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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Minimieren des Drenn-
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stoffverbrauchs einer Gebäudeheizung durch Abschalten der Järmeerzeugungs-
und Heizungsanlage während der Nutzungspausen und Wiedereinschalten derselben rechtzeitig
vor Benutzungsbeqinn, obei zur Festleoung dieses Zeitpunktes die Außentemperatur
sowie e rittlere r.rnte7peratur ces jeb£iuJe3 berucksichtlçjt :-ercen.
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Bei Gebäudeheizungen ist es zur Energieeinsparung erforderlich, nicht
nur während der Belegungsdauer eine Uberhitzung zu vermeiden, sondern auch während
der Nichtnutzung derselben die Temperdturen abzusenken.
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Zur Erfüllung des ersteren Erfordernisses ist es bekannt, die Wärmeerzeugungsanlage
vermittels eines An- und Abschaltens des Brenners durch einen Raumthermostaten zu
steuern, der auf entsprechend eingestellte Temperaturwerte anspricht. Zur Erfüllung
des zweiten Erfordernisses ist es bekannt, eine zeitabhängige Temperaturabsenkung
während der Nacht bei z.B. einer witterungsgeführten Regelung durchzuführen. Die
Funktionsweise während des Nachtbetriebes ist hier dergestalt, daß trotz der Absenkphase
dem Gebäude Wärme angeboten wird. Sobald die Schaltuhr auf Nachtbetrieb schaltet,
erfolgt eine Reduzierung der Vorlauftemperatur, die dem theoretischen Wärmebedarf
für den Nachtsollwert bei der gerade vorhandenen Außentemperatur entspricht. Dieser
Vorgang verläuft unabhängig von der tatsächlich noch im Gebäude vorhandenen Wärme.
Durch die ständige Wärmezufuhr kühlt das Gebäude langsamer und vor allen Dingen
nicht so tief wie möglich aus.
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Der hierbei erzielte Einsparungseffekt ist bei weitem nicht optimal,
weil die gesamte Anlage weiterläuft, die lvärmeerzeugungsanlage zwar mit geringerer
Leistung, aber die Energie benötigenden Teile der heizungsanlage, wie die Umwälzpumpen,
weiterbetrieben werden, sowie der Differenzwert zwischen Tagessolltemperatur und
Absenktemperatur relativ gering ist. Da derartige Vorrichtungen meistens eine Schaltuhr
besitzen, die zu einmal fest vorgegebenen Zeitpunkten die Wärmeerzeugungsanlage
wieder auf normale Betriebslast schaltet, kommt es bei entsprechenden Witterungsverhältnissen
zu einer Uberhitzung, und der hierdurch resultierende Verlust schmälert weiterhin
die nicht optimale Einsparung bei diesem Verfahren der Nachtabsenkung.
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cine Weiterentwicklung dieses älteren Standes der Technik bezieht
zusätzlich die mittlere Innentemperatur zur Optimierung des Wirkungsgrades der Gebäudeheizung
mit ein. Man geht hierbei von der Erkenntnis aus, daß ein Minimum an Energieverbrauch
in Form von i3rennstoff und elektrischer Energie dann erreicht wird, wenn während
der Nichtbelegung durch Nichtbeheizung eine von den Gegebenheiten abhängende größtmögliche
Verringerung der Innentemperatur erfolgt und sich hieran eine möglichst kurze Aufheizperiode
unter voller Leistung der Gebäudeheizung dergestalt anschließt, daß zu Beginn der
sich anschließenden Belegungszeit der Tagessollwert gerade erreicht wird. Die Ileizungsoptimierung
erfolgt hierbei dergestalt, daß am Ende der Belegungsdauer des Gebäudes auf einen
unteren Temperaturgrenzwert umgeschaltet wird, der z.B. dem Taupunkt in den Gebäudeaußenwänden
entspricht. Sollte dieser Grenzwert erreicht werden infolge extrem niedriger Außentemperaturen
oder mehrtägiger Nichtbenutzung des Gebäudes, erfolgt ein Wiedereinschalten der
Heizung mit voller Leistung bis die Raumtemperatur einige wenige Grade über diesen
Grenzwert angestiegen ist und sodann erneutes Abschalten. Es erfolgt somit eine
automatische Steuerung, damit die untere Temperaturgrenze bis zur nächsten Aufheizperiode
nicht unterschritten wird.
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Der optimale Einschaltzeitpunkt für die nächste Aufheizperiode wird
bestimmt durch den Vergleich zweier Messungen mit programmierten Größen wie folgt.
Die Auskühlung des Gebäudes wird durch Messung des Absinkens der mittleren Raumtemperatur
bestimmt und hieraus der für die Aufheizung erforderliche Energieaufwand ermittelt.
Durch Messung der Außentemperatur ergibt sich die für diesen Energieaufwand erforderliche
Kapazität. Diese Meßgrößen werden nun mit programmierten Größen verglichen, und
als Ergebnis hiervon wird die Einschaltzeit festgestellt.
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Das Festlegen dieser programmierten Größen nach dem Stand der Technik
ist nun aber sehr umständlich, von zahlreichen nicht einwandfrei bestimmbaren Faktoren
abhängig und somit ungenau, so daß zwangsläufig der optimale Zeitpunkt der Wiedereinschaltung
der Heizung mit voller Leistung nicht gefunden wird. Dies ist darauf
zurückzuführen,
daß die programmierten Größen mehr empirisch au£ Durchschnittswerte der Aufheizperiode
abgestellt sind, wie sie im Frühling, llerbst sowie durchscnittlichen Winterbedingungen
und ebenfalls strengsten Winterbedingungen auftreten und hierin auch Faktoren eingehen,
wie die Ansprechzeit der lieizungsanlage, Wärmespeichereigensc}1aften des Gebäudes,
Länge der Abschaltperiode, Windstärke, Temperatur und deren tinderungen während
der Abscaltperiode, verlängerte Betriebszeit der Anlage wäIrend der vorangegangenen
Belegungsdauer usw.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
vermittels dessen eine dauernde und selbsttätige Errechnung der minimalen Aufheizdauer
mit voller Leistung auf den Tagessollwert zu Beginn der Belegungsdauer, ausgehend
von einer größtmöglichen Absenktemperatur, ermöglicht wird, ohne daß es der Einstellung
von Gebäudeparametern bedarf.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in kennzeic}1nender Weise dadurch
gelöst, daß zusätzlich die seit Abschalten vergangene Zeit, die Abkühlzeit tab,
für die Berechnung der Aufheizdauer tauf nacì der Gleichung T. - T auf 1 a ab auf
( i a) ab in Betracht gezogen wird, und daß die Konstante K von einem Grundwert
aus durch Messung der tatsächlich benötigten Aufheizdauer und Vergleich mit dem
errechneten Wert selbsttätig korrigiert wird.
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung verfährt man dergestalt,
daß eine Verlängerung von tauf bewirkende Änderungen von K mit dem vollen Wert,
eine Verkürzung von tauf bewirkende Änderungen von K nur zu einem Bruchteilin den
so bestimmten neuen Wert von K eingehen und daß in den Programmspeicher obere und
untere Grenzwerte für den Wert von K unverlierbar eingegeben sind.
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Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform verfährt man
derart, daß bei Erreichen einer einstellbaren Mindest-Innentemperatur Tmin vor Beginn
der Aufheizdauer auf zur Aufrechterhaltung dieses Wertes die Anlagen intervallmäßig
mit von der Dauer der Optimierungsphase abhängiger Schaltdifferenz eingeschaltet
werden, und daß ab Erreichen dieses Wertes die vor
diesem Zeitpunkt
zuletzt gemäß der Gleichung berechnete Aufheizdauer t auf nur noch von Änderungen
der Außentemperatur Ta beeinflußt wird.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen selbsttätigen Korrektur der Konstante
K und der Berechnung der Aufheizdauer unter Berücksichtigung der Abkü})ldauer ergibt
sich erfindungsgemäß der Vorteil einer adaptiven Wirkungsweise, so daß nach einer
gewissen Betriebszeit die optimale und die alle Einflüsse des Gebäudes und der Anlage
umfassendtufheiz};urve selbsttätig ermittelt wird.
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Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung verfährt man derart,
daß zum Aufheizen die volle Leistung der Wärmeerzeugungsanlage angewandt wird, mit
der Maßgabe, daß währendder Aufheizungsperiode zum schnellen Erreichen etwa der
lleizmediumendtemperatur durch einstellbar impulsweises öffnen des Mischventils
die der Wärmeerzeugungsanlage zugeführte Menge des Eleizmediums in dem Maß von Null
bis zum vollen Wert erhöht wird, wie die Anpassung an die von der Wärmeerzeugungsanlage
gelieferte Wärmemenge es erfordert. Nur bei einer ausreichend hohen Vorlauftemperatur
der Wärmeerzeugungsanlage kann deren insbesondere bei Aufheizbeginn sehr niedrige
ücklauftemperatur durch Vorlaufbeimischung so weit angehoben werden, daß die Unterschreitung
der ltauchgas-Taupunkttemperatur vermeidbar ist.
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Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend beispielsweise unter DezugnaIinte
auf das beigefügte Blockschaltbild erläutert.
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Ausweislich dieses Blockschaltbildes erfolgt die gesamte Steuerung
durch einen Mikrorechner 1, der einen Mikroprozessor 2, der alle Steuer- und Rechenfunktionen
ausführt, einen Datenspeicher 3 mit direktem Zugriff fürdie Abspeicherung von aktuellen
Daten, wie z.B. Zeiten des Belegungsbeginns und Belegungsendes und Zwischenergebnisse,
sowie als Programmspeicher 4einen Nur-Lesespeicller bzw. Festwertspeicher aufweist.
Der Programmspeicher 4 enthält alle Befehle und Daten, die erforderlich sind, um
den Mikroprozessor 2 zur Ausführung der Berechnungen und zum Steuern der Abläufe
zu veranlassen.
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Uber zwei Ein-Ausgabe-Bausteine 5 ist der Mikrorechner 1 mit den zugeordneten
Bauelementen verbunden. Hierbei sind im einzelnen angeschlossen.
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1. Display 6 zur Anzeige und Tastenfeld 7,durch das alle für die Benutzer
wichtigen Daten, wie Belegungszeiträume und Solltemperaturen über eine Tastatur
eingegeben und angezeigt werden.
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2. Einen Analog-Digital-Wandler 8, der über einen Meßstellenumschalter,
vom Rechner steuerbar, auf AuBen- oder Innentemperaturfühler umgeschaltet werden
kann, wodurch der Mikrorechner 1 die Innen- und Außentemperatur digital genau messen
kann.
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3. Eine elektronische Uhr 9, von der der Mikrorechner 1 die Tageszeit
und den Wochentag einlesen kann.
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4. Zwei Eingangsverstärker 10, die die Signale der Außen- und Innentemperaturfühler
loa verstärken und an den Meßstellenumschalter 10b weiterleiten, ein Schaltverstärker
11 und Rclais 12, durch die die Heizungsanlage gesteuert werden kann, wobei der
Brenner 12c ein- und ausgeschaltet, die Stellglieder 12b, z.B.
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Mischventile, geöffnet und geschlossen werden und eine Umschaltung
auf Temperaturregelung, z.B. mit einem witterungsgeführten Regler 12a oder adaptive
Wirkungsweise erfolgen kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
erläutert.
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Anhand der für das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnenden Gleichung
wird nach Vorgabe eines Wertes für K laufend die minimale Aufheizdauer tauf unter
Berücksichtigung der jeweils festgestellten Werte der Innentemperatur T und Außentemperatur
T a und der seit Abschalten vergangenen Zeit tab berechnet, wobei z.B. alle 15 Minuten
ein Wert für t ermittelt wird.
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auf Die selbsttätige Korrektur der Konstante K in der adaptiven Wirkungsweise,
kurz Optimierungsphase genannt, beginnt mit dem Ende der Belegungsdauer. Zu diesem
Zeitpunkt wird zunächst der nächste Beginn der Belegungsdauer aus dem Datenspeicher
ermittelt und die Dauer topt der Optimierungsphase berechnet. Sodann erfolgt eine
Probeberechnung der Aufheizzeit mit einer aus dem Programmspeicher vorgegebenen
Abkühlzeit von 2 Stunden, was für
die Temperaturabsenkung einen
geeigneten Mindestwert darstellt, der Normaltemperatur TN sowie der gemessenen Außentemperatur
Ta Wenn hierbei festgestellt wird, daß die Summe t auf + 2 h > topt ist, wird
die Temperaturabsenkung unterdrückt und die Anlage weiterhin von dem Witterungsregler
geregelt. Diese Probeberechnung ist von Bedeutung in der Nähe von und besonders
unterhalb der Auslegungstemperatur der 01eizungs- und Wärmeerzeugungsanlage, da
in diesem Außentemperaturbereich die Wiederaufheizung des Gebäudes mit der verfügbaren
Heizleistung nicht gesichert ist, also z.B. unter den Bedingungen einer extrem niedrigen
Außentemperatur mit weiteren Abkühlungsfaktoren, wie dargelegt.
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Sobald die Temperaturabsenkung nach der obigen Probcberechnung freigegeben
ist, steuert der Mikrorechner die entsprechenden Stellglieder dergestalt, daß der
Brenner abgeschaltet, die Umwalzpumpe abgeschaltet und das Mischventil geschlossen
wird. Wie weiter oben dargelegt, erfolgt z.B. alle 15 Minuten eine Berechnung des
Wertes der Aufheizdauer tauf' wobei gleichzeitig die Innentemperatur dahingehend
überwacht wird, daß ein Mindestwert Tmin nicht unterschritten wird. Bleibt die Innentemperatur
T oberhalb der Mindesttemperatur T,ain, bis die errechnete Aufheizdauer die Bedingung
tauf + tab > topt erfüllt, beginnt das Aufheizen.
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Der MikrorecIner steuert nunmehr die entsprechenden Stellglieder dergestalt,
daß der Brenner eingeschaltet, die Umwälzpumpe eingeschaltet und das Mischventil
einstellbar impulsweise geöffnet wird.
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Dieser sukzessive Nffnungsvorgang bedingt bei konstanter voller Brennerleistung,
daß die Vorlauftemperatur relativ schncll ansteigt, was bei verringerter Durchflunmenge
des Iieizmediums durch den erhöhten Temperaturgradienten zu einer schnelleren Erwärmung
führt als wenn bei einer größeren Durchflußmenge ein entsprechend niedrigerer Temperaturgradient
vorliegt.
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Gleichzeitig zu diesem Vorgang werden die Uhrzeit ts, die Ist-Innentemperatur
T. und die Ist-Außentemperatur Tas für die 15 weitere Verarbeitung gespeichert.
Die Wärmeerzeugungs- und Ileizungsanlagc arbeitet sodann, bis die Innentemperatur
Ti den Sollwert
T N erreicht hat, also die Normaltemperatur der
Belegungsdauer vorliegt. Dies ist der Zeitpunkt des effektiven Endes der Optimierungsphase.
Die zugehörige Uhrzeit te wird zusätzlich gespeichert und der Mikrorechner schaltet
das Mischventil auf Reglerbetrieb. Die Regelung erfolgt nun während der Belegungsdauer
über den Witterungsregler.
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Die adaptive Wirkungsweise wird dadurch erzielt, daß nach jeder Optimierungsphase
die mit dem von dem Datenspeicher abgerufenen Wert der Gebäudediagnosezahl Kn berechnete
Aufheizdauer t auf mit dem erzielten Ergebnis verglichen wird. Hierzu dienen die
zuvor bestimmten und zwischengespeicherten Werte Tis, TasI t und te 5 vom Anfang
bzw. vom Ende des Aufheizbetriebes, wobei tests = tauf Der so bestimmte neue Wert
K +1 entspricht immer dem aktuellen Stand und liegt auf der sicheren Seite, da eine
Verlängerung von auf bewirkende Änderungen von K mit dem vollen Wert, eine Verkiirzung
von tauf bewirkende Änderungen von K nur zu 80t in Kn+1 eingehen. Mit anderen Worten,
wenn der Aufheizvorgang gegenüber dem berechneten Wert zu lange andauerte, wird
der Wert K n verkleinert auf Kn+1, so daß aufgrund des umgekehrt proportionalen
Verhältnisses die nächstfolgende Aufheizdauer verlängert wird, und umgekehrt. In
den Programmspeicher sind weiterhin obere und untere Grenzwerte für K unverlierbar
eingegeben.
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Bei der ersten Inbetriebnahme der Anlage wird aus dem Programmspeicher
ein K-Wert Ko als kleinster Anfangswert vorgegeben, der zu einer absichtlich zu
langen Aufheizdauer führt, wobei aufgrund der geschilderten adaptiven Funktion automatisch
nach einigen Tagen eine Erhöhung von K auf einen gebäudespezifischen Wert K n erfolgt.
Das gleiche gilt für einen Netzausfall von länger als 70 Stunden, da dann die für
diese Datensicherungsdauer ausgelegten Batterien erschöpft sind und die diesbezüglich
gespeicherten Daten in dem Mikrorechner gelöscht werden.
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Wenn nun während der Optimierungsphase die Innentemperatur den Mindestwert
Tmin unterschreitet, muß zur Vermeidung von übermäßiger Auskühlung und Kondensation
im Gebäude eine Zwischenheizung einsetzen. Es erfolgt sodann ein Aufheizer in der
gleichen
Weise wie bei dem Aufheizvorgang, der zum Erreichen der
Normaltemperatur zu Beginn der Belegungsdauer führt. Hierdurch ergibt sich innerhalb
kürzester Zeit ein Uberschreiten der Mindesttemperatur.
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Gleichzeitig wird der Wert t ab bei Zwischenheizungsbeginn für die
Nachrechnung von K zwischengespeichert. Die Zwischenheizung endet, sobald die Innentemperatur
den Wert T. = Tmin + XSd überschreitet.
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Nach Durchfahren der Schaltdifferenz XSd erfolgt eine Schaltung in
der gleichen Weise wie zum Zeitpunkt der Absenkung der Innentemperatur zu Ende der
Belegungsdauer. Der Mikrorechner befindet sich dann wieder bis zum nachsten Erreichen
eines Mindesttemperaturwertes in der Optimierungsphase.
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Um die Schalthäufigkeit dieser Zeitpunktregelung zu vermindern, wird
deren Schaltdifferenz an die Dauer der Optimierungsphase angepaßt und Sd bei längeren
Perioden auf einen größeren Wert geschaltet wie folgt: XSd = 0,5 K bei topt <
16h XSd = 3 K bei topt > 16h Wenn innerhalb der letzten beiden Stunden der Belegungsdauer
die gemessene Innentemperatur mindestens 0,5 h lang um mehr als 2 K über den Sollwert
TN ansteigt, wird nach Ablauf der Auslösezeit von 0,5 h die Temperaturabsenkung
vorfristig eingeleitet. Als Sollwert für die Mindest-Innentemperatur gilt bis zum
programmierten Ende der Belegungsdauer die Normaltemperatur T, erst dann erfolgt
die Umschaltung auf die Mindesttemperatur Tmin der Optimierungsphase. Hierdurch
wird bei einer nicht repräsentativen Uberhöhung der Innentemperatur und bzw. oder
einem Außentemperatursturz in dieser Zeit eine unverträgliche Abkühlung verhindert.
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Insbesondere bei der Fernheizungsversorgung ergibt sich das Erfordernis
einer abnehmenden Belastung der Netze durch Aufheizvorgänge bei fallender Außentemperatur,
um so auch den peripheren Wärmeabnehmern noch eine ausreichende Heizleistung zur
Verfügung stellen zu können. Unter diesen Bedingungen ist die Temperaturabsenkung
schon bei relativ hohen Außentemperaturen zu unterdrücken, und diesem Umstand wird
dadurch Rechnung getragen, daß der jeweilige Wert K mit einem entsprechenden Faktor
von kleiner als 1 multipliziert wird, um so den Wert für tauf entsprechend zu verlängern.