DE2939719A1 - Verfahren zum minimieren des brennstoffverbrauchs einer gebaeudeheizung - Google Patents

Verfahren zum minimieren des brennstoffverbrauchs einer gebaeudeheizung

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Minimieren des Drenn-
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend beispielsweise unter DezugnaIinte auf das beigefügte Blockschaltbild erläutert.
  • 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.
  • Uber zwei Ein-Ausgabe-Bausteine 5 ist der Mikrorechner 1 mit den zugeordneten Bauelementen verbunden. Hierbei sind im einzelnen angeschlossen.
  • 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.
  • 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.
  • 3. Eine elektronische Uhr 9, von der der Mikrorechner 1 die Tageszeit und den Wochentag einlesen kann.
  • 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.
  • Mischventile, geöffnet und geschlossen werden und eine Umschaltung auf Temperaturregelung, z.B. mit einem witterungsgeführten Regler 12a oder adaptive Wirkungsweise erfolgen kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der MikrorecIner steuert nunmehr die entsprechenden Stellglieder dergestalt, daß der Brenner eingeschaltet, die Umwälzpumpe eingeschaltet und das Mischventil einstellbar impulsweise geöffnet wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Minimieren des Brennstoffverbrauchs einer Gebäudes heizung Patentansprüche (1Verfahren zum Minimieren des Brennstcffverbrauchs einer Gebaudeheizung durch Abschalten der Wärmeerzeugungs- und Heizungsanlage während der Nutzungspausen und Wiedereinschalten derselben rechtzeitig vor Benutzungsbeginn, wobei zur Festlegung dieses Zeitpunktes die Außentemperatur sowie die mittlere Innentemperatur des Gebäudes berücksichtigt werden1 dadurch g e k e n n z e i c hn e t , daß zusätzlich die seit Abschalten vergangene Zeit, die Abkühlzeit tabl für die Berechnung der Aufheizdauer tauf nach der Gleichung Ti - Ta tauf K-(Ti-Ta) - tab 1 a 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.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Verlängerung von tauf bewirkende Änderungen von K mit dem vollen Wert, eine Verkürzung von tauf bewirkende Änderungen von nur zu einem Bruchteil in 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.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e ic h n e t, daß bei Erreichen einer einstellbaren Mindest-Innenemperatur Tmin vor Beginn der Aufheizdauer tauf zur Aufrechterhaltung dieses Wertes die Anlagen intervallmäßig mit von der Dauer der Optimicrungsphase abhängiger Schaltdifferenz eingesclialtet werden, und daß ab Erreichen dieses Wertes die vor diesem Zeitpunkt zuletzt 9emäß Gleichung berechnete Aufheizdauer tauf nur noch von Änderungen der Außentemperatur Ta beeinflußt wird.
    a
  4. 4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß zum Aufheizen die volle Leistung der Wtirmeerzeugungsanlage angewandt wird, mit der Maßgabe, daß während der Aufheizperiode durch einstellbar impulsweise Ansteuerung das Üffnen des Mischventils verzögert und so die der Wärmeerzeugungsanlage zugeführte Menge des auf Raumtemperatur ausgekühlten Heizmediums in dem Maße von Null bis zum Endwert vergrößert wird, wie die änderung der Differenzteinperatur zwischen Rüchlauf und Vorlauf der Wärmeerzeugungsanlage es erfordert.
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