DE3538934C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Absenken eines Temperaturniveaus gemäß dem Oberbe­ griff des Hauptanspruchs.

Es sind Zentralheizungsanlagen bekanntgeworden, bei denen eine Wärmequelle, zum Beispiel ein Umlaufwasserheizer oder Kessel, einen aus einer Vielzahl von Radiatoren oder Konvektoren bestehenden Heizkreis speist. Hierbei werden moderne Heizungsanlagen mit Absenk- und Normaltem­ peraturzeiten gefahren, wobei zum Beispiel Absenkperioden am Vormittag, am Nachmittag und in der Nacht vorliegen können. Diese Absenkwerte können gleich oder unterschied­ lich sein, ebenso können die zwischen den Absenkperioden liegenden Hochtemperaturperioden gleich oder ungleich hoch in ihren Temperaturniveaus sein. Auch die Perioden­ dauern für Absenkung und Hochtemperaturzeiten sind selten gleich. Geht nun eine Heizungsanlage von einem Hochtempe­ raturzustand in eine Absenkung über, so wird in der Regel der Sollwert der Vorlauftemperatur erniedrigt. Ist nun die folgende Absenkperiode relativ kurz, so wird im Rah­ men des nunmehr für die Heizungsregelung geltenden neuen Sollwertes in der Regel immer noch Energie zugeführt, wenn auch auf einem niedrigeren Niveau, wobei eventuell gar keine Energiezufuhr notwendig wäre, um unter Ausnut­ zung des Speichereffekts eine größtmögliche Energieein­ sparung zu erzielen. Andererseits kann durch ein völliges Abschalten der Heizleistung an sich die Möglichkeit des Einfrierens von Teilen der Zentralheizungsanlage an be­ sonders ungeschützten Lagen auftreten. Um dies zu verhin­ dern, wird gemäß der DE-OS 33 28 191 die Energie so lange gesperrt, bis eine Frostschutztemperatur unterschritten wird.

Weiterhin bekannt ist eine in der DE-AS 28 43 929 be­ schriebene Anordnung zum Steuern der Raumtemperatur, bei der ein Raumtemperaturfühler zwecks Ausschaltung von Störfaktoren, wie beispielsweise geöffnete Fenster, durch einen Rechner ersetzt ist, welcher die Raumtemperatur un­ ter Berücksichtigung der Gebäudewerte, der Werte der Heizungs- oder Klimaanlage und der momentanen Witterung berechnet.

Nachteilig ist bei beiden zitierten druckschriftlichen Vorveröffentlichungen, daß die Abschaltung der Heizungs­ anlage zu einem vorgegebenen Absenkungszeitpunkt erfolgt, unabhängig davon, ob die Soll-Temperatur im Rahmen übli­ cher Regelschwankungen gerade überschritten oder unter­ schritten wird. Dadurch kann kurz vor der Absenkung noch eine unnötige Raumaufheizung stattfinden.

Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ohne Inkaufnahme einer Behaglichkeitseinbuße eine möglichst große Energieeinsparung bei Sollwert-Absen­ kungen bei einem Verbraucher zu erzielen. Diese Sollwert- Absenkung ist nicht auf eine Heizungsanlage beschränkt, ein in seinem Soll-Temperaturzustand variierender Ver­ braucher kann ebensogut ein Brauchwasserspeicher oder eine Fußboden-Strahlungsheizung sein.

Die Lösung der Aufgabe liegt in den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs, und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche beziehungs­ weise gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Fi­ guren eins und zwei der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Heizungs­ anlage und

Fig. 2 bs 4 Diagramme.

Bei der Zentralheizungsanlage 1 gemäß Fig. 1 ist eine Wärmequelle 2 in Gestalt eines gas- oder ölbeheizten Um­ laufwasserheizers beziehungsweise Kessels oder elek­ trischen Durchlauferhitzers beziehungsweise einer Wärmepumpe vorgesehen, die einen Wärmetauscher 3 auf­ weist, der innerhalb einer Brennkammer 4 angeordnet ist und dem das erwärmte Wasser der Zentralheizungsanlage über eine mit einem Temperaturfühler 5 versehene Vorlauf­ leitung 6 abgeführt wird. Die Vorlaufleitung führt zu einem Mehrwege-Umschaltventil 14, das einen Stellmotor 15 aufweist, der über eine Stelleitung 16 mit der Steuerung 13 verbunden ist, an die sich zwei Verbraucher 8 und 9 anschließen, wobei der Verbraucher 8 aus einem Brauchwasserspeicher, der Verbraucher 9 aus einer Viel­ zahl parallelund/oder in Serie geschalteter Heizkörper oder einer Fußboden-Heizungsanlage besteht, von denen we­ nigstens einer innerhalb eines Raumes 10 angeordnet ist, in dem ein Raumtemperaturfühler 11 vorhanden ist, der über eine Meßleitung 12 mit einer zentralen Steuer- be­ ziehungsweise Regeleinheit 13 verbunden ist.

Rücklaufseitig sind die beiden Verbraucher 8 oder 9 - es können mehr als zwei Verbraucher sein - an eine Rücklaufleitung 17 angeschlossen, in der eine von einem Antriebsmotor 18 antreibbare Umwälz­ pumpe 19 vorhanden ist, die ihrerseits rücklaufseitig mit dem Wärmetauscher 3 verbunden ist. In der Rücklaufleitung 17 ist ein Rücklauftemperaturfühler 20 angeordnet, der über eine Meßleitung 21 gleichermaßen mit der Steuerung 13 verbunden ist. Weiterhin ist ein Brauchwasser-Tempe­ raturfühler 22 im Brauchwasserteil des Verbrauchers 8 vorgesehen, der über eine Meßleitung 23 mit der Steuer- und Regeleinheit 13 verbunden ist, die ihrerseits Sollwertgeber 24 und 25 für die angeschalteten Verbrau­ cher aufweist. Weiterhin weist die Steuer- und Regelein­ heit eine Schaltuhr 26 auf. Den Verbraucher 8 durchsetzt eine Zapfwasserleitung, die vorlaufseitig des Brauch­ wasserspeichers von einem Zapfventil 27 beherrscht ist.

An die Steuer- und Regeleinheit 13 ist über eine Leitung 28 ein Außentemperaturfühler 29 angeschlossen, ferner über eine Stelleitung 30 ein elektromagnetischer Antrieb 31 eines Magnetventils 32, das eine Gaszuleitung 33 zu einem den Wärmetauscher 3 beheizenden Gasbrenner 34 beherrscht.

Die Arbeitsweise der Steuer- und Regeleinheit 13 wird nun anhand der Diagramme der Figur zwei näher erläutert.

Die Fig. 2 zeigt eine Kurve 31, die ein erstes hoch­ liegendes Niveau 32, ein zweites im Zeitpunkt t0 hieran anschließendes tiefes Niveau 33 und ein zum Zeitpunkt t1 ansteigendes, aber nicht ganz auf die Höhe des ersten Niveaus steigendes Niveau 34 aufweist. Weiterhin ist ein unter allen Niveaus liegendes weiteres Niveau 35, was konstant angenommen ist und einen Frostschutz bedeutet, eingezeichnet.

Vor einem ersten Zeitpunkt t0 herrscht gemäß dem Kurven­ teil 32 ein erster Raumtemperatur-Sollwert ϑR-Soll 1, an den sich zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 ein um we­ nigstens Δϑ (z. B. 3 Kelvin) niedriger liegendes zweites Raumtempe­ raturniveau ϑ Soll 2 gemäß dem Kurventeil 33 anschließt, woran sich ab dem Zeitpunkt t1 ein gegenüber dem eben geltenden Raumtemperatur-Sollwert erhöhtes Temperatur­ niveau ϑR Soll 3 gemäß dem Kurventeil 34 anschließt. Es muß verhindert werden, daß ein hiervon abweichender wei­ terer Raumtemperatur-Sollwert ϑR Soll 4 unter­ schritten wird, um zu gewährleisten, daß auf keinen Fall Teile der Heizungsanlage bei extremen Bedingungen ein­ frieren (Dauer der Absenkung über ein Wochenende bei er­ heblichen Minus-Außentemperaturgraden).

Soll beispielsweise nach dem Schlafengehen der Benutzer eines Einfamilienhauses zum Zeitpunkt t0 die Raumtempe­ ratur zur Nacht abgesenkt werden, wobei diese Nachtab­ senkung länger als drei Perioden T des Gebäudes dauert, so wird die erfindungsgemäße Sparabsenkung eingeleitet. Das bedeutet, daß zum Zeitpunkt t0 der Brenner erlischt, die Umwälzpumpe abgeschaltet wird und das Mischventil zu­ gefahren wird, so daß der zugehörige Verbraucher, nämlich die Heizungsanlage, von der Zufuhr warmen Wassers abge­ trennt wird. Hiermit wird eine möglichst effektive Ener­ gieeinsparung erreicht, da nunmehr der Raumtemperatur- Istwert schnell auf den jetzt geltenden Raumtemperatur- Sollwert ϑR Soll 2 absinkt. Dieser Wert gilt nunmehr als Vorgabe für die weitere Steuerung und Vorlauftempe­ raturregelung der Heizungsanlage, nach Erreichen des neuen Temperatur-Sollwertes und dessen Unterschreiten wird die Heizungsanlage unter Wiederanspringen des Bren­ ners, Öffnen des Mischers und Anlaufen der Pumpe auf den Sollwert ϑR Soll 2 geregelt. Im Zeitpunkt t1, meistens zum Aufstehen am frühen Morgen, wird die Heizungsanlage wieder auf den dann geltenden neuen Raumtemperatur-Soll­ wert angehoben.

Liegt die Dauer der Absenkperiode ϑR Soll 2 zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 kleiner als drei Perioden­ dauern T des Gebäudes oder beträgt der Absenkbetrag weni­ ger als Δϑ (z. B. 3 Kelvin), so wird eine normale Absenkung ohne Sparabschaltung von der Steuerung gefahren. Die Ermittlung dieser Werte ist bei Verwendung eines Mikro­ prozessors mit entsprechenden Speichern im Rahmen der Steuer- und Regeleinheit 13 ohne weiteres möglich, da die Vorgabe der Sollwertgeber 24 oder 25 und die Schaltein­ stellungen der Schaltuhr 26 gespeichert und abgefragt werden können. Damit hat der Mikroprozessor die ent­ sprechenden Programmwerte vorgegeben.

Wie die Fig. 3 ausweist, kann bei einem Absenken der Heizungsanlage von einem Raumtemperatur-Sollwert ϑR Soll 5 gemäß dem Kurvenzug 36 der Kurve 37 auf ein tieferes Sollwert-Niveau 38 gemäß der Kurve ϑR Soll 6 so ver­ fahren werden, daß zunächst der Brenner gemäß der Kurve 39 zum Zeitpunkt t0 abgeschaltet wird und daß die Pumpe für einen gewissen Kurvenzug 40 bis zu einem Zeitpunkt t6 weiterläuft. Damit soll sichergestellt werden, daß die noch in der Heizungsanlage gespeicherte Wärme (Kesselin­ halt und Rohrinhalt) auf das Gebäude übertragen wird. Erst wenn der Istwert der Vorlauftemperatur nicht mehr über dem Raumtemperatur-Istwert liegt, ist der Zeitpunkt t6 erreicht, und auch die Pumpe wird abgeschaltet. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist vorgesehen, daß die Anlage auf jeden Fall einen Frostschutz aufweist. Das bedeutet, daß bei Unterschreiten der Vor-, Rücklauf- oder Raumtemperatur unter den Wert ϑR Soll 4 der Kurve 35 in Fig. 2 auf jeden Fall nachgeheizt wird. Das bedeutet, daß beispielsweise zum Zeitpunkt t7 die Pumpe wieder ein­ schaltet und zum kurz danachliegenden Zeitpunkt t8 auch der Brenner geschaltet wird. Der Heizungsanlage wird so viel Wärme zugeführt, daß die Stütztemperatur gemäß der Linie 35 in jedem Fall erhalten wird. Somit kann es im Verlauf der Absenkperiode ϑR Soll 6 einige Zuführungs­ zeiten von Energie durch die Wärmequelle geben.

Die Fig. 4 nimmt auf einen anderen möglichen Fall Bezug. Hierbei sind Brenner und Pumpe gemäß den Kurven­ zügen 41 und 42 in Betrieb, und der Raumtemperatur-Ist­ wert befindet sich gemäß der Kurve 43 über dem gerade zu diesem Zeitpunkt geltenden Raumtemperatur-Sollwert 44 gemäß der Kurve ϑR Soll 2. Da der Rechner in der Steuer- und Regeleinheit 13 mühelos erkennen kann, daß der Soll­ wert vom Istwert bereits überschritten ist, kann er ein sofortiges Abschalten des Brenners im Zeitpunkt t2 ver­ anlassen und damit sicherstellen, daß Raumtemperatur- Soll- und -Istwert zum Zeitpunkt t0, also der beginnenden Sollwert-Absenkung, gleich sind. Hierzu kann es zweck­ mäßig sein, die Pumpe gemäß der Kennlinie 42 bis zum Zeitpunkt t0 weiterlaufen zu lassen, um die Speicher­ kapazität der Heizungsanlage auszunutzen. Der Raumtempe­ ratur-Istwert wird weiter sinken, die Steuerung geht in die Sparabsenkung durch Ausschalten sowohl des Brenners und der Pumpen und Schließen des Mischers, soweit vor­ handen. Dieser Zustand dauert so lange, bis im Zeitpunkt t3 die Stütztemperatur gemäß dem jetzt geltenden Sollwert jR Soll 2 im Kurvenzug 44 erreicht ist. Zu diesem Zeit­ punkt schaltet der Brenner gemäß der Kurve 41 ein, ganz kurz vorher hat zum Zeitpunkt t4 die Pumpe eingeschaltet. Aus sicherheitstechnischen Gründen muß zuerst die Pumpe laufen, bevor die Wärmequelle in Betrieb geht. Nunmehr wird die Vorlauf- oder Rücklauftemperatur der Heizungs­ anlage nach dem geltenden Sollwert ϑR Soll 2 gemäß dem Kurvenzug 44 geregelt. Findet etwa zum Zeitpunkt t9 ein Überschwingen des Raumtemperatur-Istwerts über den Raum­ temperatur-Sollwert statt und ist zum Zeitpunkt t5 be­ reits eine Temperaturanhebung für die Heizungsanlage geplant, bleiben Brenner und Pumpe von der Regeleinheit 13 weiter in Betrieb, da für den Rechner vorauszusehen ist, daß aufgrund des baldfolgenden Anhebebefehls ohne­ hin Betrieb für die Wärmequelle notwendig ist.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, unter maximaler Ausnutzung der Möglichkeiten der Energie­ ersparnis ohne Behaglichkeitseinbuße für die Bewohner des beheizten Gebäudes die Heizungskosten zu minimieren.

Die Erfindung ist auch auf das Aufheizen oder Absenken von anderen Verbrauchern wie Fußbodenheizungsanlagen oder Brauchwasserspeicher anwendbar.

Claims (10)

1. Verfahren zum Absenken eines Temperaturniveaus eines von einer Wärmequelle gespeisten Wärmever­ brauchers mittels einer Steuerung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verfahren selbstoptimie­ rend abläuft, indem die aktuellen Temperaturen (Raum-, Außen- und Vorlauftemperatur) und die Schaltzeitpunkte vorhandener Absenkzyklen ge­ speichert werden, wobei für den Fall, daß zu ei­ nem Zeitpunkt (t₂) der Ist-Wert der Raumtempera­ tur (ϑR Ist) beziehungsweise eine davon abge­ leitete Temperatur den Soll-Wert (ϑR Soll 1) um einen Mindestbetrag überschreitet und die Zeit­ differenz (t₀ - t₂) bis zur Temperaturabsenkung einen Höchstwert unterschreitet, eine Abschaltung oder Drosselung der Wärmequelle bereits zu die­ sem Zeitpunkt (t₂) erfolgt (Fig. 4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Überschreiten eines vorgebbaren Absenk-Temperaturgrenzwertes (ϑR Soll 2, ϑR Soll 6, jR Soll n) die Energiezufuhr zur Wärmequelle (1) so lange gesperrt wird, wie eine vorgebbare weitere Temperaturschwelle (ϑR Soll 4) nicht unterschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Ermittlung der vorgebbaren weiteren Temperaturschwelle (35) die Temperatur vorzugs­ weise im Rücklauf der Heizungsanlage gemessen wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Absenkung nur dann stattfindet, wenn ihre Dauer gleich oder größer 3T ist, wobei T die Zeitkonstante des beheizten Gebäudes oder eines Brauchwasser­ speichers darstellt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß im Zeitpunkt der Absenkung unter Weiterlaufen der Pumpe zu­ nächst der Brenner oder Heizwiderstand oder Kom­ pressor abgestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Mischer zwischen der Wärmequelle und dem angeschlossenen Verbraucher, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim Ausschalten des Brenners oder Heizwiderstandes beziehungsweise Kompressors der Mischer in der Sparabsenkung zugefahren wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zeit­ punkt der Abschaltung (t₂) des Brenners danach bemißt, daß zum eigentlichen gewünschten Absenk­ zeitpunkt (t₀) Gleichheit zwischen Raumtempera­ tur-Ist- und Raumtemperatur-Soll-Wert besteht (ϑR Soll 1 = ϑR Ist) (beziehungsweise eine davon abgeleitete Temperatur).

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß zuerst der Brenner beziehungsweise Heiz­ widerstand oder Kompressor und erst dann die Pumpe abgeschaltet wird, wobei die Pumpe erst zum Zeitpunkt t₀ des Absenkbeginns spannungslos gemacht wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der geltende Absenk-Temperatur-Soll-Wert (ϑR Soll 2) zum nächst Soll-Wert-Temperatursprung (t₅, ϑR Soll 3) aufgehoben wird, wenn dieser Soll- Wert-Sprung größer ist als eine vorgebbare Schwelle.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die vorgebbare weitere Schwelle gleich oder größer 2 Kelvin gehalten ist.