in such a way that it can determine the temperature of the air in the vicinity of the building comprising the named rooms. Its temperature value is fed to the flow setpoint temperature value generator 6, which uses this to calculate a default value for the flow temperature subtracter 4. The output value of the modulation subtracter 9 is included in this calculation by the flow temperature value generator 6 as a correction factor.
  • An arrangement according to a fourth preferred embodiment bases the calculation of the flow temperature decisively on the temperature of the air in the vicinity of the building comprising the named rooms. Changes in the ambient temperature therefore lead directly to an adjustment of the flow temperature without a change in the room temperatures having to be recognized beforehand. An arrangement according to a fourth preferred embodiment will therefore regulate the room temperatures better.
  • Figure 5a shows a fifth preferred embodiment of the control method
  • Figure 5b an example of a family of three heating curves 60, 61, 62.
  • a heating curve 60 is initially stored in the flow setpoint temperature value generator 6H. As a result, he will calculate a default value for the flow temperature subtracter 4, which is already quite close to the target value for the setting of the heat pump.
  • the output value of the modulation subtracter 9 is introduced to correct the steepness of the heating curve, so that the heating curve is optimized.
  • the steeper heating curve 61 leads to an increase in the flow temperature, whereas the less steep heating curve 62 leads to a reduction in the flow temperature.
  • An arrangement according to a fifth preferred embodiment bases the calculation of the flow temperature on a heating curve.
  • the heating curve is continuously trimmed, so that any manual trimming can be omitted because the flow temperature is always adjusted as best as possible.
  • Figure 6a shows a sixth preferred embodiment of the control method
  • Figure 6b shows an example of an embodiment of a heating system.
  • the buffer store 2S stores heat in a known manner. As a result, the heat pump can be clocked without interrupting the flow of heat to the radiators.
  • An arrangement according to a sixth preferred embodiment can maintain a constant flow of heat even when a lower heat output is required than the heat pump is able to deliver in continuous operation.

Abstract

Ein Heizsystem für Gebäude mit mindestens einer Wärmepumpe (1), Wärmeabgabe über herkömmliche Heizkörper (17, 27, 37), Innenraumtemperaturerfassung (11, 21, 31), mindestens einem Pufferspeicher (2S) und einem Steuersystem (40) regelt die Heizkörpertemperaturen durch Taktung der Ventile (16, 26, 36) im Vorlauf der jeweiligen Heizkörper. Das Steuersystem ermittelt den Wärmebedarf der einzelnen Räume aus dem Tastverhältnis der Taktungen und optimiert darauf basierend die Vorlauftemperatur (3) des Pufferspeichers.A heating system for buildings with at least one heat pump (1), heat output via conventional radiators (17, 27, 37), interior temperature detection (11, 21, 31), at least one buffer storage (2S) and a control system (40) regulates the radiator temperatures by clocking of the valves (16, 26, 36) in the flow of the respective radiator. The control system determines the heat demand of the individual rooms from the pulse duty factor and optimizes the flow temperature (3) of the buffer tank based on this.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Mehrzahl aller bestehenden Häuser wird derzeit mit Heizkörpern beheizt. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Formen von Heizkörpern. Allen gemeinsam ist: Die Wärmekapazität ist weit geringer als die einer herkömmlichen Bodenheizung, und eine Einzelraumregelung wird bisher zumeist durch Thermostatventile an jedem Heizkörper bewerkstelligt.The majority of all existing houses are currently heated with radiators. There are a variety of different forms of radiator. What they all have in common is that the heat capacity is far lower than that of conventional floor heating, and individual room control has so far mostly been achieved by means of thermostatic valves on each radiator.

Thermostatventile, auch jene fortschrittlichen, die an eine elektronische Regelung angeschlossen sind, drosseln den Fluss des Wärmetransportmediums Wasser in Abhängigkeit von der Raumtemperatur. Die Folge des verringerten Flusses im Heizkörper ist in vielen Fällen ungleichmässige Erwärmung desselben. In solchen Fällen trägt nur ein Teil der Heizkörperfläche effektiv zur Abstrahlung bei mit der Folge, dass die Temperatur im erwärmten Teil des Heizkörpers höher sein muss als bei gleichmässiger Temperaturverteilung.Thermostatic valves, even those advanced ones that are connected to an electronic control, throttle the flow of the heat transport medium, water, depending on the room temperature. The consequence of the reduced flow in the radiator is in many cases uneven heating of the same. In such cases, only part of the radiator surface effectively contributes to the radiation, with the result that the temperature in the heated part of the radiator must be higher than with an even temperature distribution.

Die geringe Wärmekapazität im Heizkreis führt zu schnellem Anstieg der Heizkreistemperatur nach dem Start des Wärmeerzeugers. Gasheizungen haben damit scheinbar wenig Probleme - sie können in kurzen Zeitabständen anspringen und kurz nachheizen, um die Temperatur im Heizkreis zu halten.The low heat capacity in the heating circuit leads to a rapid increase in the heating circuit temperature after the heat generator has started. Gas heating systems seem to have few problems with this - they can start up at short intervals and reheat briefly in order to maintain the temperature in the heating circuit.

Bei Ölheizungen ist solch ein Verhalten bereits bedenklicher: Nach dem Anspringen trifft die Flamme auf einen erkalteten Kessel, was zu hohem Ölverbrauch und schlechten Abgaswerten führt. Ölheizungen heizen deshalb den Kessel bei jedem Brennzyklus weit hoch, und ein nachgeschalteter Mischer sorgt dafür, dass der Kreis der Heizkörper eine annähernd konstante Temperatur daraus bekommt.In the case of oil heating systems, this behavior is more worrying: after it has started, the flame encounters a cooled down boiler, which leads to high oil consumption and poor exhaust gas values. Oil heaters therefore heat the boiler up a great deal with each firing cycle, and a downstream mixer ensures that the heating element circuit has an almost constant temperature.

Für den Betrieb mit einer Wärmepumpe kann weder das erste noch das zweite Verfahren angewendet werden. Denn insbesondere eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, die die Wärme der Aussenluft entzieht, benötigt bis zu 15 Minuten nach jedem Start, bis sie die auf dem Prüfstand gemessenen stationären Werte des Wirkungsgrades erreicht.Neither the first nor the second method can be used for operation with a heat pump. In particular, an air-to-water heat pump that extracts the heat from the outside air needs up to 15 minutes after each start until it reaches the steady-state efficiency values measured on the test bench.

Ebenso ist bekannt, dass Wärmepumpen mehr elektrische Energie benötigen, wenn sie einen höheren Temperaturunterschied zwischen Quelle (Aussenluft) und Senke (Vorlauftemperatur im Wärmetauscher der Wärmepumpe) überbrücken müssen.It is also known that heat pumps require more electrical energy when they have to bridge a higher temperature difference between the source (outside air) and the sink (flow temperature in the heat pump's heat exchanger).

Dennoch wird bei herkömmlichen Wärmepumpensystemen ein ähnliches Regelverfahren angewandt: Die Wärmepumpe speist einen Pufferspeicher, dessen Wassertemperatur über eine Heizkurve in Abhängigkeit von der Aussenlufttemperatur geführt wird. Aus dem Pufferspeicher erhalten die Heizkörper über Thermostatventile einen gedrosselten Zufluss.Nevertheless, a similar control method is used in conventional heat pump systems: The heat pump feeds a buffer storage tank, the water temperature of which is guided via a heating curve depending on the outside air temperature. The radiators receive a throttled inflow from the buffer tank via thermostatic valves.

Die Einjustierung eines solchen Systems beeinflusst den Gesamtwirkungsgrad in entscheidender Weise, denn je weiter die Temperaturwerte im Pufferspeicher über dem liegen, was die Heizkörper bei der jeweiligen Aussentemperatur wirklich benötigen, desto mehr elektrische Energie wird die Wärmepumpe verbrauchen. Eine möglichst niedrige Einstellung der Puffertemperaturwerte wird deshalb durch Trimmen der Heizkurve während der Inbetriebsetzung der Anlage angestrebt. Sie muss in den folgenden Winterperioden kontrolliert und gegebenenfalls nachjustiert werden.The adjustment of such a system has a decisive influence on the overall efficiency, because the further the temperature values in the buffer storage are above what the radiators really need at the respective outside temperature, the more electrical energy the heat pump will consume. The aim is therefore to set the buffer temperature values as low as possible by trimming the heating curve during commissioning of the system. It must be checked in the following winter periods and readjusted if necessary.

Der Erfolg solcher Massnahmen hängt entscheidend von der Motivation und den Fähigkeiten der Inbetriebsetzer ab sowie von ihrer Bereitschaft zu entsprechend häufigen Kundenbesuchen. Selbst bei besten Randbedingungen aber bleibt ein Temperaturverlust an den Thermostatventilen. Die bestmögliche Ausnutzung der Wärmepumpenperformance kann folglich mit solch einem Regelverfahren nicht erreicht werden.The success of such measures depends crucially on the motivation and skills of the commissioning engineers as well as their willingness to make frequent visits to customers. Even under the best conditions, however, there is still a loss of temperature at the thermostatic valves. The best possible utilization of the heat pump performance cannot therefore be achieved with such a control method.

Eine weitere Schwierigkeit solcher Festeinstellungen tritt hervor, wenn sich das Nutzerverhalten z.B. durch Mieterwechsel ändert. Wurde die Anlage zuvor wirklich optimal eingestellt, so kann es den neuen Bewohnern zu kalt sein, womit eine Korrektur der Einstellungen erforderlich wird. Wenn es ihnen aber zu warm erscheint, so drehen sie die Thermostatventile zu, und in der Folge stellt die Wärmepumpe eine unnötig hohe Puffertemperatur zur Verfügung.A further difficulty of such fixed settings arises when the user behavior changes, e.g. due to a change of tenant. If the system has really been optimally set beforehand, it may be too cold for the new residents, which means that the settings must be corrected. But if it seems too warm to you, turn off the thermostatic valves, and as a result the heat pump provides an unnecessarily high buffer temperature.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , ein Steuerverfahren für ein Heizsystem mit Heizkörpern so auszubilden, dass die im Abschnitt "Stand der Technik" aufgeführten Nachteile vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 - 6.It is the object of the present invention to develop a control method for a heating system with radiators in such a way that the disadvantages listed in the section "State of the art" are avoided. This object is achieved by the features mentioned in claim 1. Advantageous further developments result from the dependent claims 2-6.

Heizkörperregelungen gemäss der vorliegenden Erfindung ermöglichen es, die Wärmepumpe in langen Betriebszyklen zu betreiben und die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe so niedrig wie möglich zu halten. Die bereitgestellte Wärmemenge wird zudem bestmöglich auf die verschiedenen Räume verteilt. Das Steuerverfahren (Verfahren zur Steuerung der Wärmeerzeugung und -verteilung) nimmt alle notwendigen Einstellungen selbsttätig vor und führt sie im Betrieb laufend nach, so dass langwierige Einstellarbeiten entfallen und das System jederzeit Änderungen des Nutzerverhaltens folgen kann.Radiator controls according to the present invention make it possible to operate the heat pump in long operating cycles and to keep the flow temperature of the heat pump as low as possible. The amount of heat provided is also distributed to the various rooms in the best possible way. The control process (process for controlling the generation and distribution of heat) makes all the necessary settings automatically and continuously updates them during operation, so that tedious setting work is no longer necessary and the system can be changed at any time can follow user behavior.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird anhand der Ausführungsbeispiele, welche in den Zeichnungen dargestellt sind, näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1a:
eine bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens (Verfahren zur Steuerung der Wärmeerzeugung und -verteilung),
Fig. 1b:
eine Ausführung einer Heizanlage,
Fig. 2:
eine zweite bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens,
Fig. 3:
eine dritte bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens,
Fig. 4:
eine vierte bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens,
Fig. 5a:
eine fünfte bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens,
Fig. 5b:
eine Schar von Heizkurven,
Fig. 6a:
eine sechste bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens,
Fig. 6b:
eine weitere Ausführung einer Heizanlage.
The invention is described in more detail with reference to the exemplary embodiments which are shown in the drawings. It shows:
Fig. 1a:
a preferred embodiment of the control method (method for controlling heat generation and distribution),
Fig. 1b:
a version of a heating system,
Fig. 2:
a second preferred embodiment of the tax procedure,
Fig. 3:
a third preferred embodiment of the control method,
Fig. 4:
a fourth preferred embodiment of the tax procedure,
Fig. 5a:
a fifth preferred execution of the tax procedure,
Fig. 5b:
a host of heating curves,
Fig. 6a:
a sixth preferred embodiment of the tax procedure,
Fig. 6b:
another version of a heating system.

Verwendete BezeichnerIdentifiers used

11
WärmepumpeHeat pump
22
vorwiegend wasserbasiertes Wärmetransportsystempredominantly water-based heat transport system
2V2V
Vorlaufleader
2P2P
Pumpepump
2R2R
RücklaufRewind
2S2S
PufferspeicherBuffer storage
33
TemperatursensorTemperature sensor
44th
VorlauftemperatursubstrahiererFlow temperature subtracter
4040
Steuerungsteering
55
WärmepumpenansteuerungHeat pump control
66th
VorlaufsolltemperaturwertgeneratorSet flow temperature value generator
6H6H
Vorlaufsolltemperaturwertgenerator mit hinterlegter HeizkurveSet flow temperature value generator with stored heating curve
6060
Anfängliche HeizkurveInitial heating curve
6161
Steilere HeizkurveSteeper heating curve
6262
Weniger steile HeizkurveLess steep heating curve
77th
Signalauswahlblock einer ersten bevorzugten AusführungSignal selection block of a first preferred embodiment
7M7M
Signalauswahlblock mit dem grösstem Wert der Ausgangssignale der PID-ReglerSignal selection block with the highest value of the output signals of the PID controller
7R7R
Signalauswahlblock mit dem Wert des Ausgangssignals eines ReferenzraumesSignal selection block with the value of the output signal of a reference room
88th
AussteuerungssollwerterzeugerModulation setpoint generator
99
AussteuerungssubtrahiererLevel subtractor
1010
AussentemperatursensorOutside temperature sensor
11, 21, 3111, 21, 31
RaumtemperatursensorRoom temperature sensor
12, 22, 3212, 22, 32
RaumtemperatursollwertgeberRoom temperature setpoint transmitter
13, 23, 3313, 23, 33
RaumtemperatursubtrahiererRoom temperature subtractor
14, 24, 3414, 24, 34
PID-ReglerPID controller
15, 25, 3515, 25, 35
PWM-ModulatorPWM modulator
16, 26, 3616, 26, 36
HeizkörperventilRadiator valve
17, 27, 3717, 27, 37
Heizkörperradiator
11-1711-17
geschlossener Regelkreis eines Raumesclosed control loop of a room
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention Erste bevorzugte AusführungFirst preferred execution

Fig. 1a zeigt eine bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens. Fig. 1b zeigt beispielhaft eine Ausführung einer Heizanlage mit der Steuerung 40. Fig. 1a shows a preferred embodiment of the control method. Figure 1b shows an example of an embodiment of a heating system with the controller 40.

Die Wärmepumpe 1 speist ein vorwiegend Wasser-basiertes Wärmetransportsystem 2 mit Vorlauf 2V, Pumpe 2P und Rücklauf 2R. Der Temperatursensor 3 misst die Temperatur im Vorlauf 2V des Wärmetransportsystems 2 und der Vorlauftemperatursubtrahierer 4 stellt die Abweichung der Vorlauftemperatur von dem Vorlaufsolltemperaturwert fest, welcher durch den Vorlaufsolltemperaturwertgenerator 6 angegeben wird. Über eine geeignete Wärmepumpenansteuerung 5 wird die Leistungsabgabe der Wärmepumpe angepasst - der Wärmepumpenregelkreis ist damit geschlossen.The heat pump 1 feeds a predominantly water-based heat transport system 2 with flow 2V, pump 2P and return 2R. The temperature sensor 3 measures the temperature in the flow 2V of the heat transport system 2 and the flow temperature subtractor 4 determines the deviation of the flow temperature from the flow target temperature value, which is specified by the flow target temperature value generator 6. The power output of the heat pump is adjusted via a suitable heat pump control 5 - the heat pump control circuit is thus closed.

Den Figs. 1a und 1b liegt beispielhaft ein Heizbereich mit drei Räumen zugrunde. Jeder Raum verfügt über einen Raumtemperatursensor 11, 21, 31 sowie einen Raumtemperatursollwertgeber 12, 22, 32. Die Raumtemperatursubtrahierer 13, 23, 33 führen die Differenz aus Raumtemperatur-Istwert und Raumtemperatur-Sollwert den PID-Reglern 14, 24, 34 zu. Die PID-Regler 14, 24, 34 steuern die PWM-Modulatoren 15, 25, 35, welche die Heizkörperventile 16, 26, 36 takten und darüber die Temperatur der Heizkörper 17, 27, 37 bestimmen.The Figs. 1a and 1b is based on a heating area with three rooms as an example. Each room has a room temperature sensor 11, 21, 31 and a room temperature setpoint generator 12, 22, 32. The room temperature subtractors 13, 23, 33 feed the difference between the actual room temperature and the room temperature setpoint to the PID controllers 14, 24, 34. The PID controller 14, 24, 34 control the PWM modulators 15, 25, 35, which clock the radiator valves 16, 26, 36 and thereby determine the temperature of the radiators 17, 27, 37.

Die Temperatur der Heizkörper 17, 27, 37 beeinflusst in bekannter Weise die Raumtemperaturen der drei Räume. In der Folge wird für jeden Raum ein geschlossener Regelkreis, z.B. 17, 11, 12, 13, 14, 15, 16 gebildet, wobei das das Tastverhältnis der PWM-Modulatoren 15, 25, 35 bestimmende Ausgangssignal der PID-Regler 14, 24, 34 ein direktes Mass für den Aussteuerungsgrad der Heizkörperventile 16, 26, 36 bildet.The temperature of the radiators 17, 27, 37 influences the room temperatures of the three rooms in a known manner. As a result, a closed control loop, e.g. 17, 11, 12, 13, 14, 15, 16 is formed for each room, whereby the output signal of the PID controllers 14, 24, which determines the pulse duty factor of the PWM modulators 15, 25, 35, 34 forms a direct measure of the degree of modulation of the radiator valves 16, 26, 36.

Der Signalauswahlblock 7 reicht eines der Ausgangssignale der PID-Regler 14, 24, 34 oder eine Kombination daraus weiter an den Aussteuerungssubtrahierer 9. Der Aussteuerungssubtrahierer 9 bildet in der Folge die Differenz dieses Signales zum Wert des Aussteuerungssollwerterzeugers 8 und steuert darüber den Ausgabewert des Vorlaufsolltemperaturwertgenerator 6.The signal selection block 7 forwards one of the output signals of the PID controllers 14, 24, 34 or a combination thereof to the modulation subtractor 9. The modulation subtracter 9 then forms the difference between this signal and the value of the modulation setpoint generator 8 and uses it to control the output value of the flow setpoint temperature value generator 6 .

In dieser Weise wird ein Regelkreis gebildet, der die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe 1 so einregelt, dass das Ausgangssignal vom Signalauswahlblock 7 den Wert des Aussteuerungssollwerterzeugers 8 erreicht. Dieser Regelkreis bewirkt, dass die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe 1 sinkt, wenn der Wert des Aussteuerungssollwerterzeugers 8 angehoben wird.In this way, a control loop is formed which regulates the flow temperature of the heat pump 1 in such a way that the output signal from the signal selection block 7 reaches the value of the modulation setpoint generator 8. This control loop causes the flow temperature of the heat pump 1 to drop when the value of the modulation setpoint generator 8 is increased.

Ziel ist es, die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe 1 möglichst niedrig einzustellen, weil sich dadurch ihr Wirkungsgrad erhöht. Das wird durch einen möglichst hohen Wert des Aussteuerungssollwerterzeugers 8 erreicht. Vorzugsweise wird der Wert so gewählt, dass der vom Signalauswahlblock 7 ausgewählte Wert einem PWM-Tastverhältnis von nahezu 100%, auf jeden Fall aber >75% entspricht.The aim is to set the flow temperature of the heat pump 1 as low as possible, because this increases its efficiency. This is achieved by the highest possible value of the modulation setpoint generator 8. The value is preferably selected such that the value selected by the signal selection block 7 corresponds to a PWM pulse duty factor of almost 100%, but in any case> 75%.

Aus dem Tastverhältnis der PWM-Modulatoren 15, 25, 35 wird der Aussteuerungsgrad der Heizkörperventile 16, 26, 36 bestimmt. Dies wird sicher erreicht, wenn die Heizkörperventile 16, 26, 36 zwischen ganz offen und ganz geschlossen wechseln. Allerdings wird es von Vorteil für die Belastung der Wärmepumpe sein, wenn zu keinem Zeitpunkt alle Heizkörperventile 16, 26, 36 ganz geschossen sind, denn dann kann die Wärmepumpe keine Wärme mehr abgeben. Ein dauerhafter geringer Durchfluss durch die Heizkörperventile 16, 26, 36, der beispielsweise auch durch einen geeigneten Bypass erzeugt werden kann, kann die Schwierigkeit lösen, ohne dass das Tastverhältnis der PWM-Modulatoren 15, 25, 35 seine Aussagekraft verliert.The duty cycle of the radiator valves 16, 26, 36 is determined from the pulse duty factor of the PWM modulators 15, 25, 35. This is reliably achieved when the radiator valves 16, 26, 36 switch between fully open and fully closed. However, it will be advantageous for the load on the heat pump if at no point in time all radiator valves 16, 26, 36 are completely closed, because then the heat pump can no longer give off any heat. A permanent low flow through the radiator valves 16, 26, 36, which can also be generated by a suitable bypass, for example, can solve the problem without the duty cycle of the PWM modulators 15, 25, 35 losing its informative value.

Die Taktung der Heizkörperventile wird beispielhaft durch die PWM-Modulatoren 15, 25, 35 erzeugt. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Art der Taktung insoweit frei gewählt werden kann, als ein Tastverhältnis daraus bestimmt werden kann. Es kann also sogar Einzelpulstaktung eingesetzt werden, wie sie in der Patentschrift CH706660B1 beschrieben wurde.The timing of the radiator valves is generated, for example, by the PWM modulators 15, 25, 35. However, it is expressly pointed out that the type of clocking can be freely selected insofar as a pulse duty factor can be determined from it. It is even possible to use single pulse clocking, as described in the patent CH706660B1 has been described.

Das Verfahren zur Steuerung der Wärmeerzeugung und -verteilung in einer Heizungsanlage nach einer ersten bevorzugten Ausführung versorgt die Heizkörper so, dass in jedem Raum die dort gewünschte Raumtemperatur eingestellt wird. Die Heizkörper werden wiederholt mit vollem Fluss durchströmt, sodass eine gleichmässige Temperaturverteilung erreicht wird und eine hohe Abstrahlung bereits bei geringer Heizkörpertemperatur resultiert. Das Verfahren zur Steuerung der Wärmeerzeugung und -verteilung betreibt die Wärmepumpe dem Wärmebedarf entsprechend und stellt die geringstmögliche Vorlauftemperatur ein, so dass die Wärmepumpe eine hohe Effizienz erreichen kann.The method for controlling the generation and distribution of heat in a heating system according to a first preferred embodiment supplies the radiators in such a way that the desired room temperature is set in each room. The radiators are repeatedly flowed through with full flow, so that a uniform temperature distribution is achieved and a high level of radiation results even at a low radiator temperature. The process for controlling the generation and distribution of heat operates the heat pump according to the heat demand and sets the lowest possible flow temperature so that the heat pump can achieve a high level of efficiency.

Zweite bevorzugte AusführungSecond preferred embodiment

Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens. Darin ist der Signalauswahlblock 7M so ausgebildet, dass er den grössten Wert der Ausgangssignale der PID-Regler 14, 24, 34 auf den Ausgang durchschaltet. In der Folge wird dieser grösste Tastverhältniswert aus der Heizanlage mit dem Wert des Aussteuerungssollwerterzeugers 8 verglichen. Dadurch wird die Vorlauftemperatur 2V der Wärmepumpe 1 so eingestellt, dass der Raum mit dem höchsten Vorlauftemperaturbedarf ausreichend Wärme erhält. Fig. 2 shows a second preferred embodiment of the control method. The signal selection block 7M is designed therein in such a way that it switches the highest value of the output signals of the PID controllers 14, 24, 34 through to the output. As a result, this largest pulse duty factor value from the heating system is compared with the value of the modulation setpoint generator 8. As a result, the flow temperature 2V of the heat pump 1 is set in such a way that the room with the highest flow temperature requirement receives sufficient heat.

Eine Anordnung nach einer zweiten bevorzugten Ausführung berücksichtigt den Vorlauftemperaturbedarf aller Räume und stellt die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe so ein, dass sie für den Raum mit dem grössten Vorlauftemperaturbedarf ausreichend ist.An arrangement according to a second preferred embodiment takes into account the flow temperature requirement of all rooms and sets the flow temperature of the heat pump so that it is sufficient for the room with the greatest flow temperature requirement.

Dritte bevorzugte AusführungThird preferred embodiment

Fig. 3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens. Darin ist der Signalauswahlblock 7R so ausgebildet, dass er den Wert des Ausgangssignals des PID-Reglers 34 des Referenzraumes auf den Ausgang durchschaltet. In der Folge wird der Tastverhältniswert des Referenzraumes aus der Heizanlage mit dem Wert des Aussteuerungssollwerterzeugers 8 verglichen. Dadurch wird die Vorlauftemperatur 2V der Wärmepumpe 1 so eingestellt, dass der Referenzraum ausreichend Wärme erhält. Fig. 3 Fig. 3 shows a third preferred embodiment of the control method. The signal selection block 7R is designed therein in such a way that it switches the value of the output signal of the PID controller 34 of the reference space through to the output. As a result, the duty cycle value of the reference room from the heating system is compared with the value of the modulation setpoint generator 8. As a result, the flow temperature 2V of the heat pump 1 is set so that the reference room receives sufficient heat.

Eine Anordnung nach einer dritten bevorzugten Ausführung berücksichtigt den Vorlauftemperaturbedarf eines Referenzraumes und stellt die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe so ein, dass sie für diesen Raum ausreichend ist.An arrangement according to a third preferred embodiment takes into account the flow temperature requirement of a reference room and sets the flow temperature of the heat pump so that it is sufficient for this room.

Vierte bevorzugte AusführungFourth preferred embodiment

Fig. 4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens. Ein Aussentemperatursensor 10 wird so plaziert, dass er die Temperatur der Luft in der Umgebung des die genannten Räume umfassenden Gebäudes bestimmen kann. Sein Temperaturwert wird dem Vorlaufsolltemperaturwertgenerator 6 zugeführt, der daraus einen Vorgabewert für den Vörlauftemperatursubtrahierer 4 errechnet. Der Ausgabewert des Aussteuerungssubtrahierers 9 wird von dem Vorlauftemperaturwertgenerator 6 als Korrekturfaktor in diese Berechnung miteinbezogen. Fig. 4 shows a fourth preferred embodiment of the control method. An outside temperature sensor 10 is placed in such a way that it can determine the temperature of the air in the vicinity of the building comprising the named rooms. Its temperature value is fed to the flow setpoint temperature value generator 6, which uses this to calculate a default value for the flow temperature subtracter 4. The output value of the modulation subtracter 9 is included in this calculation by the flow temperature value generator 6 as a correction factor.

Eine Anordnung nach einer vierten bevorzugten Ausführung stützt die Berechnung der Vorlauftemperatur massgebend auf die Temperatur der Luft in der Umgebung des die genannten Räume umfassenden Gebäudes ab. Änderungen der Umgebungstemperatur führen somit direkt zu einer Anpassung der Vorlauftemperatur, ohne dass zuvor eine Veränderung der Raumtemperaturen erkannt werden muss. Eine Anordnung nach einer vierten bevorzugten Ausführung wird deshalb die Raumtemperaturen besser regeln.An arrangement according to a fourth preferred embodiment bases the calculation of the flow temperature decisively on the temperature of the air in the vicinity of the building comprising the named rooms. Changes in the ambient temperature therefore lead directly to an adjustment of the flow temperature without a change in the room temperatures having to be recognized beforehand. An arrangement according to a fourth preferred embodiment will therefore regulate the room temperatures better.

Fünfte bevorzugte AusführungFifth preferred embodiment

Fig. 5a zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens, Fig. 5b beispielhaft eine Schar von drei Heizkurven 60, 61, 62. Figure 5a shows a fifth preferred embodiment of the control method, Figure 5b an example of a family of three heating curves 60, 61, 62.

Dem Vorlaufsolltemperaturwertgenerator 6H ist anfänglich eine Heizkurve 60 hinterlegt. In der Folge wird er einen Vorgabewert für den Vorlauftemperatursubtrahierer 4 errechnen, der bereits recht nahe am Zielwert für die Einstellung der Wärmepumpe liegt. Der Ausgabewert des Aussteuerungssubtrahierers 9 wird zur Korrektur der Steilheit der Heizkurve eingebracht, so dass eine Optimierung der Heizkurve vorgenommen wird. So führt die steilere Heizkurve 61 zu einer Erhöhung der Vorlauftemperatur, wohingegen die weniger steile Heizkurve 62 zu einer Reduktion der Vorlauftempertur führt.A heating curve 60 is initially stored in the flow setpoint temperature value generator 6H. As a result, he will calculate a default value for the flow temperature subtracter 4, which is already quite close to the target value for the setting of the heat pump. The output value of the modulation subtracter 9 is introduced to correct the steepness of the heating curve, so that the heating curve is optimized. The steeper heating curve 61 leads to an increase in the flow temperature, whereas the less steep heating curve 62 leads to a reduction in the flow temperature.

Eine Anordnung nach einer fünften bevorzugten Ausführung stützt die Berechnung der Vorlauftemperatur auf eine Heizkurve. Die Heizkurve wird ständig nachgetrimmt, so dass jegliche manuelle Nachtrimmung entfallen kann, weil die Vorlauftemperatur stets bestmöglich eingeregelt wird.An arrangement according to a fifth preferred embodiment bases the calculation of the flow temperature on a heating curve. The heating curve is continuously trimmed, so that any manual trimming can be omitted because the flow temperature is always adjusted as best as possible.

Sechste bevorzugte AusführungSixth preferred embodiment

Fig. 6a zeigt eine sechste bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens, Fig. 6b zeigt beispielhaft eine Ausführung einer Heizanlage. Figure 6a shows a sixth preferred embodiment of the control method, Figure 6b shows an example of an embodiment of a heating system.

Eingefügt in das vorwiegend Wasser-basierte Wärmetransportsystem 2 mit Vorlauf 2V, Pumpe 2P und Rücklauf 2R ist ein Pufferspeicher 2S. Der Pufferspeicher 2S speichert in bekannter Weise Wärme. In der Folge kann die Wärmepumpe getaktet werden, ohne dass der Wärmezufluss zu den Heizkörpern unterbrochen wird.Inserted into the predominantly water-based heat transport system 2 with 2V flow, pump 2P and return 2R is a buffer storage 2S. The buffer store 2S stores heat in a known manner. As a result, the heat pump can be clocked without interrupting the flow of heat to the radiators.

Eine Anordnung nach einer sechsten bevorzugten Ausführung kann einen steten Wärmefluss auch dann aufrecht erhalten, wenn eine geringere Wärmeleistung benötigt wird, als die Wärmepumpe im Dauerbetrieb zu liefern vermag.An arrangement according to a sixth preferred embodiment can maintain a constant flow of heat even when a lower heat output is required than the heat pump is able to deliver in continuous operation.

Claims (6)

Verfahren zur Steuerung der Wärmeerzeugung und -verteilung in einer Heizungsanlage mit mindestens einer Wärmepumpe (1), einem vorwiegend Wasser-basierten Wärmeverteilsystem (2) und mindestens zwei Heizkörpern (17), (27), (37), dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzufuhr der Heizkörper zur Einregelung der jeweiligen Raumtemperatur getaktet wird,
aus den Tastverhältniswerten der Taktungen der Heizkörper ein Referenz-Tastverhältniswert ausgewählt wird
und die Wärmepumpe so eingestellt wird, dass der Referenz-Tastverhältniswert grösser als 0,75 wird.Method for controlling the generation and distribution of heat in a heating system with at least one heat pump (1), a predominantly water-based heat distribution system (2) and at least two radiators (17), (27), (37), characterized in that the water supply the radiator is clocked to regulate the respective room temperature,
a reference duty cycle value is selected from the duty cycle values of the clocking of the radiators
and the heat pump is set so that the reference duty cycle value is greater than 0.75. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der grösste aller Tastverhältniswerte als Referenz-Tastverhältniswert gewählt wird.Method according to claim 1, characterized in that
the largest of all duty cycle values is selected as the reference duty cycle value. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Tastverhältniswert eines Referenzraumes als Referenz-Tastverhältniswert gewählt wird.Method according to claim 1, characterized in that
the duty cycle value of a reference room is selected as the reference duty cycle value. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wert der Lufttemperatur ausserhalb des Gebäudes so eingebunden wird, dass er direkt Einfluss auf die Vorlauftemperatur des Wassers im vorwiegend Wasser-basierten Wärmeverteilsystem nimmt.Method according to one of claims 1-3, characterized in that
the value of the air temperature outside the building is integrated in such a way that it has a direct influence on the flow temperature of the water in the predominantly water-based heat distribution system. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wert der Lufttemperatur ausserhalb des Gebäudes die Vorlauftemperatur des Wassers im vorwiegend Wasser-basierten Wärmeverteilsystem über eine Heizkurve bestimmt und dass die Steilheit der Heizkurve durch den Referenz-Tastverhältniswert getrimmt wird.Method according to claim 4, characterized in that
the value of the air temperature outside the building determines the flow temperature of the water in the predominantly water-based heat distribution system via a heating curve and that the steepness of the heating curve is trimmed by the reference duty cycle value. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen die mindestens eine Wärmepumpe und die Heizkörper ein Wärmespeicher eingefügt wird.Method according to one of claims 1-5, characterized in that
a heat accumulator is inserted between the at least one heat pump and the radiators.
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