EP4036484B1 - Heizungsanlage und verfahren zum betreiben einer heizungsanlage - Google Patents

Heizungsanlage und verfahren zum betreiben einer heizungsanlage Download PDF

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EP4036484B1
EP4036484B1 EP21218460.0A EP21218460A EP4036484B1 EP 4036484 B1 EP4036484 B1 EP 4036484B1 EP 21218460 A EP21218460 A EP 21218460A EP 4036484 B1 EP4036484 B1 EP 4036484B1
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EP
European Patent Office
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heat
secondary circuit
heating system
primary circuit
temperature
Prior art date
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Inventor
Timo Christian Klenke
Tino Gehlert
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Viessmann Climate Solutions SE
Original Assignee
Viessmann Climate Solutions SE
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Publication date
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/002—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system
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    • 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
    • F24D2200/16—Waste heat
    • F24D2200/29—Electrical devices, e.g. computers, servers
    • 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
    • F24D2220/00—Components of central heating installations excluding heat sources
    • F24D2220/04—Sensors
    • F24D2220/042—Temperature sensors

Definitions

  • the present invention relates to a heating system and a method for operating a heating system.
  • the functionality of the heat exchanger can decrease over time, for example due to calcification or contamination, so that heat transfer from the primary circuit to the secondary circuit is reduced.
  • Various methods for detecting reduced functionality of the heat exchanger are known in the prior art.
  • the EP 0 617 239 A2 discloses a hot water storage tank which is coupled to an energy source and a circulation system and/or at least one hot water consumer, and a method for monitoring the contamination and/or calcification state of heat exchangers in heating or cooling systems.
  • the EN 10 2016 225 528 A1 describes a method for monitoring a fouling condition of a heat exchanger through which a fluid flows.
  • the EP 2 908 059 A1 a method for diagnosing a heating system with a heat exchanger, wherein the condition of the heat exchanger is determined by determining a heat transfer coefficient of the heat exchanger in order to be able to obtain a statement about the performance status of the heat exchanger.
  • a message is issued if the number of cases in which the heat transfer coefficient reaches a threshold value exceeds a limit value. This makes it possible to detect a reduced functionality of the heat exchanger due to contamination.
  • the present invention is based on the object of overcoming the problems known in the prior art and providing a heating system that is improved compared to the prior art.
  • the object is achieved by a heating system according to claim 1 and a method for operating a heating system according to claim 6.
  • the object of the invention is to optimize a heating system or a method for operating a heating system in such a way that the disadvantages described above no longer occur.
  • soiling or calcification of a heat exchanger should be avoided or reduced.
  • the operation of the heating system should be adjusted in such a way that a possible reduction in the performance of the heating system is reduced.
  • a heating system comprises at least one heat generator, which is arranged in a primary circuit of the heating system and transfers heat to a fluid heat transfer medium circulating in the primary circuit.
  • the primary circuit with the at least one heat generator is also referred to as the generator circuit of the heating system.
  • the heating system described here is in particular a heating system for a building. In a similar way, the invention can also be applied to a heating system for a vehicle.
  • the heat generator can be any heat generator, in particular a gas boiler, an oil boiler, a condensing boiler, a biomass boiler, a heat pump, a combined heat and power plant (CHP) or another heat generator for heating a fluid heat transfer medium.
  • a gas boiler an oil boiler, a condensing boiler, a biomass boiler, a heat pump, a combined heat and power plant (CHP) or another heat generator for heating a fluid heat transfer medium.
  • two or more different heat generators can be provided in the primary circuit of the heating system. If the two or more heat generators use different energy sources (e.g. gas, oil, biomass, sun, geothermal energy, etc.) to heat a heat transfer medium, the heating system can also be called a multivalent heating system.
  • the heating system can be configured to provide other forms of energy in addition to heat, such as cooling and/or electrical energy.
  • the heating system can in particular be a heating, ventilation and air conditioning system (HVAC).
  • HVAC heating, ventilation and air conditioning system
  • a heat exchanger in the heating system couples a flow of the primary circuit with a flow of a secondary circuit in the heating system, in which a fluid heat transfer medium circulates, and a return of the secondary circuit with a return of the primary circuit, so that heat is transferred from the primary circuit to the secondary circuit.
  • the heat transfer medium of the primary circuit and the heat transfer medium of the secondary circuit flow through the heat exchanger.
  • the heat exchanger is also referred to as a heat exchanger.
  • a separating heat exchanger or a plate heat exchanger can be used as a heat exchanger.
  • At least one heat accumulator can be arranged in the secondary circuit of the heating system and can draw and store heat from the fluid heat transfer medium circulating in the secondary circuit.
  • the heat accumulator can generally be regarded as a heat consumer.
  • other consumers such as radiators can be arranged in the secondary circuit.
  • the secondary circuit is therefore also referred to as the consumer circuit.
  • the fluid heat transfer medium is used to transport the heat.
  • a gas or a liquid is used as the heat transfer medium, especially water.
  • the primary circuit and the secondary circuit can each use water as the heat transfer medium.
  • the heat exchanger decouples the mass flow (or volume flow) of the heat transfer medium in the primary circuit from the mass flow (or volume flow) of the heat transfer medium in the secondary circuit.
  • a first temperature sensor is arranged in the flow direction of the fluid heat transfer medium in front of the heat exchanger in the flow of the primary circuit and measures a first temperature of the fluid heat transfer medium in the primary circuit.
  • This first temperature is also referred to as the flow temperature or boiler temperature in the primary circuit.
  • the first temperature sensor measures the temperature at which the heat transfer medium is provided by the at least one heat generator.
  • a second temperature sensor is arranged in the secondary circuit, for example in the heat accumulator (if present) or in the flow of the secondary circuit, and measures a second temperature of the fluid heat transfer medium in the secondary circuit.
  • the second temperature can be a flow temperature of the secondary circuit or a storage temperature, each of which is suitable for determining the heat transfer from the primary circuit to the secondary circuit.
  • the flow temperature of the secondary circuit is also referred to as the outlet temperature of the heat exchanger.
  • the arrangement of the second temperature sensor is not limited to the flow or the heat accumulator.
  • the second temperature sensor can also be arranged in the return of the secondary circuit.
  • the heating system further comprises a control device for controlling an operating state of the at least one heat generator depending on control parameters. If several heat generators are present, the control device can control the respective operating states of the several heat generators. For example, a power (modulation) of the at least one heat generator can be controlled via the control device. In particular, the control device controls the power of the at least one heat generator depending on a deviation between a predetermined Flow temperature setpoint and the measured flow temperature in the primary circuit. Furthermore, a switching time for the at least one heat generator can be specified by means of the control device, preferably depending on a specified time at which the second temperature should reach a specified setpoint. The specified setpoint of the second temperature can be a storage tank setpoint temperature or a flow setpoint temperature in the secondary circuit.
  • the heating system comprises a data processing device which is communicatively connected to the control device and has a storage device for storing data and a computing device for processing data.
  • a data processing device which is communicatively connected to the control device and has a storage device for storing data and a computing device for processing data.
  • the computing device, the storage device and the computing device each have suitable network interfaces.
  • the data processing device can be located locally, for example in the same building as the heating system, or geographically remote.
  • the data processing device or the computing device can be a server, a computing cluster or the like connected to the control device via the Internet or another network (e.g. a "local area network", LAN or a "wide area network", WAN).
  • the storage device can be a local memory of the data processing device.
  • the storage device can be implemented, for example, as cloud storage or network storage.
  • the cloud storage or network storage can be communicatively connected to the data processing device, in particular to the computing device, and the control device of the heating system or several control devices of a plurality of heating systems via the Internet or the other network.
  • the data exchange between the control device and the data processing device (computing device and storage device) can be carried out via the respective network.
  • the individual components have corresponding interfaces for this purpose.
  • the advantage of a data processing device connected via the Internet is that data from a large number of heating systems that may be geographically distant from one another (e.g. in different buildings) can be received, stored and processed. This may involve a large number of similar or different heating systems with identical, similar or different heat exchangers. In particular, it may be advantageous to evaluate data from a large number of identical or similar heating systems that in particular have identical or similar heat exchangers in order to carry out a specific statistical evaluation of received and stored temperature measurements for a certain type of heat exchanger.
  • a further advantage of the data processing device connected via the network is that a central evaluation of the data from the heating system can be carried out, regardless of how many heating systems are connected to the data processing device.
  • the control device is configured to regularly transmit a large number of measured values, in particular temperature measured values, to the data processing device.
  • mass flows or volume flows of the heat transfer medium in the primary circuit and/or in the secondary circuit can also be measured and transmitted.
  • the control device transmits, for example, several times per second, several times per minute, several times per hour or several times per day, a large number of measured values about the operating state of the heating system to the data processing device. In this way, a large number of measured values can be generated and a temporal progression of the operating state of the heating system can be monitored and/or evaluated based on the measured values.
  • the control device is configured to receive control parameters for controlling the at least one heat generator from the data processing device.
  • the received control parameters can then be stored locally by the control device and used for further controlling the at least one heat generator. Additionally or alternatively, the control device can also access locally stored control parameters, for example if communication with the data processing device is (temporarily) 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 is configured to store the measured values received from the control device in the storage device or in the cloud storage.
  • the received measured values can thus be made available at any time for further processing by the computing device.
  • the computing device of the data processing device is configured to calculate a degree of contamination of the heat exchanger depending on the stored measured values.
  • the degree of contamination can be derived from the measured values in various ways. The higher the degree of contamination of the heat exchanger, the less heat the heat exchanger can transfer from the primary circuit to the secondary circuit.
  • the heat transfer coefficient of the heat exchanger decreases as the degree of contamination increases.
  • the heat transfer coefficient quantifies the ability of the heat exchanger to transfer heat from the heat transfer medium of the primary circuit to the heat transfer medium of the secondary circuit.
  • the degree of contamination of the heat exchanger therefore has a direct influence on the heat transfer function of the heat exchanger between the primary circuit and the secondary circuit.
  • the higher the degree of contamination the worse the heat exchanger can transfer heat from the heat transfer medium of the primary circuit to the heat transfer medium of the secondary circuit, whereby “poor" heat transfer means that the heat is either transferred more slowly and/or with losses.
  • a certain first temperature therefore results in a lower second temperature, or it takes longer for the second temperature to reach a certain value for a given first temperature.
  • the process of increasing contamination of a heat exchanger is usually slow and takes many months until a significant level of contamination is reached, which represents a significant value for the operation of a heating system.
  • the contamination of the heat exchanger can be caused by dirt particles in the heat transfer medium and/or by calcification, among other things. If no countermeasures are taken, the level of contamination generally increases over time.
  • the degree of contamination can be determined as a function of a heat transfer coefficient of the heat exchanger averaged over a given period of time. This allows temporal fluctuations in the heat transfer coefficient to be averaged out.
  • c is the heat capacity of the fluid heat transfer medium
  • m is the mass or volume flow through the heat exchanger
  • ⁇ T is a heat difference
  • ⁇ T is a time-averaged heat difference
  • A is the free heat transfer area of the heat exchanger.
  • the computer compares the calculated level of contamination with a specified limit value.
  • the limit value can, for example, be set so that, given a certain level of contamination, the time required to heat the heat transfer medium in the secondary circuit to a setpoint or by a specified temperature difference takes longer than a specified period of time.
  • the limit value is set so that when the limit value is reached, control intervention is necessary to avoid a loss of comfort for users of the heating system.
  • the control intervention is carried out by the computing device determining a corrected set of control parameters and transmitting the set of corrected control parameters to the control device if the calculated degree of contamination is equal to or greater than the specified limit value.
  • the corrected control parameters can be used to adjust the operating state of the at least one heat generator depending on the degree of contamination of the heat exchanger.
  • the adjusted operating state can be selected so that a further increase in the degree of contamination is prevented or at least minimized, for example by reducing the flow temperature in the primary circuit.
  • a loading period of the heat storage unit can be extended. This means that an expected period required to load the heat storage unit with a certain amount of heat is extended. This can be achieved, for example, by starting a heating process earlier.
  • control device is configured to regularly transmit at least one of the following measured values together with a respective time of measurement to the data processing device: the first temperature in the flow of the primary circuit; the second temperature in the heat storage tank or in the flow of the secondary circuit; a volume flow of the heat transfer medium in the primary circuit; a volume flow of the heat transfer medium in the secondary circuit; an output of the heat generator; and/or switching times of the heat generator.
  • a preferred heating system has a flow sensor arranged in the primary circuit or in the secondary circuit.
  • the computing device of the data processing device can preferably be configured to calculate the degree of contamination of the heat exchanger depending on a local water hardness.
  • the local water hardness can be measured by sensors, for example, or specified by a user. Information about the water hardness can be provided in particular by the local water supplier, for example via an interface directly to the data processing device. The higher the water hardness of the heat transfer medium, the more likely it is that the heat exchanger will become calcified.
  • the data processing device is configured to calculate the degree of contamination of the heat exchanger as a function of a temporal change in a characteristic variable of the heat exchanger, wherein the characteristic variable is calculated from the stored measured values.
  • the characteristic variable describes, for example, a difference between a temperature in the primary circuit and a temperature in the secondary circuit.
  • the characteristic variable quantifies the ability of the heat exchanger to transfer heat from the primary circuit to the secondary circuit.
  • the characteristic variable can depend on a temporally variable difference between the first temperature and the second temperature.
  • the characteristic quantity can in particular be a time-dependent quantity and can be defined, for example, as a function of a time derivative of the heat transfer from the primary circuit to the secondary circuit.
  • the characteristic quantity can be determined by comparing the energy used in the primary circuit with a detected increase in energy in the secondary circuit over a specified period of time with the operating parameters of the heating system remaining the same. Possible parameter variations can be compensated for by means of a long-term observation.
  • the characteristic quantity for example during charging of the heat storage tank, can be defined as the quotient of the temperature difference between the first and second temperatures and the first temperature, with the second temperature preferably being measured in the heat storage tank.
  • the characteristic quantity can be defined as a time-averaged temperature difference between the first temperature in the primary circuit and the second temperature in the secondary circuit.
  • the temperature difference between the primary circuit and the secondary circuit is first averaged over a heating process.
  • the temporal change in the characteristic quantity is considered over a longer period of time, for example over several months or a year.
  • the time-averaged temperature difference can differ significantly from one another in two different charging cycles depending on the charging cycle or heat extraction in the heating circuit.
  • the temporal change in the characteristic quantity over a long period of time can therefore preferably be decisive for detecting contamination of the heat exchanger.
  • a historical history of this data can be accumulated. This data is therefore also referred to as "historical" data, values, processes and the like.
  • a comparison of operating parameters or the characteristic variable with historical operating parameters or historical values of the characteristic variable can be carried out in order to detect a deviation or change.
  • it can be taken into account that the historical processes were carried out under comparable or as similar as possible boundary conditions and/or loading conditions of the storage.
  • the characteristic value can be defined as the duration of a storage charging process.
  • This storage charging time can, for example, be of different lengths for two different charging cycles. This can depend, for example, on a water withdrawal.
  • the characteristic quantity can be defined as the time-averaged energy expenditure for increasing a storage temperature in the heat storage tank by 1 Kelvin. Accordingly, the characteristic quantity can depend on the performance of the heat generator. If the heat generator is a heat pump, the characteristic quantity can also depend on a COP value ("Coefficient of Performance" or efficiency of the heat pump) and a running time of the heat pump.
  • the characteristic variable can be the time-averaged number of starts of the heat generator until a target temperature is reached.
  • the target temperature is in particular a target storage temperature in the heat storage tank.
  • the control parameters include a target flow temperature in the primary circuit and/or specified switch-on times of the heat generator.
  • the switch-on times of the heat generator can be determined depending on a characteristic size of the heat exchanger. For example, if it is determined that the heat exchanger has a high characteristic size, the switching times can be adjusted so that a user of the heating system is not affected by the increased characteristic size.
  • a heating process can be started earlier (earlier switch-on time of the heat generator) so that a predetermined target flow temperature in the primary circuit (first temperature) and/or a predetermined storage temperature (second temperature) is reached at a predetermined time even with a slower heat transfer due to the higher characteristic size of the heat exchanger.
  • a method for operating a heating system comprises one or more of the steps described below.
  • At least one heat generator When operating the heating system, at least one heat generator is operated, which is arranged in a primary circuit of the heating system and transfers heat to a fluid heat transfer medium circulating in the primary circuit
  • At least one heat storage unit is operated, which is arranged in a secondary circuit of the heating system and draws and stores heat from a fluid heat transfer medium circulating in the secondary circuit.
  • a flow of the primary circuit is coupled with a flow of the secondary circuit and a return of the secondary circuit is coupled with a return of the primary circuit by means of a heat exchanger, so that heat is transferred from the primary circuit to the secondary circuit.
  • a first temperature of the fluid heat transfer medium in the primary circuit is measured by means of a first temperature sensor which is arranged in the flow direction of the fluid heat transfer medium in front of the heat exchanger in the flow line of the primary circuit.
  • a second temperature of the fluid heat transfer medium in the secondary circuit is measured by means of a second temperature sensor which is arranged in the heat storage tank or in the flow of the secondary circuit.
  • At least one heat generator is controlled by means of a control device depending on control parameters.
  • a large number of measured values are regularly transmitted from the control device to a data processing device.
  • control parameters for controlling the heat generator can be transmitted from the data processing device to the control device.
  • the measured values transmitted from the control device to the data processing device are stored in a storage device of the data processing device.
  • a computing device of the data processing device calculates a degree of contamination of the heat exchanger depending on the stored measured values.
  • the computing device of the data processing device determines a corrected set of control parameters which can be transmitted to the control device in a further step.
  • At least one of the following measured values can be regularly transmitted to the data processing device together with a respective time of measurement: the first temperature in the flow of the primary circuit, the second temperature in the heat accumulator or in the flow of the secondary circuit, a volume flow in the secondary circuit which is measured with a flow sensor arranged in the secondary circuit, an output of the heat generator, switching times of the heat generator.
  • the computing device of the data processing apparatus can calculate the degree of contamination of the heat exchanger preferably as a function of a local water hardness.
  • the computing device of the data processing device can calculate the degree of contamination of the heat exchanger preferably as a function of a temporal change in a characteristic variable of the heat exchanger, wherein the characteristic variable is calculated from the stored measured values.
  • Increasing calcification or soiling of a heat exchanger can be determined in a preferred embodiment of the invention by analyzing time series. For this purpose, various characteristic operating parameters of the heating system are each plotted as individual data points over time. For example, a loading time of the heat storage tank, an energy requirement to increase the storage tank temperature by 1 Kelvin and/or a number of switching-on processes of the heat generator (burner starts) per storage tank loading can be upgraded. If at least one of the time series exceeds a predetermined deviation between two data points, it can be concluded that there is reduced heat transfer in the heat exchanger, which is usually due to soiling or calcification of the heat exchanger.
  • the stored measured values can also be evaluated in particular by algorithms on a computing cluster, whereby the algorithms have been trained using machine learning based on a large number of field data (for example measured values from a large number of heating systems).
  • the computing cluster can be a preferred embodiment of the computing device or can additionally communicate with the data processing device, the cloud storage and/or the control device via the network.
  • control parameters according to the invention include a flow target temperature in the primary circuit and/or fixed switch-on times of the heat generator.
  • Preferred designs of the heating system or the method for operating the heating system require neither a heat storage unit nor a volume flow sensor.
  • Figure 1 illustrates a heating system according to an embodiment of the invention.
  • Fig.1 illustrates a heating system 1 according to an embodiment of the invention.
  • the heating system 1 is arranged, for example, in a building and comprises a gas condensing boiler as a heat generator 2, which heats a fluid heat transfer medium (eg water).
  • a fluid heat transfer medium eg water
  • the heat transfer medium circulates in a primary circuit P of the heating system 1.
  • the heat is transferred from the primary circuit P (generator circuit) to a secondary circuit S (consumer circuit) via a heat exchanger 4, for example a plate heat exchanger, in which a fluid heat transfer medium (water) also circulates.
  • the heat exchanger 4 couples a flow of the primary circuit P with a flow of the secondary circuit S and a return of the secondary circuit S with a return of the primary circuit P.
  • a heat accumulator 3 is arranged in the secondary circuit S, which draws and stores heat from the heat transfer medium.
  • a flow sensor V2 arranged in the secondary circuit measures a volume flow of the heat transfer medium in the secondary circuit S.
  • a further flow sensor V1 (not shown) can be arranged in the primary circuit P in order to measure a volume flow of the heat transfer medium in the primary circuit P.
  • a first temperature sensor T1 is arranged in the flow direction of the fluid heat transfer medium in front of the heat exchanger 4 in the flow of the primary circuit (P) and measures the flow temperature or boiler temperature of the fluid heat transfer medium as the first temperature measurement value (first temperature) in the primary circuit P.
  • a second temperature sensor T2 is arranged in the heat storage unit 3 and measures a storage temperature of the fluid heat transfer medium as a second temperature measurement value (second temperature) in the secondary circuit S.
  • the second temperature sensor T2 can also be arranged in the flow of the secondary circuit S and accordingly measure a flow temperature in the secondary circuit S.
  • Fig.1 both described measuring positions of the second temperature sensor T2 in the secondary circuit S are shown.
  • the heating system 1 comprises a control device 10 for controlling an operating state of the heat generator 2 depending on control parameters Pa.
  • the control parameters Pa include, for example, a flow target temperature (setpoint of the first temperature) in the primary circuit P, fixed switch-on times of the heat generator, a storage target temperature (setpoint of the second temperature) in the secondary circuit and a maximum output (modulation) of the heat generator 2.
  • the control device 10 reads the measured temperature values from the temperature sensors T1 and T2 as well as the measured volume or
  • the control device 10 can have a storage medium to store the measurement values locally before they are further processed or transmitted.
  • the control device 10 is connected to a network 40 via a suitable interface.
  • the control device 10 can communicate with a data processing device 20 and exchange data via the network 40.
  • the data processing device 20 is also connected to a network 40 via a suitable interface.
  • the data processing device 20 comprises a (local) storage device 21 for storing data and a computing device 22 for processing data.
  • a cloud storage 30 is also connected to the network 40 via a suitable interface and can receive and store data from both the control device 10 and the data processing device 20.
  • the data processing device 20 and the control device 10 can access the cloud storage 30 and retrieve data via the network 40.
  • the control device 10 regularly transmits the plurality of measured values, in particular the temperature measured values of the temperature sensors T1 and T2 as well as the mass or volume flow measured by the volume flow sensor V1 and the mass or volume flow measured by the volume flow sensor V2 to the data processing device 20 or to the cloud storage 30.
  • the data processing device 20 can store the measured values received from the control device 10 in particular in the storage device 21. Additionally or alternatively, the cloud storage 30 can receive and store the transmitted measured values.
  • the measured values can be stored locally before transmission and pre-processed for transmission.
  • the measured values can be supplemented with a time stamp corresponding to the measurement, for example.
  • the data format can be converted and/or the data to be transmitted can be encrypted.
  • the control device 10 can regularly transmit a set output of the heat generator 2 and/or switching times of the heat generator 2 to the data processing device 20 or to the cloud storage 30.
  • the control device 10 can receive control parameters Pa for controlling the heat generator 2 from the data processing device 20.
  • the control device 10 receives corrected control parameters Pa from the computing device 22.
  • the computing device 22 can calculate a degree of contamination of the heat exchanger 4. If the calculated degree of contamination is equal to or greater than a specified limit value, the computing device 22 determines a corrected set of control parameters and transmits this to the control device 10. This allows a control intervention to be carried out which adapts the operating state of the heating system to the calculated degree of contamination of the heat exchanger 4.
  • the heating system 1 can thus detect or predict the degree of contamination of the heat exchanger 4 and ensure user comfort through control interventions.
  • an impairment of the heating output of the heating system 1 can be avoided by adjusting the switching times of the heat generator 2.
  • This automatic adaptive adjustment of the operating state of the heating system can also be carried out on the basis of the average loading time of the heat storage unit 3.
  • the calculation of the modified control parameters Pa by the computing device 22 can be carried out in particular as a function of a characteristic variable of the heat exchanger 4 or as a function of a temporal change in the characteristic variable of the heat exchanger 4.
  • the characteristic variable can be calculated, for example, as a quotient or as a difference between the first temperature and the second temperature.
  • the characteristic variable can be defined as a quotient of the temperature difference between the first and second temperatures and the first temperature, wherein the second temperature is preferably measured in the heat accumulator 3 (storage temperature) and the first temperature is preferably measured in the flow of the primary circuit (boiler temperature).
  • Contamination of the heat exchanger 4 can be detected in particular by a change in the characteristic size over time, whereby measurements are taken over a longer period of time, for example over several months or over a year, in order to avoid seasonal fluctuations. If the heat exchanger 4 becomes increasingly contaminated over a set period of time, for example a year, an increase in the characteristic size is then generally detected.
  • a long-term observation can be carried out over several months or a year in order to detect a temporal change in the characteristic variable that is greater than a specified limit value.
  • the computing device 22 can use machine learning algorithms in particular.
  • the calculation can also take into account information about the water hardness of the region to distinguish between contamination and calcification and for a plausibility check. Furthermore, the temporal The change in the characteristic size of a heat exchanger of a first heating system in region A is compared with the change over time in the characteristic size of a (identical) heat exchanger of a second heating system in region B.
  • the local water hardness can also be taken into account when calculating the remaining expected service life of a heat exchanger. Since the water hardness can vary greatly from region to region, different service lives of heat exchangers are expected for different regions.
  • a control intervention in the operation of the heating system 1 can be carried out via the modified control parameters Pa in order to, for example, predictively prevent further calcification or contamination of the heat exchanger 4.
  • the control parameters Pa can be adjusted by reducing the flow target temperature in the primary circuit.
  • the flow target temperature can be set to 60°C instead of 80°C.
  • a predetermined loading period of the heat storage unit 3 can then be increased accordingly.
  • the characteristic value can be specified as a percentage value, for example. If the characteristic value increases by a certain predetermined limit value, for example by 5%, 10%, 15% or 20%, in a specified period of time, which can be several weeks or months, this can be recognized as a degree of contamination greater than a limit value within the meaning of the invention, so that control intervention can be carried out on the heating system.
  • Calcification or contamination of a heat exchanger can depend on many factors.
  • the present invention makes it possible to detect actual calcification or contamination and the rate of calcification or contamination.
  • a maintenance message can also be issued to a user or operator of the heating system so that the heating system can be serviced in a timely manner.
  • the heating system according to the invention is not limited to the configuration described here.
  • Other preferred embodiments of the heating system according to the invention or of the method according to the invention for operating the heating system can in particular manage without a heat storage device and/or without a volume flow sensor.
  • other types of heat generators than those described here can be used.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizungsanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage.
  • Beim Betreiben einer Heizungsanlage mit einem Wärmetauscher zwischen einem Primärkreis und einem Sekundärkreis kann die Funktionstüchtigkeit des Wärmetauschers mit der Zeit, beispielsweise aufgrund von Verkalkung bzw. Verschmutzung, abnehmen, so dass ein Wärmeübertrag vom Primärkreis in den Sekundärkreis verringert wird. Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Detektieren einer verminderten Funktionstüchtigkeit des Wärmetauschers bekannt.
  • Die EP 0 617 239 A2 offenbart einen Warmwasserspeicher, welcher mit einer Energiequelle und einem Umlaufsystem und/oder wenigstens einem Warmwasserverbraucher gekoppelt ist, und ein Verfahren zur Überwachung des Verschmutzungs- und/oder Verkalkungszustandes von Wärmetauschern in Heiz- oder Kühlanlagen.
  • Die DE 10 2016 225 528 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen eines Verschmutzungszustands eines Wärmetauschers, durch den ein Fluid strömt.
  • Beispielsweise offenbart die EP 2 908 059 A1 ein Verfahren zur Diagnose einer Heizungsanlage mit einem Wärmetauscher, wobei der Zustand des Wärmetauschers ermittelt wird, indem ein Wärmeübertragungskoeffizient des Wärmetauschers bestimmt wird, um eine Aussage über den Leistungszustand des Wärmetauschers erhalten zu können. Insbesondere wird eine Meldung ausgegeben, wenn die Anzahl der Fälle, in denen der Wärmeübertragungskoeffizient einen Schwellenwert erreicht, einen Grenzwert überschreitet. Hierdurch kann eine verminderte Funktionstüchtigkeit des Wärmetauschers aufgrund einer Verschmutzung erkannt werden.
  • Das Erkennen einer verminderten Funktionstüchtigkeit eines Wärmetauschers allein reicht jedoch in der Regel nicht aus, um eine Heizungsanlage ohne Beeinträchtigung der Heizleistung zu betreiben. Ein Betriebszustand der Heizungsanlage sollte vielmehr an eine veränderte Funktionstüchtigkeit des Wärmetauschers angepasst werden können. Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, eine Verschmutzung bzw. Verkalkung des Wärmetauschers im Voraus zu erkennen, um somit eine Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit des Wärmetauschers möglichst zu verhindern bzw. zu verringern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Probleme zu überwinden und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Heizungsanlage bereitzustellen. Die Lösung der Aufgabe gelingt durch eine Heizungsanlage nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage nach Anspruch 6.
  • Gegenstand der Erfindung ist es, eine Heizungsanlage bzw. ein Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage derart zu optimieren, dass die oben beschriebenen Nachteile möglichst nicht mehr auftreten. Insbesondere soll ein Verschmutzen bzw. Verkalken eines Wärmetauschers vermieden oder reduziert werden. Ferner soll bei Erkennen einer Verschmutzung bzw. Verkalkung des Wärmetauschers der Betrieb der Heizungsanlage so angepasst werden, dass eine mögliche Leistungsminderung der Heizungsanlage reduziert wird.
  • Eine Heizungsanlage umfasst mindestens einen Wärmeerzeuger, der in einem Primärkreis der Heizungsanlage angeordnet ist, und Wärme auf ein im Primärkreis zirkulierendes fluides Wärmeträgermedium überträgt. Der Primärkreis mit dem mindestens einen Wärmeerzeuger wird auch als Erzeugerkreis der Heizungsanlage bezeichnet. Bei der hier beschriebenen Heizungsanlage handelt es sich insbesondere um eine Heizungsanlage für ein Gebäude. In ähnlicher Weise kann die Erfindung auch auf eine Heizungsanlage für ein Fahrzeug angewendet werden.
  • Der Wärmeerzeuger kann ein beliebiger Wärmeerzeuger sein, insbesondere ein Gaskessel, ein Ölkessel, ein Brennwertkessel, ein Biomassekessel, eine Wärmepumpe, ein Blockheizkraftwerk (BHKW) oder ein sonstiger Wärmeerzeuger zum Erhitzen eines fluiden Wärmeträgermediums. Insbesondere können zwei oder mehr verschiedene Wärmeerzeuger im Primärkreis der Heizungsanlage bereitgestellt werden. Verwenden die zwei oder mehr Wärmeerzeuger verschiedene Energieträger (z.B. Gas, Öl, Biomasse, Sonne, Erdwärme, etc.) zum Erhitzen eines Wärmeträgermediums, so kann die Heizungsanlage auch als multivalente Heizungsanlage bezeichnet werden.
  • Die Heizungsanlage kann konfiguriert sein, neben Wärme auch weitere Energieformen bereitzustellen, wie beispielsweise Kälte und/oder elektrische Energie. Bei der Heizungsanlage kann es sich insbesondere um eine Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage (HLKA) handeln.
  • Ein Wärmetauscher der Heizungsanlage koppelt einen Vorlauf des Primärkreises mit einem Vorlauf eines Sekundärkreises der Heizungsanlage, in dem ein fluides Wärmeträgermedium zirkuliert, und einen Rücklauf des Sekundärkreises mit einem Rücklauf des Primärkreises, so dass Wärme vom Primärkreis auf den Sekundärkreis übertragen wird. Hierzu wird der Wärmetauscher jeweils vom Wärmeträgermedium des Primärkreises und vom Wärmeträgermedium des Sekundärkreises durchströmt. Der Wärmetauscher wird auch als Wärmeübertrager bezeichnet. Als Wärmetauscher kann insbesondere ein Trennwärmetauscher oder ein Plattenwärmetauscher verwendet werden.
  • In bevorzugten Ausführungen kann mindestens ein Wärmespeicher im Sekundärkreis der Heizungsanlage angeordnet sein und Wärme aus dem im Sekundärkreis zirkulierenden fluiden Wärmeträgermedium beziehen und speichern. Der Wärmespeicher kann allgemein als Wärmeverbraucher aufgefasst werden. Neben dem Wärmespeicher können weitere Verbraucher wie zum Beispiel Heizkörper im Sekundärkreis angeordnet sein. Der Sekundärkreis wird daher auch als Verbraucherkreis bezeichnet.
  • Das fluide Wärmeträgermedium dient zum Transportieren der Wärme. Üblicherweise wird ein Gas oder eine Flüssigkeit als Wärmeträgermedium verwendet, insbesondere Wasser. Beispielsweise können Primärkreis und Sekundärkreis jeweils Wasser als Wärmeträgermedium verwenden. Der Wärmetauscher entkoppelt den Massestrom (bzw. Volumenstrom) des Wärmeträgermediums im Primärkreis vom Massenstrom (bzw. Volumenstrom) des Wärmeträgermediums im Sekundärkreis.
  • Ein erster Temperatursensor ist in Strömungsrichtung des fluiden Wärmeträgermediums vorm Wärmetauscher im Vorlauf des Primärkreises angeordnet und misst eine erste Temperatur des fluiden Wärmeträgermediums im Primärkreis. Diese erste Temperatur wird auch als Vorlauftemperatur oder Kesseltemperatur im Primärkreis bezeichnet. Im Wesentlichen misst der erste Temperatursensor die Temperatur, mit der das Wärmeträgermedium vom mindestens einen Wärmeerzeuger bereitgestellt wird.
  • Ein zweiter Temperatursensor ist im Sekundärkreis, beispielsweise im Wärmespeicher (wenn vorhanden) oder im Vorlauf des Sekundärkreises, angeordnet und misst eine zweite Temperatur des fluiden Wärmeträgermediums im Sekundärkreis. Entsprechend der Anordnung des zweiten Temperatursensors kann die zweite Temperatur eine Vorlauftemperatur des Sekundärkreises oder eine Speichertemperatur sein, die jeweils dazu geeignet sind, den Wärmeübertrag vom Primärkreis auf den Sekundärkreis zu ermitteln. Die Vorlauftemperatur des Sekundärkreises wird auch als Auslauftemperatur des Wärmetauschers bezeichnet. Die Anordnung des zweiten Temperatursensors ist nicht auf den Vorlauf oder den Wärmespeicher beschränkt. Beispielsweise kann der zweite Temperatursensor auch im Rücklauf des Sekundärkreises angeordnet sein.
  • Die Heizungsanlage umfasst ferner eine Regeleinrichtung zum Regeln eines Betriebszustands des mindestens einen Wärmeerzeugers in Abhängigkeit von Regelparametern. Wenn mehrere Wärmeerzeuger vorhanden sind, kann die Regeleinrichtung die jeweiligen Betriebszustände der mehreren Wärmeerzeuger regeln. Beispielsweise kann über die Regeleinrichtung eine Leistung (Modulation) des mindestens einen Wärmeerzeugers geregelt werden. Insbesondere regelt die Regeleinrichtung die Leistung des mindestens einen Wärmeerzeugers in Abhängigkeit einer Abweichung zwischen einem vorgegebenen Vorlauftemperatursollwert und der gemessenen Vorlauftemperatur im Primärkreis. Ferner kann mittels der Regeleinrichtung eine Schaltzeit für den mindestens einen Wärmeerzeuger vorgegeben werden, vorzugsweise in Abhängigkeit eines vorgegebenen Zeitpunkts, zu dem die zweite Temperatur einen vorgegebenen Sollwert erreichen soll. Der vorgegebene Sollwert der zweiten Temperatur kann eine Speichersolltemperatur oder eine Vorlaufsolltemperatur im Sekundärkreis sein.
  • Die Heizungsanlage umfasst eine kommunikativ mit der Regeleinrichtung verbundene Datenverarbeitungsvorrichtung mit einer Speichereinrichtung zum Speichern von Daten und einer Recheneinrichtung zum Verarbeiten von Daten. Für die Übertragung von Daten über ein Netzwerk weisen die Recheneinrichtung, die Speichereinrichtung und die Rechenrichtung jeweils geeignete Netzwerkschnittstellen auf.
  • Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann lokal, beispielsweise im selben Gebäude wie die Heizungsanlage, oder geographisch entfernt angeordnet sein. Insbesondere kann es sich bei der Datenverarbeitungsvorrichtung bzw. bei der Recheneinrichtung um ein über das Internet oder ein sonstiges Netzwerk (z.B. ein "Local Area Network", LAN oder ein "Wide Area Network", WAN) mit der Regeleinrichtung verbundenen Server, ein Rechencluster oder dergleichen handeln.
  • Die Speichereinrichtung kann ein lokaler Speicher der Datenverarbeitungsvorrichtung sein. Zusätzlich oder stattdessen kann die Speichereinrichtung beispielsweise als Cloudspeicher oder Netzwerkspeicher implementiert sein. Der Cloudspeicher bzw. Netzwerkspeicher kann über das Internet oder das sonstiges Netzwerk kommunikativ mit der Datenverarbeitungsvorrichtung, insbesondere mit der Recheneinrichtung, und der Regeleinrichtung der Heizungsanlage oder mehreren Regeleinrichtungen einer Vielzahl von Heizungsanlagen verbunden sein. Der Datenaustausch zwischen Regeleinrichtung und Datenverarbeitungsvorrichtung (Recheneinrichtung und Speichereinrichtung) kann entsprechend über das jeweilige Netzwerk erfolgen. Hierzu weisen die einzelnen Komponenten entsprechende Schnittstellen auf.
  • Der Vorteil einer über das Internet angebundenen Datenverarbeitungsvorrichtung ist, dass Daten einer Vielzahl von Heizungsanlagen, 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 ähnlicher oder verschiedener Heizungsanlagen mit baugleichen, ähnlichen oder verschiedenen Wärmetauschern handeln. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, Daten einer Vielzahl baugleicher oder bauähnlicher Heizungsanlagen auszuwerten, die insbesondere baugleiche oder einander ähnliche Wärmetauscher aufweisen, um für eine bestimmte Bauart von Wärmetauscher eine spezifische statistische Auswertung empfangener und gespeicherter Temperaturmesswerte durchzuführen.
  • Ein weiterer Vorteil der über das Netzwerk angebundenen Datenverarbeitungsvorrichtung ist, dass eine zentrale Auswertung der Daten von der Heizungsanlage durchgeführt werden kann, unabhängig davon, wie viele Heizungsanlagen mit der Datenverarbeitungsvorrichtung verbunden sind.
  • Die Regeleinrichtung ist konfiguriert, regelmäßig eine Vielzahl von Messwerten, wobei es sich insbesondere um Temperaturmesswerte handelt, an die Datenverarbeitungsvorrichtung zu übertragen. Zusätzlich können auch Massenströme bzw. Volumenströme des Wärmeträgermediums im Primärkreis und/oder im Sekundärkreis gemessen und übertragen werden. Die Regeleinrichtung überträgt beispielsweise mehrmals pro Sekunde, mehrmals pro Minute, mehrmals pro Stunde oder mehrmals am Tag, jeweils eine Vielzahl von Messwerten über den Betriebszustand der Heizungsanlage an die Datenverarbeitungsvorrichtung. Somit kann eine Vielzahl von Messwerten erzeugt werden und ein zeitlicher Verlauf des Betriebszustands der Heizungsanlage kann anhand der Messwerte überwacht und/oder ausgewertet werden.
  • Die Regeleinrichtung ist konfiguriert, Regelparameter zum Regeln des mindestens einen Wärmeerzeugers von der Datenverarbeitungsvorrichtung zu empfangen. Die empfangen Regelparameter können dann lokal von der Regeleinrichtung gespeichert und zum weiteren Regeln des mindestens einen Wärmeerzeugers verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Regeleinrichtung auch auf lokal gespeicherte Regelparameter zurückgreifen, zum Beispiel wenn eine Kommunikation mit der Datenverarbeitungsvorrichtung (temporär) nicht möglich ist. Die lokal von der Regeleinrichtung gespeicherten Regelparameter können die letzten von der Datenverarbeitungsvorrichtung übertragenen Regelparameter sein und/oder es können jeweils Regelparameter für einen Normalbetrieb und/oder einen Notbetrieb in der Regeleinrichtung hinterlegt sein.
  • Die Datenverarbeitungsvorrichtung ist konfiguriert, die von der Regeleinrichtung empfangenen Messwerte in der Speichereinrichtung bzw. im Cloudspeicher zu speichern. Somit können die empfangen Messwerte jederzeit für eine Weiterverarbeitung durch die Recheneinrichtung bereitgestellt werden.
  • Die Recheneinrichtung der Datenverarbeitungsvorrichtung ist konfiguriert, in Abhängigkeit der gespeicherten Messwerte einen Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers zu berechnen. Der Verschmutzungsgrad kann auf verschiedene Weise aus den Messwerten abgeleitet werden. Je höher der Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers ist, desto weniger Wärme kann der Wärmetauscher vom Primärkreis auf den Sekundärkreis übertragen.
  • Beispielsweise wird ein Wärmeübertragungskoeffizient des Wärmetauschers mit steigendem Verschmutzungsgrad kleiner. Der Wärmeübertragungskoeffizient quantifiziert das Vermögen des Wärmetauschers, Wärme vom Wärmeträgermedium des Primärkreises auf das Wärmeträgermedium des Sekundärkreises zu übertragen.
  • Der Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers hat somit einen direkten Einfluss auf die Funktion der Wärmeübertragung des Wärmetauschers zwischen Primärkreis und Sekundärkreis. Je höher der Verschmutzungsgrad, desto schlechter kann der Wärmetauscher Wärme vom Wärmeträgermedium des Primärkreises auf das Wärmeträgermedium des Sekundärkreises übertragen, wobei ein "schlechter" Wärmeübertrag bedeutet, dass die Wärme entweder langsamer und/oder mit Verlusten übertragen wird. Eine bestimmte erste Temperatur bewirkt daher mit zunehmender Verschmutzung des Wärmetauschers eine geringere zweite Temperatur, bzw. es dauert länger bis die zweite Temperatur bei vorgegebener erster Temperatur einen bestimmten Wert erreicht.
  • Ein Prozess der zunehmenden Verschmutzung eines Wärmetauschers ist üblicherweise langsam und erstreckt sich über viele Monate bis ein signifikanter Verschmutzungsgrad erreicht ist, der einen für den Betrieb einer Heizungsanlage erheblichen Wert darstellt. Die Verschmutzung des Wärmetauschers kann unter anderem aufgrund von Schmutzpartikeln im Wärmeträgermedium und/oder durch Verkalkung entstehen. Werden keine Gegenmaßnahmen ergriffen, so nimmt der Verschmutzungsgrad im Allgemeinen mit fortschreitender Zeit zu.
  • Insbesondere kann der Verschmutzungsgrad in Abhängigkeit eines über einen vorgegebenen Zeitraum gemittelten Wärmeübertragungskoeffizienten des Wärmetauschers ermittelt werden. Hierdurch können zeitliche Schwankungen des Wärmeübertragungskoeffizienten herausgemittelt werden. Eine beispielhafte Methode der Berechnung eines Wärmeübertragungskoeffizienten k eines Wärmetauschers wird beispielsweise in der EP 2 908 059 A1 beschrieben: k = c ⋅ m ˙ ⋅ Δ T A ⋅ Δ T ‾
    Figure imgb0001
  • Hier ist c die Wärmekapazität des fluiden Wärmeträgermediums, m ist der Massen- bzw. Volumenstrom durch den Wärmetauscher, ΔT ist eine Wärmedifferenz, ΔT ist eine zeitlich gemittelte Wärmedifferenz und A ist die freie Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers.
  • Die Recheneinrichtung vergleicht den berechneten Verschmutzungsgrad mit einem festgelegten Grenzwert. Der Grenzwert kann beispielsweise so festgelegt werden, dass bei einem entsprechenden Verschmutzungsgrad die Zeit zum Erwärmen des Wärmeträgermediums im Sekundärkreis auf einen Sollwert bzw. um eine festgelegte Temperaturdifferenz länger als ein festgelegter Zeitraum dauert. Im Allgemeinen wird der Grenzwert so festgelegt, dass bei Erreichen des Grenzwerts ein regelungstechnischer Eingriff notwendig ist, um einen Komfortverlust für Benutzer der Heizungsanlage zu vermeiden.
  • Der regelungstechnische Eingriff wird vorgenommen, indem die Recheneinrichtung einen korrigierten Satz Regelparameter bestimmt und den Satz korrigierter Regelparameter an die Regeleinrichtung überträgt, falls der berechnete Verschmutzungsgrad gleich groß wie oder größer als der festgelegte Grenzwert ist.
  • Durch die korrigierten Regelparameter kann der Betriebszustand des mindestens einen Wärmeerzeugers in Abhängigkeit des Verschmutzungsgrads des Wärmetauschers angepasst werden. Insbesondere kann der angepasste Betriebszustand so gewählt werden, dass eine weitere Zunahme des Verschmutzungsgrads verhindert oder wenigstens minimiert wird, beispielsweise durch Reduzieren der Vorlauftemperatur im Primärkreis. Alternativ kann eine Beladungsdauer des Wärmespeichers verlängert werden. Das bedeutet, dass ein erwarteter benötigter Zeitraum zum Beladen des Wärmespeichers mit einer bestimmten Wärmemenge verlängert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Aufheizvorgang früher gestartet wird.
  • Vorzugsweise ist die Regeleinrichtung konfiguriert, mindestens einen der folgenden Messwerte zusammen mit einem jeweiligen Zeitpunkt der Messung regelmäßig an die Datenverarbeitungsvorrichtung zu übertragen: die erste Temperatur im Vorlauf des Primärkreises; die zweite Temperatur im Wärmespeicher oder im Vorlauf des Sekundärkreises; einen Volumenstrom des Wärmeträgermediums im Primärkreis; einen Volumenstrom des Wärmeträgermediums im Sekundärkreis; eine Leistung des Wärmeerzeugers; und/oder Schaltzeiten des Wärmeerzeugers.
  • Zum Messen des Massen- bzw. Volumenstroms des fluiden Wärmeträgermediums im Primärkreis bzw. im Sekundärkreis weist eine bevorzugte Heizungsanlage einen im Primärkreis bzw. im Sekundärkreis angeordneten Durchflusssensor auf.
  • Wenn das fluide Wärmeträgermedium im Primärkreis und/oder im Sekundärkreis Wasser ist, dann kann die Recheneinrichtung der Datenverarbeitungsvorrichtung vorzugsweise konfiguriert sein, den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers in Abhängigkeit eines lokalen Wasserhärtegrads zu berechnen. Der lokale Wasserhärtegrad kann beispielsweise durch Sensoren gemessen oder auch von einem Benutzer vorgegeben werden. Informationen über den Wasserhärtegrad können insbesondere vom lokalen Wasserversorger bereitgestellt werden, beispielsweise über eine Schnittstelle direkt an die Datenverarbeitungsvorrichtung. Je höher der Wasserhärtegrad des Wärmeträgermediums, desto eher kann es zu einer Verkalkung des Wärmetauschers kommen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Datenverarbeitungsvorrichtung konfiguriert, den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers in Abhängigkeit einer zeitlichen Veränderung einer charakteristischen Größe des Wärmetauschers zu berechnen, wobei die charakteristische Größe aus den gespeicherten Messwerten berechnet wird. Die charakteristische Größe beschreibt beispielsweise eine Differenz zwischen einer Temperatur im Primärkreis und einer Temperatur im Sekundärkreis. Im Allgemeinen quantifiziert die charakteristische Größe die Fähigkeit des Wärmetauschers, Wärme vom Primärkreis auf den Sekundärkreis zu übertragen. Insbesondere kann die charakteristische Größe von einem zeitlich veränderlichen Unterschied zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur abhängen.
  • Die charakteristische Größe kann insbesondere eine zeitabhängige Größe sein und kann beispielsweise in Abhängigkeit einer zeitlichen Ableitung des Wärmeübertrags von Primärkreis auf Sekundärkreis definiert werden. Beispielsweise kann die charakteristische Größe ermittelt werden, indem über einen festgelegten Zeitraum bei gleichbleibenden Betriebsparametern der Heizungsanlage die aufgewendete Energie im Primärkreis mit einer detektierten Energieerhöhung im Sekundarkreis verglichen wird. Mögliche Parametervariationen können dabei mittels einer Langzeitbetrachtung kompensiert werden. Vereinfacht kann die charakteristische Größe, beispielsweise während des Beladens des Wärmespeichers, als Quotient aus der Temperaturdifferenz zwischen erster und zweiter Temperatur und der ersten Temperatur definiert sein, wobei die zweite Temperatur vorzugsweise im Wärmespeicher gemessen wird.
  • Insbesondere kann die charakteristische Größe als zeitlich gemittelte Temperaturdifferenz zwischen erster Temperatur im Primärkreis und zweiter Temperatur im Sekundärkreis definiert sein. Beispielweise wird zunächst die Temperaturdifferenz zwischen Primärkreis und Sekundärkreis über einen Heizvorgang zeitlich gemittelt. Dann wird die eine zeitliche Veränderung der charakteristischen Größe über einen längeren Zeitraum, beispielsweise über einige Monate oder ein Jahr betrachtet. Zum Beispiel kann sich die zeitlich gemittelte Temperaturdifferenz je nach Ladezyklus oder Wärmeentnahme im Heizkreis in zwei verschiedenen Ladezyklen deutlich voneinander unterscheiden. Entscheidend zum Erkennen einer Verschmutzung des Wärmetausches kann daher bevorzugt die zeitliche Veränderung der charakteristischen Größe über einen langen Zeitraum sein. Durch Erfassen und Speichern von Betriebsparametern bzw. der charakteristischen Größe werden über einen langen Zeitraum von Wochen, Monaten oder Jahren kann ein historischer Verlauf dieser Daten angesammelt werden. Diese Daten werden daher auch als "historische" Daten, Werte, Vorgänge und dergleichen bezeichnet.
  • Insbesondere kann bei einem Vergleich von Betriebsparametern bzw. der charakteristischen Größe mit historischen Betriebsparametern bzw. historischen Werten der charakteristischen Größe durchgeführt werden, um eine Abweichung oder Veränderung zu erkennen. Dabei kann insbesondere berücksichtigt werden, dass die historischen Vorgänge unter vergleichbaren bzw. möglichst ähnlichen Randbedingung und/oder Beladungszuständen des Speichers durchgeführt wurden. Durch das Auswählen historischer Daten mit vergleichbaren bzw. möglichst ähnlichen Randbedingung und/oder Beladungszuständen des Speichers kann sichergestellt werden, dass eine erkannte Abweichung oder Veränderung beispielsweise aufgrund einer Verschmutzung des Wärmetausches aufgetreten ist.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführung kann die charakteristische Größe als Dauer eines Speicherbeladevorgangs definiert sein. Diese Speicherbeladezeit kann beispielsweise bei zwei unterschiedlichen Ladezyklen unterschiedlich lang sein. Dies kann zum Beispiel von einer Wasserentnahme abhängen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann die charakteristische Größe als zeitlich gemittelter Energieaufwand zum Erhöhen einer Speichertemperatur im Wärmespeicher um 1 Kelvin definiert sein. Entsprechend kann die charakteristische Größe von der Leistung des Wärmeerzeugers abhängen. Wenn der Wärmeerzeuger eine Wärmepumpe ist, kann die charakteristische Größe ferner von einem COP-Wert ("Coefficient of Performance" bzw. Effizienz der Wärmepumpe) und einer Laufzeit der Wärmepumpe abhängig sein.
  • In noch einer weiteren bevorzugten Ausführung kann die charakteristische Größe als zeitlich gemittelte Anzahl von Starts des Wärmeerzeugers bis Erreichen einer Zieltemperatur sein. Hierbei ist die Zieltemperatur insbesondere eine Sollspeichertemperatur im Wärmespeicher.
  • Sobald die zeitliche Veränderung der charakteristischen Größe in einer Langzeitbetrachtung einen Grenzwert überschreitet wird von einer Verschmutzung des Wärmetauschers ausgegangen. Die Betrachtung eines Einzelereignisses bzw. eines einzelnen Messergebnisses kann dagegen nicht aussagekräftig sein. Über die Langzeitbetrachtung kann somit mit größerer Sicherheit eine Verschmutzung des Wärmetauschers erkannte werden. Die Auswertung der Langzeitbetrachtung kann insbesondere unter Verwendung von Algorithmen erfolgen, die mittels Maschinenlernen trainiert wurden. Somit können zeitliche Veränderungen der charakteristischen Größe zuverlässig detektiert werden, die auf eine Verschmutzung des Wärmetausches hinweisen.
  • Gemäß der Erfindung umfassen die Regelparameter eine Vorlaufsolltemperatur im Primärkreis und/oder festgelegte Einschaltzeiten des Wärmeerzeugers. Insbesondere können die Einschaltzeiten des Wärmeerzeugers in Abhängigkeit einer charakteristischen Größe des Wärmetauschers bestimmt werden. Wird beispielsweise festgestellt, dass der Wärmetauscher eine hohe charakteristische Größe aufweist, so können die Schaltzeiten so angepasst werden, dass ein Benutzer der Heizungsanlage keine Beeinträchtigung aufgrund der erhöhten charakteristischen Größe erfährt. Insbesondere kann ein Aufheizvorgang früher gestartet werden (früherer Einschaltzeitpunkt des Wärmeerzeugers), so dass eine vorgegebene Vorlaufsolltemperatur im Primärkreis (erste Temperatur) und/oder eine vorgegebene Speichertemperatur (zweite Temperatur) auch bei einem langsameren Wärmeübertrag aufgrund der höheren charakteristischen Größe des Wärmetauschers zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erreicht wird.
  • Gemäß der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage gemäß mindestens einem der oben beschriebenen Aspekte der Erfindung einen oder mehrere der im Folgenden beschriebenen Schritte.
  • Beim Betreiben der Heizungsanlage wird mindestens ein Wärmeerzeuger betrieben, der in einem Primärkreis der Heizungsanlage angeordnet ist, und Wärme auf ein im Primärkreis zirkulierendes fluides Wärmeträgermedium überträgt
  • Beim Betreiben der Heizungsanlage wird mindestens ein Wärmespeicher betrieben, der in einem Sekundärkreis der Heizungsanlage angeordnet ist, und Wärme aus einem im Sekundärkreis zirkulierenden fluiden Wärmeträgermedium bezieht und speichert.
  • Beim Betreiben der Heizungsanlage werden, mittels eines Wärmetauschers, ein Vorlauf des Primärkreises mit einem Vorlauf des Sekundärkreises und ein Rücklauf des Sekundärkreises mit einem Rücklauf des Primärkreises gekoppelt, so dass Wärme vom Primärkreis auf den Sekundärkreis übertragen wird.
  • Beim Betreiben der Heizungsanlage wird eine erste Temperatur des fluiden Wärmeträgermediums im Primärkreis mittels eines ersten Temperatursensors, der in Strömungsrichtung des fluiden Wärmeträgermediums vorm Wärmetauscher im Vorlauf des Primärkreises angeordnet ist, gemessen.
  • Beim Betreiben der Heizungsanlage wird eine zweite Temperatur des fluiden Wärmeträgermediums im Sekundärkreis mittels eines zweiten Temperatursensors, der im Wärmespeicher oder im Vorlauf des Sekundärkreises angeordnet ist, gemessen.
  • Beim Betreiben der Heizungsanlage wird der mindestens eine Wärmeerzeuger mittels einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit von Regelparametern geregelt.
  • Gemäß dem Verfahren wird regelmäßig eine Vielzahl von Messwerten von der Regeleinrichtung an eine Datenverarbeitungsvorrichtung übertragen.
  • Gemäß dem Verfahren können Regelparametern zum Regeln des Wärmeerzeugers von der Datenverarbeitungsvorrichtung an die Regeleinrichtung übertragen werden.
  • Die von der Regeleinrichtung an die Datenverarbeitungsvorrichtung übertragenen Messwerte in einer Speichereinrichtung der Datenverarbeitungsvorrichtung gespeichert.
  • In einem Schritt des Verfahrens berechnet eine Recheneinrichtung der Datenverarbeitungsvorrichtung einen Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers in Abhängigkeit der gespeicherten Messwerte.
  • Falls der berechnete Verschmutzungsgrad gleich groß wie oder größer als ein festgelegter Grenzwert ist, bestimmt die Recheneinrichtung der Datenverarbeitungsvorrichtung einen korrigierten Satz Regelparameter, der in einem weiteren Schritt an die Regeleinrichtung übertragen werden kann.
  • Mindestens einer der folgenden Messwerte kann zusammen mit einem jeweiligen Zeitpunkt der Messung regelmäßig an die Datenverarbeitungsvorrichtung übertragen werden: die erste Temperatur im Vorlauf des Primärkreises, die zweite Temperatur im Wärmespeicher oder im Vorlauf des Sekundärkreises, einen Volumenstrom im Sekundärkreis, der mit einem im Sekundärkreis angeordneten Durchflusssensor gemessen wird, eine Leistung des Wärmeerzeugers, Schaltzeiten des Wärmeerzeugers.
  • Die Recheneinrichtung der Datenverarbeitungsvorrichtung kann den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers vorzugsweise in Abhängigkeit eines lokalen Wasserhärtegrads berechnen.
  • Die Recheneinrichtung der Datenverarbeitungsvorrichtung kann den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers vorzugsweise in Abhängigkeit einer zeitlichen Veränderung einer charakteristischen Größe des Wärmetauschers berechnen, wobei die charakteristische Größe aus den gespeicherten Messwerten berechnet wird.
  • Eine zunehmende Verkalkung bzw. Verschmutzung eines Wärmetauschers kann in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung durch Analyse von Zeitreihen festgestellt werden. Hierzu werden verschiedene charakteristische Betriebsparameter der Heizungsanlage jeweils als einzelne Datenpunkte über die Zeit aufgetragen. Beispielsweise können hierbei eine Beladungsdauer des Wärmespeichers, ein Energiebedarf zum Erhöhen der Speichertemperatur um 1 Kelvin und/oder eine Anzahl von Einschaltvorgängen des Wärmeerzeugers (Brennerstarts) pro Speicherbeladung aufgewertet werden. Wenn mindestens eine der Zeitreihen eine vorgegebene Abweichung zwischen zwei Datenpunkten überschreitet, kann auf eine reduzierte Wärmeübertragung im Wärmetauscher geschlossen werden, die in der Regel auf eine Verschmutzung bzw. Verkalkung des Wärmetauschers zurückzuführen ist.
  • Die gespeicherten Messwerte können insbesondere auch durch Algorithmen auf einem Rechencluster ausgewertet werden, wobei die Algorithmen mittels maschinellen Lernens anhand einer Vielzahl von Felddaten (beispielsweise Messwerte einer Vielzahl von Heizungsanlagen) angelernt wurden. Das Rechencluster kann hierbei eine bevorzugte Ausführung der Recheneinrichtung sein oder zusätzlich über das Netzwerk mit der Datenverarbeitungsvorrichtung, dem Cloudspeicher und/oder der Regeleinrichtung kommunizieren.
  • Die Regelparameter gemäß der Erfindung unfassen eine Vorlaufsolltemperatur im Primärkreis und/oder festgelegte Einschaltzeiten des Wärmeerzeugers.
  • Bevorzugte Ausführungen der Heizungsanlage bzw. des Verfahrens zum Betreiben der Heizungsanlage benötigen weder einen Wärmespeicher noch einen Volumenstromsensor.
    • 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.
    • 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 eine Heizungsanlage 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Heizungsanlage 1 ist beispielsweise in einem Gebäude angeordnet und umfasst einen Gas-Brennwertkessel als Wärmeerzeuger 2, der ein fluides Wärmeträgermedium (z.B. Wasser) erhitzt.
  • Das Wärmeträgermedium zirkuliert in einem Primärkreis P der Heizungsanlage 1. Über einen Wärmetauscher 4, beispielsweise ein Plattenwärmetauscher, wird die Wärme vom Primärkreis P (Erzeugerkreis) auf einen Sekundärkreis S (Verbraucherkreis) übertragen, in dem ebenfalls ein fluides Wärmeträgermedium (Wasser) zirkuliert. Der Wärmetauscher 4 koppelt einen Vorlauf des Primärkreises P mit einem Vorlauf des Sekundärkreises S und einen Rücklauf des Sekundärkreises S mit einem Rücklauf des Primärkreises P.
  • Im Sekundärkreis S ist ein Wärmespeicher 3 angeordnet, der Wärme aus dem Wärmeträgermedium bezieht und speichert. Ein im Sekundärkreis angeordneter Durchflusssensor V2 misst einen Volumenstrom des Wärmeträgermediums im Sekundärkreis S. Ein weiterer Durchflusssensor V1 (nicht dargestellt) kann im Primärkreis P angeordnet sein, um einen Volumenstrom des Wärmeträgermediums im Primärkreis P zu messen.
  • Ein erster Temperatursensor T1 ist in Strömungsrichtung des fluiden Wärmeträgermediums vorm Wärmetauscher 4 im Vorlauf des Primärkreises(P angeordnet und misst die Vorlauftemperatur bzw. Kesseltemperatur des fluiden Wärmeträgermediums als ersten Temperaturmesswert (erste Temperatur) im Primärkreis P.
  • Ein zweiter Temperatursensor T2 ist im Wärmespeicher 3 angeordnet und misst eine Speichertemperatur des fluiden Wärmeträgermediums als zweiten Temperaturmesswert (zweite Temperatur) im Sekundärkreis S. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Temperatursensor T2 auch im Vorlauf des Sekundärkreises S angeordnet sein und entsprechend eine Vorlauftemperatur im Sekundärkreis S messen. In Fig. 1 sind beide beschriebenen Messpositionen des zweiten Temperatursensors T2 im Sekundärkreis S dargestellt.
  • Die Heizungsanlage 1 umfasst eine Regeleinrichtung 10 zum Regeln eines Betriebszustands des Wärmeerzeugers 2 in Abhängigkeit von Regelparametern Pa. Die Regelparameter Pa umfassen beispielsweise eine Vorlaufsolltemperatur (Sollwert der ersten Temperatur) im Primärkreis P, festgelegte Einschaltzeiten des Wärmeerzeugers, eine Speichersolltemperatur (Sollwert der zweiten Temperatur) im Sekundärkreis und eine Maximalleistung (Modulation) des Wärmeerzeugers 2.
  • Die Regeleinrichtung 10 liest die gemessenen Temperaturmesswerte von den Temperatursensoren T1 und T2 sowie den gemessenen Volumen- bzw.
  • Massenstrommesswert vom Durchflusssensor V2 im Sekundärkreis S (und, wenn vorhanden, den Messwert vom nicht dargestellten Durchflusssensor V1 im Primärkreis P) aus. Die Regeleinrichtung 10 kann ein Speichermedium aufweisen, um die Messwerte lokal zu speichern bevor sie weiterverarbeitet bzw. übertragen werden.
  • Die Regeleinrichtung 10 ist über eine geeignete Schnittstelle mit einem Netzwerk 40 verbunden. Über das Netzwerk 40 kann die Regeleinrichtung 10 mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung 20 kommunizieren und Daten austauschen. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 20 ist ebenfalls über eine geeignete Schnittstelle mit einem Netzwerk 40 verbunden.
  • Die Datenverarbeitungsvorrichtung 20 umfasst eine (lokale) Speichereinrichtung 21 zum Speichern von Daten und einer Recheneinrichtung 22 zum Verarbeiten von Daten. Ein Cloudspeicher 30 ist ebenfalls über eine geeignete Schnittstelle mit dem Netzwerk 40 verbunden und kann Daten sowohl von der Regeleinrichtung 10 als auch von der Datenverarbeitungsvorrichtung 20 empfangen und speichern. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 20 und die Regeleinrichtung 10 können über das Netzwerk 40 auf den Cloudspeicher 30 zugreifen und Daten abrufen.
  • Die Regeleinrichtung 10 überträgt regelmäßig die Vielzahl von Messwerten, insbesondere die Temperaturmesswerte der Temperatursensoren T1 und T2 sowie den vom Volumenstromsensor V1 gemessenen Massen- bzw. Volumenstrom und den vom Volumenstromsensor V2 gemessenen Massen- bzw. Volumenstrom an die Datenverarbeitungsvorrichtung 20 bzw. an den Cloudspeicher 30. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 20 kann die von der Regeleinrichtung 10 empfangenen Messwerte insbesondere in der Speichereinrichtung 21 abspeichern. Zusätzlich oder alternativ kann der Cloudspeicher 30 die übertragenen Messwerte empfangen und speichern.
  • Die Messwerte können vor dem Übertragen lokal gespeichert und für das Übertragen vorverarbeitet werden. Hierbei können die Messwerte beispielsweise um einen der Messung entsprechenden Zeitstempel ergänzt werden. Ferner kann eine Konvertierung des Datenformats und/oder eine Verschlüsselung der zu übertragenden Daten durchgeführt werden. Zusätzlich kann die Regeleinrichtung 10 regelmäßig eine eingestellte Leistung des Wärmeerzeugers 2 und/oder Schaltzeiten des Wärmeerzeugers 2 an die Datenverarbeitungsvorrichtung 20 bzw. an den Cloudspeicher 30 übertragen.
  • Die Regeleinrichtung 10 kann Regelparameter Pa zum Regeln des Wärmeerzeugers 2 von der Datenverarbeitungsvorrichtung 20 empfangen. Insbesondere empfängt die Regeleinrichtung 10 korrigierte Regelparameter Pa von der Recheneinrichtung 22.
  • In Abhängigkeit gespeicherter Messwerte kann die Recheneinrichtung 22 einen Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers 4 berechnen. Falls der berechnete Verschmutzungsgrad gleich groß wie oder größer als ein festgelegter Grenzwert ist, bestimmt die Recheneinrichtung 22 einen korrigierten Satz Regelparameter und überträgt diesen an die Regeleinrichtung 10. Hierdurch kann ein regelungstechnischer Eingriff vorgenommen werden, der den Betriebszustand der Heizungsanlage an den berechneten Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers 4 anpasst.
  • Somit kann die erfindungsgemäße Heizungsanlage 1 den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers 4 detektieren beziehungsweise prädiktiv vorhersagen und einen Nutzerkomfort durch regelungstechnische Eingriffe sicherstellen. Insbesondere kann durch ein Anpassen der Schaltzeiten des Wärmeerzeugers 2 eine Beeinträchtigung der Heizleistung der Heizungsanlage 1 vermieden werden. Diese automatisch adaptive Anpassung des Betriebszustands der Heizungsanlage kann zudem auf Basis der durchschnittlichen Beladungsdauer des Wärmespeichers 3 erfolgen.
  • Die Berechnung der modifizierten Regelparameter Pa durch die Recheneinrichtung 22 kann insbesondere in Abhängigkeit einer charakteristischen Größe des Wärmetauschers 4 bzw. in Abhängigkeit einer zeitlichen Veränderung der charakteristischen Größe des Wärmetauschers 4 durchgeführt werden. Die charakteristische Größe kann beispielsweise als Quotient oder als Differenz aus erster Temperatur und zweiter Temperatur berechnet werden. Alternativ kann die charakteristische Größe als Quotient aus der Temperaturdifferenz zwischen erster und zweiter Temperatur und der ersten Temperatur definiert sein, wobei die zweite Temperatur vorzugsweise im Wärmespeicher 3 (Speichertemperatur) gemessen wird und die erste Temperatur vorzugsweise im Vorlauf des Primärkreises (Kesseltemperatur) gemessen wird.
  • Eine Verschmutzung des Wärmetauschers 4 kann insbesondere anhand einer zeitlichen Veränderung der charakteristischen Größe erkannt werden, wobei hier über einen längeren Zeitraum, zum Beispiel über mehrere Monate oder über ein Jahr gemessen wird, um saisonale Schwankungen zu vermeiden. Bei einer zunehmenden Verschmutzung des Wärmetauschers 4 über einen festgelegten Zeitraum, beispielsweise ein Jahr, wird dann in der Regel ein Anstieg der charakteristischen Größe festgestellt.
  • Insbesondere kann eine Langzeitbetrachtung über mehrere Monate bzw. ein Jahr durchgeführt werden, um eine zeitliche Veränderung der charakteristischen Größe zu erkennen, die größer als ein festgelegter Grenzwert ist. Bei der Auswertung der charakteristischen Größe über einen langen Zeitraum können von der die Recheneinrichtung 22 insbesondere Maschinenlernen-Algorithmen verwendet werden.
  • Bei der Berechnung können auch Informationen über den Wasserhärtegrad der Region zum Unterscheiden von Verschmutzung und Verkalkung sowie für eine Plausibilitätsprüfung mitberücksichtigt werden. Ferner kann die zeitliche Veränderung der charakteristischen Größe eines Wärmetauschers einer ersten Heizungsanlage in Region A mit der zeitlichen Veränderung der charakteristischen Größe eines (baugleichen) Wärmetauschers einer zweiten Heizungsanlage in Region B verglichen werden.
  • Der lokale Wasserhärtegrad kann insbesondere auch bei der Berechnung einer verbleibenden erwarteten Lebensdauer eines Wärmetauschers berücksichtigt werden. Da der Wasserhärtegrad regional sehr verschieden sein kann, werden für verschiedene Regionen entsprechend unterschiedlich lange Lebensdauern von Wärmetauschern erwartet.
  • Insbesondere wenn ein zeitlicher Anstieg der charakteristischen Größe festgestellt wird, der größer als ein festgelegter Grenzwert ist, kann über die modifizierten Regelparameter Pa ein regelungstechnischer Eingriff auf den Betrieb der Heizungsanlage 1 vorgenommen werden, um beispielsweise eine weitere Verkalkung bzw. Verschmutzung des Wärmetauschers 4 prädiktiv zu verhindern. Beispielsweise können gemäß der Erfindung die Regelparameter Pa angepasst werden, indem die Vorlaufsolltemperatur im Primärkreis reduziert wird. Beispielsweise kann die Vorlaufsolltemperatur auf 60°C statt auf 80°C eingestellt werden. Entsprechend kann dann eine vorgegebene Beladungsdauer des Wärmespeichers 3 erhöht werden.
  • Die charakteristische Größe kann beispielsweise als ein Prozentwert angegeben werden. Steigt die charakteristische Größe in einem festgelegten Zeitraum, der mehrere Wochen oder Monate betragen kann, um einen bestimmten vorgegebenen Grenzwert an, beispielsweise um 5%, um 10%, um 15% oder 20%, kann dies als ein Verschmutzungsgrad größer als ein Grenzwert im Sinne der Erfindung erkannt werden, so dass ein regelungstechnischer Eingriff auf die Heizungsanlage durchgeführt werden kann.
  • Eine Verkalkung bzw. Verschmutzung eines Wärmetauschers kann von vielen Faktoren abhängen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, eine tatsächliche Verkalkung bzw. Verschmutzung und eine Verkalkungs- bzw. Verschmutzungsgeschwindigkeit zu erkennen. Neben dem regelungstechnischen Eingriff auf den Betrieb der Heizungsanlage 1 kann zusätzlich auch eine Wartungsmeldungan einen Benutzer bzw. Betreiber der Heizungsanlage ausgegeben werden, so dass eine rechtzeitige Wartung der Heizungsanlage erfolgen kann.
  • Die erfindungsgemäße Heizungsanlage ist nicht auf die hier beschriebene Konfiguration beschränkt. Weitere bevorzugte Ausführungen der erfindungsgemäßen Heizungsanlage bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Heizungsanlage können insbesondere ohne Wärmespeicher und/oder ohne Volumenstromsensor auskommen. Ferner können andere Arten von Wärmeerzeugern als der hier beschriebe verwendet werden.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung 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. Die Merkmale der Erfindung sind im Anspruch 1 und 6 definiert. Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Claims (10)

  1. Heizungsanlage (1) umfassend:
    mindestens einen Wärmeerzeuger (2), der in einem Primärkreis (P) der Heizungsanlage (1) angeordnet ist, und Wärme auf ein im Primärkreis (P) zirkulierendes fluides Wärmeträgermedium überträgt;
    einen Sekundärkreis (S), in dem ein fluides Wärmeträgermedium zirkuliert;
    einen Wärmetauscher (4), der einen Vorlauf des Primärkreises (P) mit einem Vorlauf des Sekundärkreises (S) und einen Rücklauf des Sekundärkreises (S) mit einem Rücklauf des Primärkreises (P) koppelt, so dass Wärme vom Primärkreis (P) auf den Sekundärkreis (S) übertragen wird;
    einen ersten Temperatursensor (T1), der in Strömungsrichtung des fluiden Wärmeträgermediums vorm Wärmetauscher (4) im Vorlauf des Primärkreises (P) angeordnet ist und eine erste Temperatur des fluiden Wärmeträgermediums im Primärkreis (P) misst;
    einen zweiten Temperatursensor (T2), der im Sekundärkreis (S) angeordnet ist und eine zweite Temperatur des fluiden Wärmeträgermediums im Sekundärkreis (S) misst;
    eine Regeleinrichtung (10) zum Regeln eines Betriebszustands des mindestens einen 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 an die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) zu übertragen, und
    Regelparameter (Pa) zum Regeln des Wärmeerzeugers (2) von der Datenverarbeitungsvorrichtung (20) zu empfangen, und
    die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) konfiguriert ist:
    die von der Regeleinrichtung (10) empfangenen Messwerte in der Speichereinrichtung (21) zu speichern,
    in Abhängigkeit der gespeicherten Messwerte einen Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers (4) zu berechnen, und
    falls der berechnete Verschmutzungsgrad gleich groß wie oder größer als ein festgelegter Grenzwert ist, einen korrigierten Satz Regelparameter zu bestimmen und an die Regeleinrichtung (10) zu übertragen,
    wobei die Regelparameter (Pa) eine Vorlaufsolltemperatur im Primärkreis (P) und/oder festgelegte Einschaltzeiten des Wärmeerzeugers umfassen.
  2. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 1, ferner umfassend:
    mindestens einen Wärmespeicher (3), der im Sekundärkreis (S) der Heizungsanlage (1) angeordnet ist, und Wärme aus dem im Sekundärkreis (S) zirkulierenden fluiden Wärmeträgermedium bezieht und speichert,
    wobei der zweite Temperatursensor (T2) im Wärmespeicher (3) oder im Vorlauf des Sekundärkreises (S) angeordnet ist.
  3. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regeleinrichtung (10) konfiguriert ist, mindestens einen der folgenden Messwerte zusammen mit einem jeweiligen Zeitpunkt der Messung regelmäßig an die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) zu übertragen:
    die erste Temperatur im Vorlauf des Primärkreises (P);
    die zweite Temperatur im Sekundärkreis (S);
    einen Volumenstrom im Primärkreis (P), wobei die Heizungsanlage (1) einen im Primärkreis (P) angeordneten Durchflusssensor (V1) zum Messen des Volumenstroms des fluiden Wärmeträgermediums im Primärkreis (P) aufweist;
    einen Volumenstrom im Sekundärkreis (S), wobei die Heizungsanlage (1) einen im Sekundärkreis (S) angeordneten Durchflusssensor (V2) zum Messen des Volumenstroms des fluiden Wärmeträgermediums im Sekundärkreis (S) aufweist;
    eine Leistung des Wärmeerzeugers (2); und/oder
    Schaltzeiten des Wärmeerzeugers (2).
  4. Heizungsanlage (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) konfiguriert ist, den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers (4) in Abhängigkeit eines lokalen Wasserhärtegrads zu berechnen.
  5. Heizungsanlage (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) konfiguriert ist, den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers (4) in Abhängigkeit einer zeitlichen Veränderung einer charakteristischen Größe des Wärmetauschers zu berechnen, wobei die charakteristische Größe aus den gespeicherten Messwerten berechnet wird.
  6. Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage (1) mit den Schritten:
    Betreiben mindestens eines Wärmeerzeugers (2), der in einem Primärkreis (P) der Heizungsanlage (1) angeordnet ist, und Wärme auf ein im Primärkreis (P) zirkulierendes fluides Wärmeträgermedium überträgt;
    Koppeln, mittels eines Wärmetauschers (4), eines Vorlaufs des Primärkreises (P) mit einem Vorlauf eines Sekundärkreises (S) der Heizungsanlage, in dem ein fluides Wärmeträgermedium zirkuliert, und eines Rücklaufs des Sekundärkreises (S) mit einem Rücklauf des Primärkreises (P), so dass Wärme vom Primärkreis (P) auf den Sekundärkreis (S) übertragen wird;
    Messen einer ersten Temperatur des fluiden Wärmeträgermediums im Primärkreis (P) mittels eines ersten Temperatursensors (T1), der in Strömungsrichtung des fluiden Wärmeträgermediums vorm Wärmetauscher (4) im Vorlauf des Primärkreises (P) angeordnet ist;
    Messen einer zweiten Temperatur des fluiden Wärmeträgermediums im Sekundärkreis (S) mittels eines zweiten Temperatursensors (T2);
    Regeln, mittels einer Regeleinrichtung (10), des mindestens einen Wärmeerzeugers (2) in Abhängigkeit von Regelparametern (Pa);
    regelmäßiges Übertragen einer Vielzahl von Messwerten von der Regeleinrichtung (10) an eine Datenverarbeitungsvorrichtung (20); und
    Übertragen von Regelparametern (Pa) zum Regeln des Wärmeerzeugers (2) von der Datenverarbeitungsvorrichtung (20) an die Regeleinrichtung (10), wobei:
    die übertragenen Messwerte in einer Speichereinrichtung (21) der Datenverarbeitungsvorrichtung (20) gespeichert werden;
    die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) einen Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers (4) in Abhängigkeit der gespeicherten Messwerte berechnet; und
    falls der berechnete Verschmutzungsgrad gleich groß wie oder größer als ein festgelegter Grenzwert ist, die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) einen korrigierten Satz Regelparameter bestimmt und an die Regeleinrichtung (10) überträgt,
    wobei die Regelparameter (Pa) eine Vorlaufsolltemperatur im Primärkreis (P) und/oder festgelegte Einschaltzeiten des Wärmeerzeugers umfassen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend:
    Betreiben mindestens eines Wärmespeichers (3), der in einem Sekundärkreis (S) der Heizungsanlage (1) angeordnet ist, und Wärme aus einem im Sekundärkreis (S) zirkulierenden fluiden Wärmeträgermedium bezieht und speichert,
    wobei der zweite Temperatursensor (T2) im Wärmespeicher (3) oder im Vorlauf des Sekundärkreises (S) angeordnet ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei mindestens einer der folgenden Messwerte zusammen mit einem jeweiligen Zeitpunkt der Messung regelmäßig an die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) übertragen werden:
    die erste Temperatur im Vorlauf des Primärkreises (P);
    die zweite Temperatur im Sekundärkreis (S);
    einen Volumenstrom im Primärkreis (P), der mit einem im Primärkreis (P) angeordneten Durchflusssensor (V1) gemessen wird;
    einen Volumenstrom im Sekundärkreis (S), der mit einem im Sekundärkreis (S) angeordneten Durchflusssensor (V2) gemessen wird;
    eine Leistung des Wärmeerzeugers (2); und/oder
    Schaltzeiten des Wärmeerzeugers (2).
  9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers (4) in Abhängigkeit eines lokalen Wasserhärtegrads berechnet.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers (4) in Abhängigkeit einer zeitlichen Veränderung einer charakteristischen Größe des Wärmetauschers berechnet, wobei die charakteristische Größe aus den gespeicherten Messwerten berechnet wird.
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