EP3988844A1 - Heizungsanlage und verfahren zum betreiben einer heizungsanlage - Google Patents

Heizungsanlage und verfahren zum betreiben einer heizungsanlage Download PDF

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EP3988844A1
EP3988844A1 EP21203275.9A EP21203275A EP3988844A1 EP 3988844 A1 EP3988844 A1 EP 3988844A1 EP 21203275 A EP21203275 A EP 21203275A EP 3988844 A1 EP3988844 A1 EP 3988844A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
data processing
modulation range
heat generator
processing device
Prior art date
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Granted
Application number
EP21203275.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3988844B1 (de
Inventor
Timo Christian Klenke
Tino Gehlert
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.)
Viessmann Climate Solutions SE
Original Assignee
Viessmann Climate Solutions SE
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Filing date
Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • F23N5/123—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means

Definitions

  • the present invention relates to a heating system and a method for operating a heating system.
  • the heating system and the method are designed to minimize thermal stress on an ionization electrode of a gas burner in order to extend its service life.
  • a generic heating system has a heat generator with a burner, in particular a gas burner, which is operated with a fuel gas and air.
  • the burner has a flame body from which a gas or a gas-air mixture exits into a combustion chamber that surrounds the flame body. After the gas-air mixture has been ignited using an ignition electrode, a flame forms around the flame body.
  • the spatial extent of the flame is also referred to below as the reaction zone.
  • the combustion processes take place in the reaction zone.
  • the geometric extent of the reaction zone and the temperature can vary depending on a degree of modulation of the burner.
  • the degree of modulation describes a set output of the burner as a percentage of the maximum output.
  • the output of the burner essentially depends on the amount of fuel supplied and the air available for combustion, and in particular on their ratio to one another.
  • the combustion of the gas-air mixture in the burner is usually monitored with an ionization electrode which is arranged in the vicinity of the flame body and can be located in or close to the reaction zone.
  • the ionization electrode is exposed to different levels of thermal stress and/or corrosive stress, which can change or damage the material of the ionization electrode, resulting in aging effects that are also referred to as degradation.
  • thermal stress and/or corrosive stress can change or damage the material of the ionization electrode, resulting in aging effects that are also referred to as degradation.
  • damage and thus failure of the ionization electrode and/or a weakened measurement signal from the ionization electrode which can mean that safe operation of the burner can no longer be guaranteed.
  • ionization electrodes are usually simply replaced as a precautionary measure during standard maintenance, so that replacement can also take place even though the electrodes are not yet showing any significant degradation effects.
  • a burner with an ignition electrode and an ionization electrode is described, for example, in EP 3 581 850 described.
  • a method and apparatus for regenerating an ionization electrode is disclosed in US Pat DE 10 2019 107 367 A1 disclosed.
  • the structure of burners with ionization measurement and the control of a burner are, for example, in EP 0 770 824 B1 and the EP 2 466 204 B1 described.
  • the European patent application EP 3 290 797 A1 discloses a generic method for detecting an aging condition of a heating system. A time profile of a combustion parameter, in particular an ionization current, in ignition operation is taken into account. Furthermore, methods for determining an inspection time of the heating system, a method for controlling an ignition operation of the heating system, a control unit designed to carry out one of the methods, and a heating system with the control unit are described.
  • German patent application DE 100 03 819 C1 describes another generic method for operating a gas burner with an ionization probe.
  • the aim of the present invention is to solve the problems known from the prior art and to provide a heating system which is improved over the prior art.
  • a burner in a Heat generators of a heating system are operated in such a way that the thermal and/or corrosive stress on the ionization electrode is as low as possible, so that degradation of the ionization electrode can be avoided or reduced as far as possible.
  • the service life of the ionization electrode can be extended, so that the heat generator does not have to be serviced as often.
  • the object is achieved by a heating system according to claim 1 and by a method for operating a heating system according to claim 5.
  • thermal stress is not intended to exclude “corrosive stress” in the following.
  • corrosive stress When the ionization electrode is exposed to heat, both effects can occur simultaneously and lead to degradation of the ionization electrode.
  • degradation is intended to include all possible consequences for the ionization electrode, which lead in particular to a weakening of the measurement signal (of the measured ionization current) and/or to damage to the electrode material. “Degradation” thus includes damage to the ionization electrode and impairment of the function of the ionization electrode.
  • a heating system for a building comprises at least one heat generator for heating a heat transfer medium and a data processing device which is communicatively connected to a control device of the heat generator.
  • the heat generator includes a burner with an ignition electrode for igniting a combustion process in a combustion chamber of the burner, an ionization electrode for measuring an ionization current in a reaction zone of the burner and a heat exchanger for transferring the heat generated by the burner to the heat transfer medium.
  • the heat generator also includes a control device for controlling an operating state of the heat generator as a function of control parameters.
  • the data processing device includes a memory device for storing data and a computing device for carrying out methods for processing data, in particular measured values, which are received from one or more heat generators.
  • the data processing device can be provided either locally, for example in the same building as the heat generator, or geographically remote.
  • the computing device can be a server connected to the heat generator via the Internet or another network (e.g. a "Local Area Network", LAN or a “Wide Area Network", WAN), a computing cluster or the like.
  • the storage device can be implemented, for example, as cloud storage or network storage, which is communicatively connected to the computing device and a control device of a heat generator or multiple control devices of a large number of heat generators via the Internet or other network.
  • the data exchange between the control device and the data processing device can take place accordingly via the respective network.
  • the advantage of a data processing device connected via the Internet is that data from a large number of heat generators that can be geographically distant from one another (for example in different buildings) can be received, stored and processed. This can involve a large number of identical or different heat generators.
  • the control device of the heat generator regularly transmits a large number of measured values about the operating state of the heat generator to the data processing device, for example several times per second, several times per minute, several times per hour or several times a day. In this way, a large number of measured values can be generated and a time profile of the operating state of the heat generator can be monitored and/or evaluated using the measured values.
  • the control device of the heat generator can receive control parameters for controlling the heat generator from the data processing device.
  • the control parameters received can then be stored locally by the control device and used to further control the heat generator.
  • the control device can also access locally stored control parameters, for example if communication with the data processing device is not possible.
  • the control parameters stored locally by the control device can be the last control parameters transmitted by the data processing device and/or control parameters for normal operation and/or emergency operation can be stored in the control device.
  • the data processing device receives the measured values transmitted by the control device and stores them in the storage device and/or in the cloud memory. Depending on a large number of stored measured values, the computing device of the data processing device can determine control parameters for the heat generator and calculate a remaining service life (residual service life) of the ionization electrode.
  • the computing device can determine a corrected set of control parameters and transmit it to the control device.
  • the first limit value can be established, for example, as a function of a specified minimum service life of the ionization electrode.
  • the first limit value can also be defined as a function of a maintenance interval for the heat generator.
  • the first limit value describes a minimum runtime during which the heat generator should not require any maintenance.
  • Burner operating times indicate the periods when the burner is in operation. For example, a (binary) value can be transmitted for each measurement point in time, which indicates whether a combustion process is currently taking place or not. This value can be determined, for example, using the ionization current.
  • the performance of the burner is also expressed as the modulation depth or modulation range of the burner. These values can each be specified in watts or as a percentage of a maximum output.
  • a heat generator can be operated depending on a specified power output. Depending on the specified power, a supply of fuel (or gas-air mixture) be managed.
  • modulation derives from the fact that the output of the burner can be continuously adjusted. Instead of modulating operation, a burner can also be operated in cycles, with the burner being switched on and off again and again, but this can result in greater wear.
  • Ignition times of the burner indicate, in particular, points in time at which ignition processes have taken place using the ignition electrode. Furthermore, an ignition time can indicate the time from the opening of the gas valve until a stable flame is detected. The ignition time therefore indicates how long it takes to achieve operation with stable combustion in the burner. From this it can be seen, for example, whether the burner ignites normally or with a delay. From the frequency of ignition processes or the length of the ignition time, conclusions can be drawn about wear on the burner or its components.
  • the ionization current is measured using the ionization electrode.
  • the course of the ionization current over time can be used to draw conclusions about the combustion process, for example.
  • the ionization current can be used to monitor that ignition of the burner was successful.
  • information about a device type of the heat generator, a geographic position of the heat generator, information about the building and/or about an outside temperature of the building can be transmitted and stored.
  • the evaluation of the measured values is carried out as a function of the device type, since, for example, the design and geometric arrangement of the ionization electrode can depend on the device type.
  • the distance between the ionization electrode and the flame body is an essential parameter.
  • the computing device of the data processing device can calculate the remaining service life of the ionization electrode as a function of accumulated dwell times in a large number of specified modulation ranges of the burner, with each modulation range corresponding to a power output of the burner.
  • “Remaining service life” means an expected minimum service life of the ionization electrode, with a statistical evaluation being carried out for this purpose, for example.
  • the computing device of the data processing device can determine a first modulation range from the multiplicity of defined modulation ranges, in which the calculated remaining service life of the ionization electrode becomes minimal. For this purpose, in particular, a statistical evaluation of the measured values can be carried out. A large number of field studies and simulations have shown that aging processes of the ionization electrode, in particular due to thermal stress, are strongly dependent on the degree of modulation. It should be noted that a higher burner output setting does not automatically result in a higher thermal load on the ionization electrode.
  • the geometric (three-dimensional) shape of the reaction zone i.e. the flame in the burner or above the flame body, changes. Different areas of the reaction zone have different temperatures.
  • the type of flow in different areas of the reaction zone can be laminar or turbulent, depending on the degree of modulation and the air ratio.
  • thermal loads can act on the ionization electrode, which, for example, can also vary in magnitude along the length of the ionization electrode.
  • a dependency of the service life of the ionization electrode on the degree of modulation can be determined by evaluating measured values of a large number of heat generators, or measured values of a heat generator over a long period of time or by simulations and further calculations.
  • a first modulation range that is particularly detrimental to the service life of the ionization electrode can be identified. Accordingly, it can be determined which modulation ranges are less damaging to the service life of the ionization electrode. By avoiding operation of the burner in the particularly damaging first modulation range, the service life of the ionization electrode can thus be lengthened.
  • the corrected control parameters are determined in such a way that operation of the burner in the first modulation range is avoided.
  • the service life of the ionization electrode can thus be lengthened by such a control-technical intervention.
  • the computing device of the data processing device can determine a second and a third modulation range from the plurality of specified modulation ranges, so that the power of the first modulation range results as the arithmetic mean of the power of the second modulation range and the power of the third modulation range.
  • the second modulation area and the third modulation area do not necessarily have to be selected in such a way that the power of the first modulation area results as the arithmetic mean of the power of the second modulation area and the power of the third modulation area.
  • the average power over time corresponds to the power value of the first modulation range.
  • the burner for example, for a period t1 with the power of the second modulation range and for a period t2 different from t1 with the power of the third modulation range.
  • the power of the first modulation range thus results as a weighted average of the power of the second modulation range and the power of the third modulation range, with the time periods t1 and t2 serving as weighting factors.
  • the burner can also be operated in more than two modulation ranges that are different from the first modulation range, so that the predetermined power of the first modulation range results from the temporal averaging of the plurality of modulation ranges.
  • the second modulation area and the third modulation area are modulation areas in which a lower thermal load acts on the ionization electrode than the first modulation area. Consequently, the service life of the ionization electrode can be significantly longer when the burner is operated in the second modulation range or in the third modulation range than when the burner is operated in the first modulation range.
  • an output of 50% (first modulation range) is particularly damaging to the service life of the ionization electrode.
  • a power of 40% (second modulation range) or 60% has proven to be less harmful for the device type. The percentages refer to percent of the maximum power. If a power output of 50% is requested, the heat generator can be operated alternately at 40% and 60%, so that an average power output of 50% results over time without the burner actually being operated at 50%.
  • partial load ranges for a heat generator of another device type, for example, partial load ranges (modulation ranges) of 20% to 60% power, in particular 30% to 40% power, can be particularly damaging to the service life of the ionization electrode. Accordingly, partial load ranges of 5% to 10% or 70% to 90% can be less harmful.
  • the heat generator can be operated in a pulsed manner in the harmless partial load ranges (second and third modulation range), so that a power output in the harmful partial load range (first modulation range) is achieved on average over time.
  • values for the first, second and third modulation range can each be stored in a table.
  • the table can also contain corresponding control parameters for the first, second and third modulation range.
  • the data processing device can also provide the corresponding control parameters without having to carry out complex calculations again if it is recognized that the first limit value for the service life of the ionization electrode could be undershot.
  • the computing device can determine the corrected control parameters such that the burner alternately in the second Modulation range and is operated in the third modulation range, so that the burner delivers the power of the first modulation range on average over time.
  • an ionization electrode can withstand a certain accumulated dwell time in areas of high thermal stress. Depending on the usage-dependent operating behavior of a heat generator, it can be estimated when this accumulated dwell time will be reached. Depending on use, it can thus be determined how long the remaining service life of the ionization electrode of the heat generator is likely to be.
  • ionization electrodes of a specific device type fail prematurely if high accumulated dwell times are reached in a specific modulation range.
  • This particularly harmful modulation range can thus be identified as the "first modulation range" and avoided by means of a control intervention, ie by determining corrected control parameters, during further operation of the heat generator.
  • the operating behavior of the heat generator can be changed by determining new, corrected control parameters.
  • This control intervention can be used in particular to increase the remaining service life of the ionization electrode of the heat generator, for example to ensure that a maintenance appointment is reached without the ionization electrode failing.
  • a second limit value can be defined, which indicates the smallest remaining service life of the ionization electrode.
  • the corrected control parameters can then be determined in particular in such a way that the calculated remaining service life of the ionization electrode corresponds at least to the second limit value.
  • the second limit value can be determined as a function of a predefined maintenance interval and can correspond to a remaining time of the maintenance interval, for example.
  • the heating system described above and the method carried out by the heating system can thus advantageously ensure that an early replacement of an ionization electrode is avoided or that degradation of the ionization electrode is reduced such that the ionization electrode functions faultlessly over a specified maintenance interval.
  • FIG. 1 1 illustrates an exemplary embodiment of a heating system 1 according to the invention with a heat generator 2, which is arranged, for example, in a building, and a data processing device 20, which is communicatively connected via a network 40 to a control device 10 of the heat generator 2.
  • a heating system 1 can include a large number of heat generators 2 of the same type and/or different types, which are each communicatively connected to the data processing device 20 via the network 40 and exchange data with the data processing device 20 via the network 40 .
  • the following description relates to only one heat generator 2 and can be transferred accordingly to a heating system 1 with a large number of heat generators 2 .
  • the data processing device 20 includes a storage device 21 for storing data and a computing device 22 for carrying out methods for processing data, in particular measured values, which are received from the heat generator 2 .
  • the data processing device 20 is, for example, a server connected to the network 40 .
  • a cloud memory 30 connected to the network 40 can be used to store the data.
  • the Internet can be used as the network 40, for example.
  • the advantage of a data processing device connected via the Internet is that data from a large number of heat generators that can be geographically distant from one another (for example in different buildings) can be received, stored and processed. This can involve a large number of identical or different heat generators.
  • the heat generator 2 includes a burner 3 and a control device 10 for controlling an operating state of the heat generator 2 or the burner 3 .
  • the burner 3 has an ignition electrode 4 for igniting a combustion process in a combustion chamber of the burner 3 .
  • An ionization electrode 5 for measuring an ionization current is arranged in a reaction zone of the burner 3 .
  • the burner 3 also has a heat exchanger 7 for transferring the heat generated by the burner 3 to the heat transfer medium.
  • a flame body 8 Arranged in the combustion chamber of the burner 3 is a flame body 8 from which a gas or a gas-air mixture emerges into a combustion chamber which surrounds the flame body 8 . After the gas-air mixture has been ignited by means of the ignition electrode 4, a flame forms in the reaction zone around the flame body 8.
  • FIG. 12 is a flowchart that illustrates an exemplary embodiment of the method for operating the heating system 1 according to the invention.
  • the block with the reference number 2 refers to the heat generator 2. When this receives an order to start, the burner 2 is ignited by means of the ignition electrode 4.
  • control parameters and measured values P1 are stored locally by the control device 10. These include, in particular, the operating times of the burner 3 , a predetermined output of the burner 3 , an ignition time of the burner 3 and the ionization current measured by the ionization electrode 5 .
  • step S1 the control device 10 processes the measured values (eg ignition times and ionization currents) and the manipulated variables (eg modulation).
  • the measured values eg ignition times and ionization currents
  • the manipulated variables eg modulation
  • step S2 the control device 10 transmits the processed measured values P1, such as ignition times (which are determined, for example, by means of detection via an ionization current measurement), ionization currents and the current actual modulation, via the operating state of the heat generator 2 or the burner 3 to the data processing device 20
  • the control device 10 has an interface via which the heat generator 2 is connected to the Internet 40.
  • the data processing device 20 stores the received measured values P1 in a storage device 21 or in a cloud memory 30.
  • step S3 the computing device 22 of the data processing device 20 carries out data processing of the received and stored measured values in order to calculate a remaining service life of the ionization electrode 5, for example.
  • the computing device 22 can also use previously stored or processed data P2.
  • the received measured values P1 are evaluated using a trained data field with historical field data.
  • a reliability function can be used to process the data in step S2. The reliability function is described below using 3 described in more detail.
  • the historical field data, the reliability function, simulation data or other data used by the computing device 22 of the data processing device 20 to process the data P1 are stored in 2 collectively referred to as P2.
  • the result of the data processing in S2 is referred to as P3 and can, for example, be a calculated remaining service life of the ionization electrode 5 and/or a damage index of the ionization electrode 5. These values can be stored in storage device 21 or in cloud storage 30 .
  • step S4 the remaining service life of the ionization electrode 5 is compared with a first limit value. If the calculated remaining service life of the ionization electrode 5 is equal to or less than the first limit value (YES), a corrected set of control parameters is determined in step S5 and transmitted to the control device 10 .
  • the method ends without new control parameters being determined, or the operation of the heat generator 2 is continued with the old control parameters as long as the first limit value is not undershot.
  • the reliability function indicates a probability that the ionization electrode 5 will not fail over a defined period of time under specified operating conditions.
  • the operating conditions can include, for example, operating parameters of the burner 3 and environmental conditions, such as the burner geometry, distance of the ionization electrode 5 from the flame body 8, dimensions of the ionization electrode 5 and material properties of the ionization electrode 5.
  • the curve f(t) shown is referred to as the failure density function and can be, for example, a normalized Gaussian distribution that specifies a distribution of the failures as a function of an operating time t. Normalized means that the area under the curve f(t) equals 1.
  • the curve f(t) can be determined in particular by statistically evaluating a large number of measured values over many hours of operation. In particular, measured values from a large number of similar device types of heat generators can be used.
  • FIG. 4 shows an example map of electrode damage over the operating time. From tests, simulations and a continuous evaluation of operating profiles of a large number of heat generators in combination with established damage or wear events (degradation), damage influences can be determined for components of the heat generator (here in particular the ionization electrode) and with an associated reliability function (probability of survival) R( t) link.
  • An operating profile is described in particular by measured values or operating parameters such as degree of modulation, exhaust gas temperature, operating time, etc.
  • a probability of survival or reliability can be determined via the globally generated characteristic map depending on its operating time (operating time).
  • the class or category of damage influences describes which damage can affect the ionization electrodes or other components depending on the operation and refers to the "damage index" axis in 4 .

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Abstract

Eine Heizungsanlage (1) umfasst einen Wärmeerzeuger (2) zum Erhitzen eines Wärmeträgermediums. Der Wärmeerzeuger (2) umfasst einen Brenner (3), eine Zündelektrode (4), eine lonisationselektrode (5), einen Wärmetauscher (7) und eine Regeleinrichtung (10) zum Regeln eines Betriebszustands des Wärmeerzeugers (2) in Abhängigkeit von Regelparametern (Pa). Die Regeleinrichtung (10) überträgt regelmäßig eine Vielzahl von Messwerten über den Betriebszustand des Wärmeerzeugers (2) an eine Datenverarbeitungsvorrichtung (20) und empfängt Regelparameter (Pa) zum Regeln des Wärmeerzeugers (2) von der Datenverarbeitungsvorrichtung (20). Die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) speichert die von der Regeleinrichtung (10) empfangenen Messwerte in einer Speichereinrichtung (21) und berechnet in Abhängigkeit der gespeicherten Messwerte eine verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode (5). Falls die berechnete verbleibende Lebensdauer gleich groß wie oder kleiner als ein erster Grenzwert ist, bestimmt die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) einen korrigierten Satz Regelparameter (Pa) für die Regeleinrichtung (10).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizungsanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage. Insbesondere sind die Heizungsanlage und das Verfahren dazu ausgelegt, eine thermische Beanspruchung einer lonisationselektrode eines Gasbrenners zu minimieren, um deren Lebensdauer zu verlängern.
  • Eine gattungsgemäße Heizungsanlage weist einen Wärmeerzeuger mit einem Brenner, insbesondere einen Gasbrenner auf, der mit einem Brenngas und Luft betrieben wird. Der Brenner hat einen Flammkörper, aus dem ein Gas bzw. ein Gas-Luft-Gemisch in einen Brennraum, der den Flammkörper umgibt, austritt. Nach Zünden des Gas-Luft-Gemischs mittels einer Zündelektrode bildet sich um den Flammkörper eine Flamme. Die räumliche Ausdehnung der Flamme, wird im Folgenden auch als Reaktionszone bezeichnet. In der Reaktionszone finden die Verbrennungsprozesse statt. Die geometrische Ausdehnung der Reaktionszone und die Temperatur können in Abhängigkeit eines Modulationsgrads des Brenners variieren. Der Modulationsgrad beschreibt eine eingestellte Leistung des Brenners in Prozent der Maximalleistung. Die Leistung des Brenners hängt im Wesentlichen von der zugeführten Menge an Brennstoff und für die Verbrennung zur Verfügung stehenden Luft, und insbesondere von deren Verhältnis zueinander ab.
  • Die Verbrennung des Gas-Luft-Gemischs im Brenner wird üblicherweise mit einer lonisationselektrode überwacht, die in der Nähe des Flammkörpers angeordnet ist und sich in oder nah bei der Reaktionszone befinden kann. Je nach Modulationsgrad des Brenners ist die lonisationselektrode einer unterschiedliche hohen thermischen Belastung und/oder korrosiven Belastung ausgesetzt, die das Material der lonisationselektrode verändern bzw. schädigen kann, so dass es zu Alterungseffekten kommt, die auch als Degradation bezeichnet werden. Nach einer bestimmten akkumulierten thermischen und/oder korrosiven Belastung kann es zu einer Schädigung und somit zu einem Ausfall der lonisationselektrode und/oder zu einem geschwächten Messsignal der lonisationselektrode kommen, was zur Folge haben kann, dass ein sicherer Betrieb des Brenners nicht mehr gewährleistet werden kann. Um einen Ausfall der lonisationselektrode und somit des Brenners zu vermeiden, werden lonisationselektroden daher meist vorsorglich bei standardmäßiger Wartung einfach ausgetauscht, so dass ein Austausch auch dann stattfinden kann, obwohl die Elektroden noch keine signifikanten Degradationseffekte aufweisen.
  • Ein Brenner mit Zündelektrode und lonisationselektrode wird beispielsweise in der EP 3 581 850 beschrieben. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regenerieren einer lonisationselektrode wird in der DE 10 2019 107 367 A1 offenbart. Der Aufbau von Brennern mit lonisationsmessung sowie die Regelung eines Brenners werden beispielsweise in der EP 0 770 824 B1 und der EP 2 466 204 B1 beschrieben.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 3 290 797 A1 offenbart ein gattungsgemäßes Verfahren zum Erfassen eines Alterungszustands eines Heizsystems. Ein zeitlicher Verlauf einer Verbrennungskenngröße, insbesondere eines Ionisationsstroms, in einem Zündbetrieb wird berücksichtigt. Ferner werden Verfahren zum Festlegen eines Inspektionszeitpunktes des Heizsystems, ein Verfahren zum Steuern eines Zündbetriebs des Heizsystems, eine Steuereinheit, die zum Ausführen eines der Verfahren ausgebildet ist, sowie ein Heizsystem mit der Steuereinheit beschreiben.
  • Die deutsche Patentanmeldung DE 100 03 819 C1 beschreibt ein weiteres gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Gasbrenners mit einer Ionisationssonde.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu lösen und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Heizungsanlage bereitzustellen. Insbesondere soll ein Brenner in einem Wärmeerzeuger einer Heizungsanlage so betrieben werden, dass die thermische und/oder korrosive Belastung der lonisationselektrode möglichst gering sind, so dass eine Degradation der lonisationselektrode möglichst vermieden oder verringert werden kann. Hierdurch kann insbesondere die Lebensdauer der lonisationselektrode verlängert werden, so dass eine Wartung des Wärmeerzeugers weniger häufig erfolgen muss.
  • Die Lösung der Aufgabe gelingt durch eine Heizungsanlage nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage nach Anspruch 5.
  • Die alleinige Verwendung des Begriffs "thermische Belastung" soll im Folgenden eine "korrosive Belastung" nicht ausschließen. Bei Hitzeeinwirkung auf die lonisationselektrode können beide Effekte gleichzeitig auftreten und zu einer Degradation der lonisationselektrode führen. Der Begriff "Degradation" soll alle möglichen Folgen auf die lonisationselektrode umfassen, die insbesondere zu einer Schwächung des Messsignals (des gemessenen Ionisationsstroms) und/oder zu einer Beschädigung des Elektrodenmaterials führen. "Degradation" umfasst somit eine Beschädigung der lonisationselektrode sowie eine Beeinträchtigung der Funktion der lonisationselektrode.
  • Eine Heizungsanlage für ein Gebäude umfasst mindestens einen Wärmeerzeuger zum Erhitzen eines Wärmeträgermediums und eine Datenverarbeitungsvorrichtung, die kommunikativ mit einer Regeleinrichtung des Wärmeerzeugers verbunden ist.
  • Der Wärmeerzeuger umfasst einen Brenner mit einer Zündelektrode zum Zünden eines Brennvorgangs in einem Brennraum des Brenners, einer lonisationselektrode zum Messen eines lonisationsstroms in einer Reaktionszone des Brenners und einem Wärmetauscher zum Übertragen der vom Brenner erzeugten Wärme auf das Wärmeträgermedium. Der Wärmeerzeuger umfasst ferner eine Regeleinrichtung zum Regeln eines Betriebszustands des Wärmeerzeugers in Abhängigkeit von Regelparametern.
  • Die Datenverarbeitungsvorrichtung umfasst eine Speichereinrichtung zum Speichern von Daten und eine Recheneinrichtung zum Durchführen von Verfahren zum Verarbeiten von Daten, insbesondere von Messwerten, die von einer oder mehreren Wärmeerzeugern empfangen werden.
  • Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann entweder lokal, beispielsweise im selben Gebäude wie der Wärmeerzeuger, oder geographisch entfernt vorgesehen sein. Insbesondere kann es sich bei Recheneinrichtung um ein über das Internet oder ein sonstiges Netzwerk (z.B. ein "Local Area Network", LAN oder ein "Wide Area Network", WAN) mit dem Wärmeerzeuger verbundenen Server, ein Rechencluster oder dergleichen handeln.
  • Die Speichereinrichtung kann beispielsweise als Cloudspeicher oder Netzwerkspeicher implementiert sein, der über das Internet oder das sonstiges Netzwerk kommunikativ mit der Recheneinrichtung und einer Regeleinrichtung eines Wärmeerzeugers oder mehreren Regeleinrichtungen einer Vielzahl von Wärmeerzeugern verbunden ist. Der Datenaustausch zwischen Regeleinrichtung und Datenverarbeitungsvorrichtung kann entsprechend über das jeweilige Netzwerk erfolgen.
  • Der Vorteil einer über das Internet angebundene Datenverarbeitungsvorrichtung ist, dass Daten einer Vielzahl von Wärmeerzeugern, die sich geographischer entfernt voneinander (z.B. in unterschiedlichen Gebäuden) befinden können, empfangen, gespeichert und verarbeitet werden können. Hierbei kann es sich um eine Vielzahl baugleicher oder verschiedener Wärmeerzeuger handeln. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, Daten einer Vielzahl baugleicher oder bauähnlicher Wärmeerzeuger auszuwerten, die insbesondere baugleiche lonisationselektroden aufweisen, um für eine bestimmte Bauart von lonisationselektrode eine spezifische statistische Auswertung empfangener und gespeicherter Messwerte durchzuführen.
  • Die Regeleinrichtung des Wärmeerzeugers überträgt regelmäßig, beispielsweise mehrmals pro Sekunde, mehrmals pro Minute, mehrmals pro Stunde oder mehrmals am Tag, jeweils eine Vielzahl von Messwerten über den Betriebszustand des Wärmeerzeugers an die Datenverarbeitungsvorrichtung. Somit kann eine Vielzahl von Messwerten erzeugt werden und ein zeitlicher Verlauf des Betriebszustands des Wärmeerzeugers kann anhand der Messwerte überwacht und/oder ausgewertet werden.
  • Die Regeleinrichtung des Wärmeerzeugers kann Regelparameter zum Regeln des Wärmeerzeugers von der Datenverarbeitungsvorrichtung empfangen. Die empfangen Regelparameter können dann lokal von der Regeleinrichtung gespeichert und zum weiteren Regeln des Wärmeerzeugers verwendet werden. Zusätzlich kann die Regeleinrichtung auch auf lokal gespeicherte Regelparameter zurückgreifen, zum Beispiel wenn eine Kommunikation mit der Datenverarbeitungsvorrichtung nicht möglich ist. Die lokal von der Regeleinrichtung gespeicherten Regelparameter können die letzten von der Datenverarbeitungsvorrichtung übertragenen Regelparameter sein und/oder es können Regelparameter für einen Normalbetrieb und/oder einen Notbetrieb in der Regeleinrichtung hinterlegt sein.
  • Die Datenverarbeitungsvorrichtung empfängt die von der Regeleinrichtung übertragenen Messwerte und speichert sie in der Speichereinrichtung und/oder im Cloudspeicher. In Abhängigkeit einer Vielzahl gespeicherter Messwerte kann die Recheneinrichtung der Datenverarbeitungsvorrichtung Regelparameter für den Wärmeerzeuger bestimmen und eine verbleibende Lebensdauer (Restlebensdauer) der lonisationselektrode berechnen.
  • Falls die von der Recheneinrichtung berechnete verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode gleich groß wie oder kleiner als ein erster Grenzwert ist, kann sie einen korrigierten Satz Regelparameter bestimmen und an die Regeleinrichtung übertragen.
  • Der erste Grenzwert kann beispielsweise in Abhängigkeit einer vorgegebenen Mindestlebensdauer der lonisationselektrode festgelegt werden. Alternativ kann der erste Grenzwert auch in Abhängigkeit eines Wartungsintervalls des Wärmeerzeugers festgelegt werden. Im Allgemeinen beschreibt der erste Grenzwert eine Mindestlaufzeit, in welcher der Wärmeerzeuger keine Wartung benötigen soll. Im Ergebnis können die Regelparameter also derart bestimmt werden, dass die lonisationselektrode mindestens bis zum nächsten geplanten Wartungstermin betriebsbereit ist, was bedeutet, dass gemäß der Berechnung durch die Recheneinrichtung kein Ausfall der lonisationselektrode zu erwarten ist.
  • Die Regeleinrichtung des Wärmeerzeugers überträgt mindestens die folgenden Messwerte über den Betriebszustand des Wärmeerzeugers, vorzugsweise zusammen mit einem jeweiligen Zeitpunkt der Messung, regelmäßig an die Datenverarbeitungsvorrichtung:
    • Betriebszeiten des Brenners und/oder
    • eine Leistung des Brenners und/oder
    • Zündzeiten des Brenners und/oder
    • den lonisationsstrom.
  • Betriebszeiten des Brenners geben diejenigen Zeiträume an, zu denen der Brenner in Betrieb ist. Beispielsweise kann für jeden Messzeitpunkt ein (binärer) Wert übertragen werden, der angibt, ob gerade ein Verbrennungsprozess stattfindet oder nicht. Dieser Wert kann beispielsweise anhand des lonisationsstroms bestimmt werden.
  • Die Leistung des Brenners wird auch als Modulationsgrad oder Modulationsbereich des Brenners ausgedrückt. Diese Werte können jeweils in Watt oder Prozent einer Maximalleistung angegeben werden. In der Regel kann ein Wärmeerzeuger in Abhängigkeit einer vorgegebenen Leistungsabgabe betrieben werden. In Abhängigkeit der vorgegebenen Leistung kann eine Zufuhr an Brennstoff (bzw. Gas-Luft-Gemisch) geregelt werden. Der Begriff Modulation ergibt sich daraus, dass die Leistung des Brenners stufenlos verstellbar ist. Anstelle eines modulierenden Betriebs kann ein Brenner auch getaktet betrieben werden, wobei der Brenner immer wieder ein- und ausgeschaltet wird, was jedoch einen höheren Verschleiß zur Folge haben kann.
  • Zündzeiten des Brenners geben insbesondere Zeitpunkte an, in denen Zündvorgänge mittels der Zündelektrode stattgefunden haben. Ferner kann eine Zündzeit die Zeit von Öffnen des Gasventils bis zum Erkennen einer stabilen Flamme angeben. Die Zündzeit gibt also an, wie lange es dauert, einen Betrieb mit stabiler Verbrennung im Brenner zu erreichen. Hieraus lässt sich beispielsweise erkennen, ob der Brenner normal zündet oder verspätet. Aus der Häufigkeit von Zündvorgängen oder der Länge der Zündzeit können insbesondere Rückschlüsse auf einen Verschleiß des Brenners bzw. dessen Komponenten gezogen werden.
  • Der lonisationsstrom wird mittels der lonisationselektrode gemessen. Anhand des zeitlichen Verlaufs des lonisationsstroms können beispielsweise Rückschlüsse auf den Verbrennungsprozess gezogen werden. Ferner kann der lonisationsstrom verwendet werden, um zu überwachen, dass eine Zündung des Brenners erfolgreich war.
  • Zusätzlich können Informationen über einen Gerätetyp des Wärmeerzeugers, eine geographische Position des Wärmeerzeugers, Informationen über das Gebäude und/oder über eine Außentemperatur des Gebäudes übertragen und gespeichert werden. Insbesondere wird die Auswertung der Messwerte in Abhängigkeit des Gerätetyps durchgeführt, da z.B. Bauart und geometrische Anordnung der lonisationselektrode vom Gerätetyp abhängig sein können. Hinsichtlich der geometrischen Anordnung der lonisationselektrode ist insbesondere der Abstand zwischen lonisationselektrode und Flammkörper ein wesentlicher Parameter.
  • Die Recheneinrichtung der Datenverarbeitungsvorrichtung kann die verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode in Abhängigkeit akkumulierter Verweildauern in einer Vielzahl festgelegter Modulationsbereiche des Brenners berechnen, wobei jeder Modulationsbereich einer Leistung des Brenners entspricht. Mit "verbleibender Lebensdauer" ist eine erwartete Mindestlebensdauer der lonisationselektrode gemeint, wobei hierzu beispielsweise eine statistische Auswertung vorgenommen wird.
  • Die Recheneinrichtung der Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen ersten Modulationsbereich aus der Vielzahl festgelegter Modulationsbereiche bestimmen, bei dem die berechnete verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode minimal wird. Hierzu kann insbesondere eine statistische Auswertung der Messwerte durchgeführt werden. In einer Vielzahl von Feldstudien und Simulationen hat sich gezeigt, dass Alterungsprozesse der lonisationselektrode, insbesondere aufgrund thermischer Belastung, stark vom Modulationsgrad abhängen. Dabei ist zu beachten, dass eine höhere eingestellte Leistung des Brenners nicht automatisch eine höhere thermische Belastung der lonisationselektrode zur Folge hat.
  • In Abhängigkeit des Modulationsgrads sowie in Abhängigkeit der Luftzahl, die das Verhältnis von Brennstoff zu Luft beschreibt, ändert sich die geometrische (dreidimensionale) Form der Reaktionszone, also der Flamme im Brenner bzw. über dem Flammkörper. Dabei weisen verschiedene Bereiche der Reaktionszone unterschiedlich hohe Temperaturen auf. Außerdem kann die Art der Strömung in verschiedenen Bereichen der Reaktionszone je nach Modulationsgrad und Luftzahl laminar oder turbulent sein. Je nachdem mit welchem Bereich, bzw. welchen Bereichen der Reaktionszone die lonisationselektrode in Kontakt kommt, können entsprechend unterschiedliche thermische Belastungen auf die lonisationselektrode einwirken, die beispielsweise auch entlang der Länge der lonisationselektrode unterschiedliche hoch sein können.
  • Durch Auswerten von Messwerten einer Vielzahl von Wärmeerzeugern, bzw. von Messwerten eines Wärmeerzeugers über einen langen Zeitraum oder durch Simulationen und weitere Berechnungen, kann eine Abhängigkeit der Lebensdauer der lonisationselektrode vom Modulationsgrad bestimmt werden. Insbesondere kann ein für die Lebensdauer der lonisationselektrode besonders schädlicher erster Modulationsbereich identifiziert werden. Entsprechend kann ermittelt werden, welche Modulationsbereiche weniger schädlich für die Lebensdauer der lonisationselektrode sind. Durch Vermeiden eines Betriebs des Brenners im besonders schädlichen ersten Modulationsbereich kann somit die Lebensdauer der lonisationselektrode verlängert werden.
  • Erfindungsgemäß werden die korrigierten Regelparameter derart bestimmt, dass ein Betrieb des Brenners im ersten Modulationsbereich vermieden wird. Durch solch einen regelungstechnischen Eingriff kann somit die Lebensdauer der lonisationselektrode verlängert werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass die berechnete verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode größer als der erste Grenzwert ist.
  • Die Recheneinrichtung der Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen zweiten und einen dritten Modulationsbereich aus der Vielzahl festgelegter Modulationsbereiche bestimmen, so dass sich die Leistung des ersten Modulationsbereichs als arithmetisches Mittel aus der Leistung des zweiten Modulationsbereichs und der Leistung des dritten Modulationsbereichs ergibt.
  • Der zweite Modulationsbereich und der dritte Modulationsbereich müssen nicht unbedingt so gewählt werden, dass sich die Leistung des ersten Modulationsbereichs als arithmetisches Mittel aus der Leistung des zweiten Modulationsbereichs und der Leistung des dritten Modulationsbereichs ergibt. Entscheidend ist, dass im gepulsten Betrieb zwischen zweiten Modulationsbereich und dritten Modulationsbereich der zeitliche Mittelwert der Leistung dem Wert der Leistung des ersten Modulationsbereichs entspricht. Somit kann der Brenner beispielsweise für einen Zeitraum t1 mit der Leistung des zweiten Modulationsbereichs und für einen von t1 verschiedenen Zeitraum t2 mit der Leistung des dritten Modulationsbereichs betrieben werden. Die Leistung des ersten Modulationsbereichs ergibt sich somit als gewichteter Mittelwert aus der Leistung des zweiten Modulationsbereichs und der Leistung des dritten Modulationsbereichs, wobei die Zeiträume t1 und t2 als Gewichtungsfaktoren dienen.
  • In weiteren bevorzugten Ausführungen kann der Brenner auch in mehr als zwei vom ersten Modulationsbereich verschiedenen Modulationsbereichen betrieben werden, so dass sich wiederum aus der zeitlichen Mittelung der Vielzahl von Modulationsbereichen die vorgegebene Leistung des ersten Modulationsbereichs ergibt.
  • Der zweite Modulationsbereich und der dritte Modulationsbereich sind Modulationsbereiche, bei denen eine relativ zum ersten Modulationsbereich geringere thermische Belastung auf die lonisationselektrode einwirkt. Folglich kann die Lebensdauer der lonisationselektrode beim Betreiben des Brenners im zweiten Modulationsbereich oder im dritten Modulationsbereich deutlich länger ausfallen als beim Betreiben des Brenners im ersten Modulationsbereich.
  • Beispielsweise kann es bei einem bestimmten Gerätetyp eines Wärmeerzeugers der Fall sein, dass eine Leistung von 50% (erster Modulationsbereich) besonders schädlich für die Lebensdauer der lonisationselektrode ist. Eine Leistung von 40% (zweiter Modulationsbereich) bzw. 60% hat sich für den Gerätetyp jedoch als weniger schädlich erwiesen. Die Prozentangaben beziehen sich hierbei auf Prozent der Maximalleistung. Wird eine Leistungsabgabe von 50% angefordert kann der Wärmeerzeuger abwechselnd bei 40% und 60% betrieben werden, so dass sich im zeitlichen Mittel eine Leistungsabgabe von 50% ergibt, ohne dass der Brenner tatsächlich bei 50% betrieben wird.
  • Ein Dauerbetrieb im für die Lebensdauer der lonisationselektrode schädlichen ersten Modulationsbereich wird bei diesem Verfahren vermieden. Stattdessen wird der Brenner abwechselnd bzw. gepulst im zweiten und dritten Modulationsbereich betrieben, die jeweils weniger schädlich für die Lebensdauer der lonisationselektrode des betreffenden Gerätetyps sind. In der Folge wird die Lebensdauer der lonisationselektrode im Vergleich zu einem Betrieb im ersten Modulationsbereich verlängert.
  • Die oben genannten Leistungswerte sind beispielhaft und können sich zwischen verschiedenen Wärmeerzeugern (Gerätetypen) deutlich voneinander unterscheiden. Für einen Wärmeerzeuger eines anderen Gerätetyps können beispielsweise Teillastbereiche (Modulationsbereiche) von 20% bis 60% Leistung, insbesondere 30% bis 40% Leistung besonders schädlich für die Lebensdauer der lonisationselektrode sein. Entsprechend können Teillastbereiche von 5% bis 10% bzw. 70% bis 90% weniger schädlich sein. Um eine Leistungsabgabe im schädlichen Teillastbereich zu erreichen, kann der Wärmeerzeuger entsprechend in den unschädlichen Teillastbereichen (zweiter und dritter Modulationsbereich) gepulst betrieben werden, so dass im zeitlichen Mittel eine Leistung des schädlichen Teillastbereichs (erster Modulationsbereich) erreicht wird.
  • Um für jeden in der Heizungsanlage verwendeten Gerätetyp relevante Daten bereitzustellen, können Werte für den ersten, zweiten und dritten Modulationsbereich jeweils in einer Tabelle gespeichert sein. Insbesondere kann die Tabelle auch entsprechende Regelparameter für den ersten, zweiten und dritten Modulationsbereich enthalten. Somit kann die Datenverarbeitungsvorrichtung auch ohne erneutes Durchführen aufwändiger Rechenvorgänge die entsprechenden Regelparameter bereitstellen, wenn erkannt wird, dass der erste Grenzwert für die Lebensdauer der lonisationselektrode unterschritten werden könnte.
  • Wie oben beispielhaft beschrieben kann die Recheneinrichtung die korrigierten Regelparameter derart bestimmen, dass der Brenner abwechselnd im zweiten Modulationsbereich und im dritten Modulationsbereich betrieben wird, so dass der Brenner im zeitlichen Mittel, die Leistung des ersten Modulationsbereichs abgibt.
  • Statistische Auswertungen haben gezeigt, dass eine lonisationselektrode eine bestimmte akkumulierte Verweilzeit in Bereichen hoher thermischer Belastung aushält. Entsprechend dem von der Nutzung abhängigen Betriebsverhalten eines Wärmeerzeugers kann abgeschätzt werden, wann diese akkumulierte Verweilzeit erreicht wird. Somit kann in Abhängigkeit der Nutzung ermittelt werden, wie lange eine Restlebensdauer der lonisationselektrode des Wärmeerzeugers voraussichtlich ist.
  • Beispielsweise kann anhand von Messwerten einer Vielzahl von Wärmeerzeugern erkannt werden, dass lonisationselektrode eines bestimmten Gerätetyps frühzeitig ausfallen, wenn hohe akkumulierte Verweilzeiten in einem bestimmten Modulationsbereich erreicht werden. Dieser besonders schädliche Modulationsbereich kann somit als "erster Modulationsbereich" identifiziert werden und mittels eines regelungstechnischen Eingriffs, also durch bestimmen korrigierter Regelparameter, im weiteren Betrieb des Wärmeerzeugers vermieden werden.
  • Durch bestimmen neuer, korrigierter Regelparameter kann das Betriebsverhalten des Wärmeerzeugers verändert werden. Dieser regelungstechnische Eingriff kann insbesondere dazu genutzt werden, um die Restlebensdauer der lonisationselektrode des Wärmeerzeugers zu erhöhen, zum Beispiel um sicherzustellen, dass ein Wartungstermin ohne Ausfall der lonisationselektrode erreicht wird. Hierbei kann ein zweiter Grenzwert festgelegt werden, der eine kleinste Restlebensdauer der lonisationselektrode angibt. Die korrigierten Regelparameter können dann insbesondere so bestimmt werden, dass die berechnete Restlebensdauer der lonisationselektrode mindestens dem zweiten Grenzwert entspricht. Der zweite Grenzwert kann in Abhängigkeit eines vorgegebenen Wartungsintervalls bestimmt werden und beispielsweise einer verbleibenden Restzeit des Wartungsintervalls entsprechen.
  • Die oben beschriebene Heizungsanlage und das von der Heizungsanlage ausgeführte Verfahren können somit in vorteilhafter Weise sicherstellen, dass ein frühzeitiger Austausch einer lonisationselektrode vermieden wird, bzw. dass eine Degradation der lonisationselektrode so verringert wird, dass die lonisationselektrode über ein festgelegtes Wartungsintervall fehlerfrei funktioniert.
    • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.
  • Es zeigen schematisch:
    • Figur 1 illustriert eine Heizungsanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • Figur 3 illustriert eine Zuverlässigkeitsfunktion.
    • Figur 4 zeigt ein exemplarisches Kennfeld der Elektrodenschädigung über die Betriebszeit.
    AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG ANHAND VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
  • Fig. 1 illustriert ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage 1 mit einem Wärmeerzeuger 2, der beispielsweise in einem Gebäude angeordnet ist, und einer Datenverarbeitungsvorrichtung 20, die über ein Netzwerk 40 kommunikativ mit einer Regeleinrichtung 10 des Wärmeerzeugers 2 verbunden ist.
  • In Fig. 1 ist beispielhaft nur ein Wärmeerzeuger 2 dargestellt. Eine erfindungsgemäße Heizungsanlage 1 kann jedoch eine Vielzahl gleichartiger und/oder verschiedenartiger Wärmeerzeuger 2 umfassen, die jeweils kommunikativ über das Netzwerk 40 mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 20 verbunden sind und über das Netzwerk 40 Daten mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 20 austauschen. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf nur einem Wärmeerzeuger 2 und kann entsprechend auf eine Heizungsanlage 1 mit einer Vielzahl von Wärmeerzeugern 2 übertragen werden.
  • Die Datenverarbeitungsvorrichtung 20 umfasst eine Speichereinrichtung 21 zum Speichern von Daten und eine Recheneinrichtung 22 zum Durchführen von Verfahren zum Verarbeiten von Daten, insbesondere von Messwerten, die vom Wärmeerzeuger 2 empfangen werden.
  • Die Datenverarbeitungsvorrichtung 20 ist beispielsweise ein an das Netzwerk 40 angeschlossener Server. Anstelle der Speichereinrichtung 21 oder zusätzlich zur Speichereinrichtung 21 kann ein ans Netzwerk 40 angeschlossener Cloudspeicher 30 zum Speichern der Daten verwendet werden. Als Netzwerk 40 kann beispielsweise das Internet verwendet werden.
  • Der Vorteil einer über das Internet angebundene Datenverarbeitungsvorrichtung ist, dass Daten einer Vielzahl von Wärmeerzeugern, die sich geographischer entfernt voneinander (z.B. in unterschiedlichen Gebäuden) befinden können, empfangen, gespeichert und verarbeitet werden können. Hierbei kann es sich um eine Vielzahl baugleicher oder verschiedener Wärmeerzeuger handeln. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, Daten einer Vielzahl baugleicher oder bauähnlicher Wärmeerzeuger auszuwerten, die insbesondere baugleiche lonisationselektroden aufweisen, um für eine bestimmte Bauart von lonisationselektrode eine spezifische statistische Auswertung empfangener und gespeicherter Messwerte durchzuführen.
  • Der Wärmeerzeuger 2 umfasst einen Brenner 3 und eine Regeleinrichtung 10 zum Regeln eines Betriebszustands des Wärmeerzeugers 2 bzw. des Brenners 3. Der Brenner 3 weist eine Zündelektrode 4 zum Zünden eines Brennvorgangs in einem Brennraum des Brenners 3 auf. Eine lonisationselektrode 5 zum Messen eines lonisationsstroms ist in einer Reaktionszone des Brenners 3 angeordnet. Der Brenner 3 weist ferner einen Wärmetauscher 7 zum Übertragen der vom Brenner 3 erzeugten Wärme auf das Wärmeträgermedium auf.
  • Im Brennraum des Brenners 3 ist ein Flammkörper 8 angeordnet, aus dem ein Gas bzw. ein Gas-Luft-Gemisch in einen Brennraum, der den Flammkörper 8 umgibt, austritt. Nach Zünden des Gas-Luft-Gemischs mittels der Zündelektrode 4 bildet sich in der Reaktionszone um den Flammkörper 8 eine Flamme.
  • Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Ausführungsbespiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Heizungsanlage 1 illustriert. Der Block mit dem Bezugszeichen 2 bezieht sich auf den Wärmeerzeuger 2. Wenn dieser eine Anweisung zum Starten erhält, wird Brenner 2 mittels der Zündelektrode 4 gezündet.
  • Während des Betriebs des Wärmeerzeugers 2 werden Regelparameter und Messwerte P1 lokal von der Regeleinrichtung 10 gespeichert. Hierzu gehören insbesondere Betriebszeiten des Brenners 3, eine vorgegebene Leistung des Brenners 3, ein Zündzeitpunkt des Brenners 3 und der von der lonisationselektrode 5 gemessene lonisationsstrom.
  • Im Schritt S1 führt die Regeleinrichtung 10 eine Verarbeitung der Messwerte (z.B. Zündzeiten und Ionisationsströme) und der Stellgrößen (z.B. Modulation) durch. Der Schritt S1 stellt insbesondere eine reine Aufbereitung der internen analogen Messgrößen in digital zu übermittelnde logische Größen dar.
  • In Schritt S2 überträgt die Regeleinrichtung 10 die verarbeiteten Messwerte P1, wie beispielsweise Zündzeiten (die z.B. mittels Erkennung über eine lonisationsstrommessung bestimmt werden), lonisationsströme sowie die aktuelle Ist-Modulation, über den Betriebszustand des Wärmeerzeugers 2 bzw. des Brenners 3 an die Datenverarbeitungsvorrichtung 20. Für die Kommunikation mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 20 weist die Regeleinrichtung 10 eine Schnittstelle auf, über die der Wärmeerzeuger 2 mit dem Internet 40 verbunden ist. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 20 speichert die empfangenen Messwerte P1 in einer Speichereinrichtung 21 bzw. in einem Cloudspeicher 30.
  • In Schritt S3 führt die Recheneinrichtung 22 der Datenverarbeitungsvorrichtung 20 eine Datenverarbeitung der empfangenen und gespeicherten Messwerte durch, um beispielsweise eine verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode 5 zu berechnen. Bei der Datenverarbeitung kann die Recheneinrichtung 22 auch zuvor gespeicherte bzw. verarbeitete Daten P2 verwenden. Beispielsweise werden die empfangenen Messwerte P1 unter Verwendung eines angelernten Datenfelds mit historischen Felddaten ausgewertet. Zusätzlich oder alternativ kann beispielsweise eine Zuverlässigkeitsfunktion zum Verarbeiten der Daten in Schritt S2 verwendet werden. Die Zuverlässigkeitsfunktion wird weiter unten anhand von Fig. 3 näher beschrieben.
  • Die historischen Felddaten, die Zuverlässigkeitsfunktion, Simulationsdaten oder andere von der Recheneinrichtung 22 der Datenverarbeitungsvorrichtung 20 zum Verarbeiten der Daten P1 verwendeten Daten werden in Fig. 2 zusammenfassend als P2 bezeichnet.
  • Das Ergebnis der Datenverarbeitung in S2 wird als P3 bezeichnet und kann beispielsweise eine berechnete verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode 5 und/oder einen Schädigungsindex der lonisationselektrode 5 umfassen. Diese Werte können in der Speichereinrichtung 21 bzw. im Cloudspeicher 30 gespeichert werden.
  • In Schritt S4 wird ein Vergleich der Restlebensdauer der lonisationselektrode 5 mit einem ersten Grenzwert durchgeführt. Falls die berechnete verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode 5 gleich groß wie oder kleiner als der erste Grenzwert ist (JA) wird in Schritt S5 ein korrigierter Satz Regelparameter bestimmt und an die Regeleinrichtung 10 übertragen.
  • Ist die berechnete verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode 5 gleich größer als der erste Grenzwert (NEIN) endet das Verfahren, ohne dass neue Regelparameter bestimmt werden, bzw. der Betrieb des Wärmeerzeugers 2 wird mit den alten Regelparametern fortgesetzt, solange der erste Grenzwert nicht unterschritten wird.
  • Im Folgenden wird die Zuverlässigkeitsfunktion anhand von Fig. 3 näher beschrieben. Die Zuverlässigkeitsfunktion gibt eine Wahrscheinlichkeit an, dass die lonisationselektrode 5 während einer definierten Zeitdauer unter vorgegebenen Betriebsbedingungen nicht ausfällt. Die Betriebsbedingungen können beispielsweise Betriebsparameter des Brenners 3 und Umgebungsbedingungen umfassen, wie zum Beispiel die Brennergeometrie, Abstand der lonisationselektrode 5 vom Flammkörper 8, Abmessungen der lonisationselektrode 5 und Materialeigenschaften der lonisationselektrode 5.
  • Die dargestellte Kurve f(t) wird als Ausfalldichtefunktion bezeichnet und kann beispielsweise eine normalisierte Gauß-Verteilung sein, die eine Verteilung der Ausfälle in Abhängigkeit einer Betriebszeit t angibt. Normalisiert bedeutet, dass die Fläche unter der Kurve f(t) gleich 1 ist. Durch Integrieren der Ausfalldichtefunktion f(t) bis zu einem bestimmten Zeitpunkt tx kann die Ausfallwahrscheinlichkeit F(tx) für den Zeitpunkt tx berechnet werden, die der Fläche unter der Kurve f(t) links der gestrichelten Linie am Zeitpunkt tx entspricht. Die Überlebenswahrscheinlichkeit für den Zeitpunkt tx R(tx) ergibt sich dann als R(tx) = 1 - F(tx). Die Fläche rechts der gestrichelten Linie am Zeitpunkt tx ist dann entsprechend R(tx). Ferner kann eine Ausfallrate λ(t) = f(t)/R(t) definiert werden, die ebenfalls in Fig. 3 dargestellt ist.
  • Die Kurve f(t) kann insbesondere durch statistisches Auswerten einer Vielzahl von Messwerten über viele Betriebsstunden ermittelt werden. Dabei können insbesondere Messwerte einer Vielzahl gleichartiger Gerätetypen von Wärmeerzeugern herangezogen werden.
  • Fig. 4 zeigt ein exemplarisches Kennfeld der Elektrodenschädigung über die Betriebszeit. Aus Versuchen, Simulationen sowie einer kontinuierlichen Auswertung von Betriebsprofilen einer Vielzahl von Wärmeerzeugern in Kombination mit festgestellten Schadens- bzw. Verschleißereignissen (Degradation) lassen sich für Komponenten der Wärmeerzeuger (hier insbesondere die lonisationselektrode) Schädigungseinflüsse bestimmen und mit einer dazugehörigen Zuverlässigkeitfunktion (Überlebenswahrscheinlichkeit) R(t) verknüpfen. Ein Betriebsprofil wird insbesondere durch Messwerte bzw. Betriebsparameter wie Modulationsgrad, Abgastemperatur, Betriebsdauer usw. beschrieben. Je nachdem, in welche Klasse oder Kategorie von Schädigungseinflüssen ein einzelner Wärmeerzeuger in Abhängigkeit seines Betriebsprofils fällt, kann über das global erzeugte Kennfeld in Abhängigkeit seiner Betriebsdauer (Betriebszeit) eine Überlebenswahrscheinlichkeit bzw. Zuverlässigkeit bestimmt werden. Die Klasse oder Kategorie von Schädigungseinflüssen beschreibt welche Schädigung in Abhängigkeit des Betriebes auf die lonisationselektroden bzw. andere Bauteile einwirken kann und bezieht sich auf die Achse "Schädigungsindex" in Fig. 4.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims (8)

  1. Heizungsanlage (1) umfassend:
    einen Wärmeerzeuger (2) zum Erhitzen eines Wärmeträgermediums, umfassend:
    einen Brenner (3);
    eine im Brenner (3) angeordnete Zündelektrode (4);
    eine im Brenner (3) angeordnete lonisationselektrode (5) zum Messen eines lonisationsstroms in einer Reaktionszone (6) des Brenners (3);
    einen Wärmetauscher (7) zum Übertragen der vom Brenner (3) erzeugten Wärme auf das Wärmeträgermedium; und
    eine Regeleinrichtung (10) zum Regeln eines Betriebszustands des Wärmeerzeugers (2) in Abhängigkeit von Regelparametern (Pa); und
    eine kommunikativ mit der Regeleinrichtung (10) verbundene Datenverarbeitungsvorrichtung (20) mit einer Speichereinrichtung (21) zum Speichern von Daten und einer Recheneinrichtung (22) zum Verarbeiten von Daten, wobei:
    die Regeleinrichtung (10) konfiguriert ist:
    regelmäßig eine Vielzahl von Messwerten über den Betriebszustand des Wärmeerzeugers (2) an die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) zu übertragen, und
    Regelparameter (Pa) zum Regeln des Wärmeerzeugers (2) von der Datenverarbeitungsvorrichtung (20) zu empfangen;
    die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) konfiguriert ist:
    die von der Regeleinrichtung (10) empfangenen Messwerte in der Speichereinrichtung (21) zu speichern,
    in Abhängigkeit der gespeicherten Messwerte eine verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode (5) zu berechnen, und
    falls die berechnete verbleibende Lebensdauer gleich groß wie oder kleiner als ein erster Grenzwert ist, einen korrigierten Satz Regelparameter (Pa) zu bestimmen und an die Regeleinrichtung (10) zu übertragen,
    dadurch gekennzeichnet dass die Recheneinrichtung (22) konfiguriert ist:
    die verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode (5) in Abhängigkeit akkumulierter Verweildauern in einer Vielzahl festgelegter Modulationsbereiche des Brenners (3) zu berechnen, wobei jeder Modulationsbereich einer Leistung des Brenners (3) entspricht.
  2. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 1, wobei die Regeleinrichtung (10) konfiguriert ist, mindestens die folgenden Messwerte über den Betriebszustand des Wärmeerzeugers (2) zusammen mit einem jeweiligen Zeitpunkt der Messung regelmäßig an die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) zu übertragen:
    Betriebszeiten des Brenners (3) und/oder
    eine Leistung des Brenners (3) und/oder
    Zündzeiten des Brenners (3) und/oder
    den lonisationsstrom.
  3. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 1, wobei die Recheneinrichtung (22) konfiguriert ist:
    einen ersten Modulationsbereich aus der Vielzahl festgelegter Modulationsbereiche zu bestimmen, bei dem die berechnete verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode (5) minimal wird; und
    den korrigierten Satz Regelparameter (Pa) derart zu bestimmen, dass ein Betrieb des Brenners (3) im ersten Modulationsbereich vermieden wird.
  4. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 3, wobei die Recheneinrichtung (22) konfiguriert ist:
    einen zweiten und einen dritten Modulationsbereich aus der Vielzahl festgelegter Modulationsbereiche zu bestimmen, so dass sich die Leistung des ersten Modulationsbereichs als gewichtetes Mittel aus der Leistung des zweiten Modulationsbereichs und des dritten Modulationsbereichs ergibt; und
    den korrigierten Satz Regelparameter (Pa) derart zu bestimmen, dass der Brenner (3) abwechselnd für eine erste Zeitdauer im zweiten Modulationsbereich und für eine zweite Zeitdauer im dritten Modulationsbereich betrieben wird, so dass der Brenner (3) im zeitlichen Mittel, die Leistung des ersten Modulationsbereichs abgibt,
    wobei die erste Zeitdauer und die zweite Zeitdauer die Gewichte beim Bestimmen des gewichteten Mittels sind.
  5. Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage (1) mit
    einem Wärmeerzeuger (2) zum Erhitzen eines Wärmeträgermediums;
    einer Regeleinrichtung (10) zum Regeln eines Betriebszustands des Wärmeerzeugers (2) in Abhängigkeit von Regelparametern (Pa); und
    einer kommunikativ mit der Regeleinrichtung (10) verbundenen Datenverarbeitungsvorrichtung (20) mit einer Speichereinrichtung (21) zum Speichern von Daten und einer Recheneinrichtung (22) zum Verarbeiten von Daten,
    wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
    Zünden eines Brennvorgans im Brenner (3) des Wärmeerzeugers (2) mittels einer im Brenner (3) angeordneten Zündelektrode (4);
    Betreiben des Brenners (3) bei einer festgelegten Leistung, wobei die vom Brenner (3) erzeugte Wärme über einen Wärmetauscher auf das Wärmeträgermedium übertragen wird;
    Messen eines lonisationsstroms in einer Reaktionszone (6) des Brenners (3) mit einer lonisationselektrode (5);
    regelmäßiges Übertragen einer Vielzahl von Messwerten über den Betriebszustand des Wärmeerzeugers (2) von der Regeleinrichtung (10) an die Datenverarbeitungsvorrichtung (20);
    Übertragen von Regelparametern (Pa) zum Regeln des Wärmeerzeugers (4) von der Datenverarbeitungsvorrichtung (20) an die Regeleinrichtung (10);
    Speichern der von der Regeleinrichtung (10) übertragenen Messwerte in der Speichereinrichtung (21);
    Berechnen einer verbleibenden Lebensdauer der lonisationselektrode (5) in Abhängigkeit der gespeicherten Messwerte durch eine Recheneinrichtung (22) der Datenverarbeitungsvorrichtung (20); und
    falls die berechnete verbleibende Lebensdauer gleich groß wie oder kleiner als ein erster Grenzwert ist, Bestimmen und Übertragen eines korrigierten Satzes Regelparameter (Pa) durch die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) an die Regeleinrichtung (10),
    dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsvorrichtung (20):
    die verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode (5) in Abhängigkeit akkumulierter Verweildauern in einer Vielzahl festgelegter Modulationsbereiche des Brenners (3) berechnet, wobei jeder Modulationsbereich einer Leistung des Brenners (3) entspricht.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Regeleinrichtung (10) mindestens die folgenden Messwerte über den Betriebszustand des Wärmeerzeugers (2) zusammen mit einem jeweiligen Zeitpunkt der Messung regelmäßig an die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) überträgt:
    Betriebszeiten des Brenners (3) und/oder
    eine Leistung des Brenners (3) und/oder
    Zündzeiten des Brenners (3) und/oder
    den lonisationsstrom.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (20):
    einen ersten Modulationsbereich aus der Vielzahl festgelegter Modulationsbereiche bestimmt, bei dem die berechnete verbleibende Lebensdauer der lonisationselektrode (5) minimal wird; und
    den korrigierten Satz Regelparameter (Pa) derart bestimmt, dass ein Betrieb des Brenners (3) im ersten Modulationsbereich vermieden wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (20):
    einen zweiten und einen dritten Modulationsbereich aus der Vielzahl festgelegter Modulationsbereiche bestimmt, so dass sich die Leistung des ersten Modulationsbereichs als gewichtetes Mittel aus der Leistung des zweiten Modulationsbereichs und des dritten Modulationsbereichs ergibt; und
    den korrigierten Satz Regelparameter (Pa) derart bestimmt, dass der Brenner (3) abwechselnd für eine erste Zeitdauer im zweiten Modulationsbereich und für eine zweite Zeitdauer im dritten Modulationsbereich betrieben wird, so dass der Brenner (3) im zeitlichen Mittel, die Leistung des ersten Modulationsbereichs abgibt,
    wobei die erste Zeitdauer und die zweite Zeitdauer als Gewichte beim Bestimmen des gewichteten Mittels verwendet werden.
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