DE3716798A1 - System zur temperaturregelung von warmwasser in wandaufgehaengten mischgas-durchlauferhitzereinheiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Regelung der Temperatur des Warm- bzw. Heißwassers in einem an der Wand aufgehängten Gasdurchlauferhitzer mit Doppelwärmeaustau­ scher. Das System dient nicht nur dazu, die Temperatur unabhängig von der durch den Verbraucher verbrauchten Warmwassermenge, stets auf einem konstanten Pegel, d.h. auf einem vorher festgelegten, eingestellten Wert, zu halten, wobei eine konstante bzw. eine gleichmäßige Versorgung ohne abrupte Temperaturänderungen vorgesehen wird, was insbe­ sondere für Bade- und Duschwasser wichtig ist. Das System ist auch in der Lage, die Strömung von Gas zur Heizeinheit in dem Fall zu begrenzen, daß die durch das Warmwasser benötigte Wärmeleistung größer als die maximale Ausgangs­ leistung der Heizeinheit oder kleiner als die minimale Ausgangsleistung ist, die erforderlich ist, um die Flam­ menstabilität beizubehalten.

Wie wohlbekannt ist, enthält eine wandaufgehängte Mischgas- Durchlauferhitzereinheit einen Brenner, der in Aufeinander­ folge durch ein elektrisch gesteuertes Ein/Aus-Schaltventil und ein Gassteuer- bzw. Gasüberwachungsventil (Modulations­ ventil), auch elektrisch gesteuert, gespeist wird, wobei der Brenner über einen Lamellenwärmeaustauscher Wärme an das Haushalts-Heizsystemwasser liefert, das mittels einer Pumpe durch den Radiator- oder Heizkörperkreis oder durch ein Dreiwegeventil in den Primärkreis eines zweiten Wär­ meaustauschers oder Warmwasseraustauschers umgewälzt bzw. zirkuliert wird, in dessen Sekundärkreis das Warmwasser zirkuliert.

Jede Heizeinheit ist mit einem Steuersystem ausgestattet, dessen Zweck darin besteht, das Warmwasser am Auslaß der Heizeinheit auf dem gewünschten, vorher festgelegten, ein­ gestellten Wert zu halten, und auf diese Weise wird für den Verbraucher eine Warmwasserversorgung geschaffen, die frei von unangenehmen Temperaturänderungen ist, die durch äußere und nicht völlig kompensierte Störungen durch das Steuer­ system verursacht werden, wie z.B. Änderungen in der Strö­ mung des verbrauchten Wassers, Änderungen der Temperatur des in den Sekundärkreis des Warmwasserwärmeaustauschers eintretenden Wassers, etc.

Vom aktuellen Stand der Technologie her gibt es bereits verschiedene Typen von Steuersystemen, die sich von me­ chanischen Vorrichtungen bis zu elektronischen Vorrich­ tungen mit Ein/Aus-Steuerung, zu elektronischen Vorrich­ tungen mit Proportionalsteuerung bzw. -regelung im Primär­ oder im Sekundärkreis des Warmwasseraustauschers er­ strecken. Keine der vorhandenen Vorrichtungen ist jedoch vollständig in der Lage, die Temperatur des Warmwassers am Auslaß stets konstant zu halten.

Obwohl sie von der Konzeption her im wesentlichen ausge­ klügelt sind, sind die Vorrichtungen vom ersten Typ nicht geeignet, das vorher festgelegte Ziel zu erreichen, was auf den ihnen eigenen Begrenzungen in einer mechanischen Anord­ nung beruht, die von Hysterese- und Reibungsphänomenen herrühren. Bei diesen Systemen ist die Regelung lediglich proportional, und es besteht daher ein wirkliches Bedürfnis für das Vorliegen eines Fehlers selbst bei normalen Be­ triebsbedingungen. Obwohl ein elektronischer Regler ver­ wendet wird, sind andererseits die Vorrichtungen vom zweiten Typ nicht geeignet, eine gute Funktion und Leistung zu liefern, was auf dem Endstellglied bzw. -schalter be­ ruht, der vom Ein/Aus-Typ ist und eine Anpassung der Wär­ meleistung an den Wert nicht gestattet, der zur Beibehal­ tung der korrekten Ausgangstemperatur benötigt wird.

Die Vorrichtungen vom dritten Typ neigen dazu, die Tem­ peratur des Primärfluids konstant zu halten, und dies wäre äquivalent dazu, die Temperatur am Auslaß aus dem Sekundär­ kreis des Warmwasserwärmeaustauschers lediglich im Fall eines idealen Wärmeaustauschers konstant zu halten. In Wirklichkeit sind die tatsächlich realisierbaren Wärmeaus­ tauscher weit von einem idealen Wärmeaustauscher entfernt, und die Regelanordnung vom reinen Proportionaltyp führt zu einer weiteren Funktionsbeeinträchtigung, die die Suche nach einer Verbesserung durch Verwendung von Vorrichtungen vom vierten Typ stimuliert hat.

Die letzteren Vorrichtungen regeln die Temperatur des Warmwassers wirksam am gewünschten Punkt, d.h. am Auslaß aus dem Warmwasseraustauscher, und sie sind somit unter Umständen in der Lage, die erforderliche Funktion und Leistung zu liefern. Ihre Begrenzung liegt in ihrer Ver­ wendung in der Regelschleife einer Steuerung bzw. Regelung vom Proportionaltyp, die eine Aufhebung bzw. einen Abgleich des Fehlers im stationären Zustand nicht gestattet. Diese Art der Steuerung ist in der Tat durch eine Gleichung ge­ kennzeichnet, die die Differenz zwischen der Referenz­ temperatur und der in Regelung befindlichen Temperatur, bezeichnet als Fehler e, und der Wärmeleistung W am Ausgang aus der Heizeinheit verbindet, der Art W = Ke wobei K die Verstärkung in der Regelschleife ist.

Wenn die Menge des dem Sekundärkreis des Wärmeaustauschers entnommenen Warmwassers zunimmt, ist es offensichtlich erforderlich, die zugeführte Energie bzw. Leistung zu er­ höhen, um die Temperatur konstant zu halten. Aus der vor­ hergehenden Gleichung ist ersichtlich, daß diese Lei­ stungszunahme eine Zunahme des Fehlers mit sich bringt, d.h. eine Änderung in der Ausgangstemperatur, die um so ge­ ringer ist, je größer die Verstärkung K ist, die jedoch nicht über einen bestimmten Wert hinaus vergrößert werden kann, ohne eine Schwingung des Systems mit sich zu bringen.

Typische gemäß dieser Konzeption konstruierte Vorrichtungen weisen eine Oszillation oder Schwankung in der Temperatur des Wassers am Auslaß in bezug auf den vorher festgelegten Wert mit einer zusammenpassenden Änderung der Strömungsrate des Wassers selbst zwischen den minimalen und maximalen normaler Nutzung von mehr als 10 Grad auf, was zu ausge­ prägt ist, um den benötigten Komfortgrad sicherzustellen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, dieses Problem zu lösen und ein System bzw. eine Anordnung zur Regelung der Temperatur des Warmwassers in einer wand­ aufgehängten Gasdurchlauferhitzereinheit vorzusehen, die sicherstellt, daß die Temperatur des Warmwassers, unge­ achtet davon, wieviel davon verbraucht wird, stets konstant bleibt, indem der Fehler stets auf Null gehalten wird und indem ein rasches Ansprechen auf Änderungen vorgesehen wird.

Überdies ist das System so konzipiert, daß die Zufuhr von Gas zur Heizeinheit in dem Fall unterbrochen und/oder be­ grenzt wird, daß die benötigte Wärmeleistung oberhalb eines bestimmten normalen Betriebsbereichs liegt, d.h. wenn sie größer als die maximale Ausgangsleistung ist, die durch die Heizeinheit geliefert werden kann, oder kleiner als die minimale Ausgangsleistung ist, die zur Vermeidung einer Flammeninstabilität erforderlich ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem System zur Temperaturregelung des Warmwassers in einer wandaufge­ hängten Mischgas-Durchlauferhitzereinheit mit den Merk­ malen gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen darin, daß in die Schleife zur Steuerung der Warmwassertemperatur eine Vorrichtung vom Proportional-Integral-Differential-Typ (PID) eingefügt wird, die es dank ihrer integrierenden Wirkung bei einem Null-Eingangsfehler gestattet, an ihrem Ausgang einen konstanten Wert und damit eine konstante Wärmeleistung äquivalent derjenigen beizubehalten, die in dem speziellen Betriebszustand erforderlich ist. Mit anderen Worten, in dem im stationären Zustand arbeitenden System bleibt die Temperatur des Warmwassers am Ausgang genau beim eingestellten Wert konstant, was für eine Warmwassermenge auch immer entnommen wird und solange die benötigte Wärmeleistung innerhalb der oberen Grenze der Maximalleistung, die durch die Heizeinheit geliefert werden kann, und der unteren Grenze der Minimalleistung bleibt, die geliefert werden kann, ohne eine Flammeninstabilität mit sich zu bringen. Dieses Merkmal der PID-Regelung wird weiter durch das Vorhandensein des D-Verhaltens (Differen­ tial-Verhaltens) im Regler ergänzt, der die Ansprechge­ schwindigkeit dadurch verbessert, daß das Gassteuerventil vorab über Änderungen in der Ausgangsleistung informiert wird.

Kurz, das Regelungssystem für das Warmwasser in einer wandaufgehängten Mischgas-Durchlauferhitzereinheit, die einen mit Gas durch ein elektrisch ein/ausgesteuertes Funktionsventil (Schaltventil) und dann durch ein zweites Gasüberwachungsventil (Steuerventil), ebenfalls elektrisch gesteuert, gefeuerten Brenner umfaßt, wobei der Brenner durch einen Lamellenwärmeaustauscher Wärme an das Haus­ halts-Heizsystemwasser liefert, das mittels einer Pumpe durch den Radiatorkreis oder durch ein Dreiwegeventil in den Primärkreis eines Wärmeaustauschers in Umlauf gebracht wird, in dessen Sekundärkreis, in dem das Warmwasser zir­ kuliert, ein Strömungsschalter, der das oben erwähnte Dreiwegeventil steuert sowie ein Warmwassertemperatursensor eingefügt ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Warmwassertemperatursensor erzeugte elektrische Signal mit einem eingestellten elektrischen Signal verglichen wird, das als Thermostat mit einem Potentiometer wirkt, und das Fehlersignal oder die Dif­ ferenz wird auf den Eingang eines Verstärkers vom Propor­ tional-Integral-Differential-Typ (PID-Typ) gegeben. Der Ausgang dieses Verstärkers ist mit einem Eingang einer Minimalleistungs-Auswahlvorrichtung, d.h. eines Selektors, verbunden, auf dessen anderen Eingang das Fehlersignal oder die Differenz zwischen der Temperatur des Heizsystemwas­ sers, die durch einen zweiten Sensor in dem oben erwähnten Primärkreis am Ausgang aus dem Lamellenwärmeaustauscher detektiert worden ist, und der maximalen tolerierbaren eingestellten Temperatur eingegeben wird. Das Ausgangs­ signal dieser Minimalleistungs-Auswahlvorrichtung wird dann zur entsprechenden Steuerung des zweiten Gassteuerventils über einen Leistungsverstärker und das erste Ein/Aus­ schaltventil übermittelt, nachdem es mit einem elektrischen Signal verglichen worden ist, das proportional zur mini­ malen Leistung ist, die durch die Heizeinheit geliefert werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung weiter erläutert. 1n der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer wandaufgehängten Gasdurchlauferhitzereinheit mit Doppelwärme­ austauscher, bei der das erfindungsgemäße Warm­ wassertemperatur-Regelsystem übernommen worden ist, und

Fig. 2 das Logikschema des in Fig. 1 dargestellten Re­ gelsystems.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein Brenner 1 in einer Heizeinheit enthalten, die mittels Gas durch ein Ein/Aus- Funktions- bzw. Schaltventil 2 und ein Steuer- oder Überwachungsventil 3 gefeuert wird, die wiederum durch Leitungen 4 und 5 mittels einer Steuerschleife elektrisch gesteuert werden. Die durch den Brenner 1 erzeugte Wärme wird in einem Lamellenaustauscher 7 an das Heizsystemwasser abgegeben, das mittels einer Pumpe 8 im Kreis 9 von Radia­ toren 10 umgewälzt wird, wenn ein Dreiwegeventil 11 in die in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Position geschaltet ist, oder in den Primärkreis 12 eines Wärmeaustauschers 13 in Umlauf gebracht wird, wenn das Ventil 11 in die mit durch­ gezogenen Linien in Fig. 1 dargestellte Position geschaltet ist. Im Sekundärkreis 14 des Wärmeaustauschers 13 zirku­ liert im Gegenstrom zum Heizsystemwasser im Primärkreis 12 das Warmwasser, das die verschiedenen Hähne 15 speisen wird. Im Sekundärkreis 14 ist am Ausgang des Wärmeaus­ tauschers 13 ein Sensor 16 für die Temperatur des Warm­ wassers, dessen elektrisches Signal über eine Leitung 17 in den Steuerkreis 6 übermittelt wird, sowie ein Strömungs­ schalter 18 eingefügt, der über eine Leitung 19 das Drei­ wegeventil 11 steuert, wobei er es wie in Fig. 1 darge­ stellt schaltet, wenn die Öffnung eines Hahns 15 zu einer Warmwasserströmung führt, die durch den Strömungsmesser selbst detektiert wird.

Dem Steuerkreis 6 wird auch durch eine Leitung 20 das elektrische Signal übermittelt, das zur Temperatur des Warmwassers proportional ist, die mittels eines am Ausgang des Lamellenwärmeaustauschers 7 im Primärkreis 12 des Wärmeaustauschers 13 eingefügten zweiten Temperatursensors 21 detektiert worden ist.

Wie im einzelnen aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird das zur durch den Sensor 16 detektierten Temperatur des Warmwassers proportinale elektrische Signal durch eine Leitung 17 zu einem Komparator 22 übermittelt, wo es mit einem durch ein Potentiometer 23 erzeugten elektrischen eingestellten Sig­ nal verglichen wird und der somit die Funktion eines Thermostaten erfüllt.

Das Differenz- oder Fehlersignal am Ausgang des Komparators 22 wird dann auf den Eingang eines Verstärkers 24 vom Proportional-Integral-Differential-Typ gegeben, dessen Ausgangssignal, dessen elektrischer Wert zur benötigten Wärmeleistung proportional ist einem Eingang 25 eines Minimalleistungsselektors 26 übermittelt wird, der es mit dem Signal der maximal zulässigen Leistung vergleicht, die in dem am Eingang 27 des Selektors 26 beginnenden Kreis erzeugt wird.

Dieser Kreis nimmt das zur durch den Sensor 21 detektierten Temperatur des im Primärkreis 12 des Wärmeaustauschers 13 umlaufenden bzw. zirkulierenden Heizsystemwassers pro­ portionale elektrische Signal und vergleicht es im Kom­ parator 28 mit einem eingestellten elektrischen Wert, der durch ein Potentiometer 29 eingegeben worden ist, das im selben Maßstab wie demjenigen des Sensors, die maximale Temperatur darstellt, die aus Sicherheitsgründen nicht überschritten werden sollte (etwas niedriger als die Siedetemperatur von Wasser). Das Differenz- oder Feh­ lersignal am Ausgang des Komparators 28 wird dann um einen großen Faktor K durch einen Verstärker 30 verstärkt, so daß das Signal am Eingang 27 des Selektors 26 ebenfalls eine Leistung darstellt, die hohe Werte annimmt, solange die durch den Sensor 21 detektierte Temperatur niedriger als die durch das Potentiometer 29 eingegebene maximal ein­ gestellte Temperatur ist, während es auf Null abnimmt, wenn der detektierte Temperaturpegel den maximalen zulässigen Wert erreicht. Demzufolge wird im ersten Fall der Mini­ malleistungsselektor 26 das Signal des Verstärkers 24 unverändert durchlassen und im zweiten Fall das des Ver­ stärkers 30, das Null ist, wobei in letzterem Fall eine vom System ausgeführte mögliche Anforderung nach größerer Leistung ignoriert wird und auf diese Weise die Schutz­ funktion ausgeführt wird, die automatisch aufhört, sowie die durch den Sensor 21 detektierte Temperatur des Warm­ wassers nicht mehr beim maximalen zulässigen Wert liegt.

Das Ausgangssignal 31 des Selektors 26 wird dann über einen Leistungsverstärker 32 in die oben erwähnte Leitung 5 zur Steuerung des Gassteuerventils 3 übermittelt, das dem Brenner 1 daher eine Gasströmung abgibt, die zu dem ihm zugesandten elektrischen Signal proportional ist. Außerdem steuert es das Ein/Ausschaltventil 2 durch Vergleich im Komparator 33 mit einem elektrischen Signal, das zur mini­ malen Leistung proportional ist, die durch den Brenner 1 geliefert werden sollte, um die Flammensstabilität bei­ zubehalten; dieses Signal wird durch ein Potentiometer 34 erzeugt. Bei Werten des Ausgangssignals 31, die niedriger als dieses Signal sind, macht das Ein/Ausventil 2 die Gaszufuhr zu.

Die obige Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Er­ findung ist keinesfalls einschränkend zu verstehen, ins­ besondere können stets technische oder konstruktive Ab­ änderungen ausgeführt werden, wobei diese innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen.

Die Erfindung läßt sich wie folgt zusammenfassen: In einem erfindungsgemäßen System zur Regelung der Tempera­ tur von Warmwasser in einer wandaufgehängten Mischgas- Durchlauferhitzereinheit, wird der Wert der durch einen am Ausgang des Sekundärkreises des Warmwasseraustauschers eingefügten Sensor detektierten Temperatur mit einem ein­ gestellten Wert verglichen und ihr Differenz- oder der Fehlerwert wird auf den Eingang eines Verstärkers vom Pro­ portional-Integral-Differential-Typ (PID) gegeben, dessen Ausgang mit einem Eingang eines Selektors für einen Mini­ malwert oder minimale Leistung verbunden ist, auf dessen anderen Eingang der Differenz- oder Fehlerwert zwischen der Temperatur des Heizsystemwassers und der entsprechenden maximalen zulässigen eingestellten Temperatur gegeben wird. Das Ausgangssignal des Selektors steuert dann die Gas­ steuerventile über einen Leistungsverstärker ebenso wie das Gas-Ein/Ausschaltventil über einen Vergleich mit einem Signal, das zur minimalen Wärmeleistung proportional ist, die durch die Heizeinheit geliefert werden kann.

Claims (2)

1. System zur Temperaturregelung von Warmwasser in einer wandaufgehängten Mischgas-Durchlauferhitzereinheit, die einen Brenner umfaßt, der mittels Gas durch ein erstes elektrisch gesteuertes Ein/Ausschaltventil und ein zweites Gassteuerventil, ebenfalls elektrisch gesteuert, gefeuert ist, wobei der Brenner durch einen Lamellenwärmeaustauscher Wärme an das Heizsystemwasser liefert, das mittels einer Pumpe im Radiatorkreis oder durch ein Dreiwegeventil im Primärkreis eines Wärmeaustauschers zirkuliert wird, in dessen Sekundärkreis, in dem das Warmwasser zirkuliert, ein das Dreiwegeventil steuernder Strömungsschalter sowie ein Warmwassertemperatursensor eingefügt sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das durch den Warmwassertem­ peratursensor (16) erzeugte elektrische Signal mit einem durch ein Potentiometer (23) eingegebenen elektrischen eingestellten Signal verglichen wird und das Fehler- oder Differenzsignal auf den Eingang eines Verstärkers (24) vom Proportional-Integral-Differential-Typ (PID) gegeben wird, dessen Ausgang mit einem Eingang (25) eines Minimallei­ stungsselektors (26) verbunden ist, auf dessen anderen Eingang (27) das Fehler- oder Differenzsignal zwischen der Temperatur des durch einen zweiten Sensor (21) im Primär­ kreis (12) am Ausgang des Lamellenwärmeaustauschers de­ tektierten Temperatur des Heizsystemwassers und der maxi­ malen zulässigen eingestellten Temperatur gegeben wird, wobei das Ausgangssignal des Minimalleistungsselektors (26) über einen Leistungsverstärker (32) zur Steuerung des zweiten Gassteuerventils (3) und des ersten Ein/Ausschalt­ ventils (2) übermittelt wird, nachdem es mit einem elek­ trischen Signal verglichen worden ist, das zur minimalen Wärmeleistung proportional ist, die durch die Heizeinheit geliefert werden kann.

2. System zur Temperaturregelung von Warmwasser in einer wandaufgehängten Mischgas-Durchlauferhitzereinheit, wie im wesentlichen beschrieben und veranschaulicht.