DE4225622A1

DE4225622A1 - Verfahren zur steuerung traeger systeme zum heizen und kuehlen von gebaeuden

Info

Publication number: DE4225622A1
Application number: DE19924225622
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Scheu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-08-03
Filing date: 1992-08-03
Publication date: 1993-03-11
Also published as: GB2269917A; GB9315853D0; DE4309946A1

Description

Die Erfindung betrifft die Steuerung solcher Einrichtungen zum Heizen und Kühlen von Gebäuden, die entweder selbst oder in Verbindung mit bestimmten Bauweisen langsam reagieren, d. h. träge sind. Dies sind z. B. solche mit mit massereichen Heizflächen, wie z. B. mit Fußboden-Heizestrichen oder mit Stahlbeton-Geschoßdecken als Heiz- und Kühlflächen (z. B. P 40 27 833) betrieben werden. Diese Trägheit verstärkt sich weiter, wenn in schwerer Bauweise konstruierte Gebäude (Mauerwerk und Stahlbeton-Geschoßdecken) - wie dies immer häufiger der Fall ist - mit guten Wärmedämmungen versehen sind. Je nach Trägheit vergehen dann viele Stunden bis ein Ein- oder Ausschalten der Heizung oder Kühlung sich im Gebäude auswirkt. Die Steuerung von trägen Heiz- und Kühl systemen bereitet deshalb große Schwierigkeiten.

Verfahren zur Steuerung träger Heizsysteme - insbesondere von Fußboden-Speicherheizungen - sind zwar bekannt. Im Heizfall schalten solche Steuerungen die Wärmeerzeugung und -vertei lung ein, wenn

T_Hist < T_Hsoll

Dabei ist

T_Hist = gemessene Heizflächen-Temperatur
T_Hsoll = erforderliche Heizflächen-Temperatur

T_HSoll hängt von den Außen-Temperaturen und von baulich und klimatisch bedingten Faktoren ab. Diese Abhängigkeit wird in einer Heizkurve dargestellt, wie z. B. in Fig. 1 dargestellt. Bei sehr großen Heizflächen - wie sie z. B. in dem in P 40 27 833 beschriebenen, trägen und ähnlichen Systemen gegeben sind - sind die Heizkurven sehr flach und mit einer Geraden gemäß folgender Formel ausreichend definiert:

T_Hsoll = T_A · a + b

Dabei ist
T_A: gemessene Außen-Temperatur
a: wählbare Steilheit der Heizkurve (steilere Kurve bei schlechterer Wärmedämmung oder/und kleineren Heizflächen)
b: wählbarer Wert der Parallelverschiebung (größerer Wert bei kleineren internen und solaren Wärmegewinnen)

Die Heizung schaltet also ein, wenn

T_Hist < T_A · a + b

Beispiel

T_A = +8°C
a = -0,25 (d. h. z. B. bei einem Absinken der Außen-Temperatur um 32 K müßte die Heizflächen-Temperatur um 0,25×32 K = 8 K angehoben werden)
b = +26 K (ist nur bei großen Heizflächen und guten Wärmedämmungen ungefähr so zutreffend).

T_ist < +8°C × (-0,25) + 26 K
T_Hist < +24°C

Solche Steuerungen können aber nur bedingt vermeiden, daß z. B. unter Umständen in einer kühlen Nacht geheizt wird und tags darauf - wenn die Sonne scheint - es im Gebäude zu warm ist. Für die z. Zt. üblichen, im allgemeinen weniger trägen Heiz- und Kühlsysteme mögen diese Steuerungen ausreichen. Aber die immer wichtiger werdende Energieeinsparung erfordert immer bessere Wärmedämmungen, und diese führen in Verbindung mit schweren Bauweisen im Heizfall zu immer längeren Auskühl- und im Kühlfall zu immer längeren Aufheizzeiten, d. h. zu immer träger wirkenden Heiz- und Kühlsystemen. Und dann wirkt sich ein Steuerungsvorgang nach dem oben beschriebenen, be kannten und ziemlich einfachen Prinzip erst nach einem be stimmten, von der Trägheit des Systems abhängigen längeren Zeitraum aus.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung träger Heiz- und Kühlsysteme liegt folgende Aufgabenstellung zugrunde

- Es muß bewirken, daß nicht nachts geheizt wird und die Wärme erst tags ankommt, wenn sie nicht mehr gebraucht wird und sie müssen bewirken, daß in kühlen Nächten nicht gekühlt wird und es tags darauf, wenn es warm geworden ist, dafür wegen der Trägheit zu spät ist; d. h. sie müssen die Tag/Nacht- Schwankungen unberücksichtigt lassen können.
- Es muß ferner bewirken, daß Heizungen und Kühlungen betrie ben werden aufgrund vorausschauend ermittelter Außentempera turen, die erst nach Ablauf eines bestimmten von der Trägheit abhängigen Zeitraums künftig zu erwarten sind; d. h. daß Trends zu allgemein wärmerem oder kälterem Wetter vorausschauend er kannt und berücksichtigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst:

Beibehalten wird das Ein- und Ausschalten, wenn z. B. die Heizflächen-Temperatur für eine bestimmte Außentemperatur zu kalt bzw. zu warm ist. Beibehalten wird auch die oben be schriebene, bekannte Heizkurve, wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt.

Das hier beschriebene Verfahren ist jedoch dadurch gekenn zeichnet, daß - anstelle der Messung momentaner Außentempera turen - die der Steuerung zugrundezulegenden Werte wie folgt ermittelt werden (siehe Fig. 2):

Die Außentemperaturen werden laufend gemessen. In regelmä ßigen Abständen (c) - z. B. alle 2 Stunden - werden die mit bekannten Computer-gesteuerten Rechnern die Außentemperatur- Mittelwerte für die jeweils zurückliegenden 24 Stunden ( z. B. T_AM1 und T_AM2) gemessen und errechnet. Die Zugrundelegung solcher 24-Stunden-Mittelwerte für die Außentemperaturen gewährleistet, daß nicht mehr aufgrund von momentanen, zwi schen Tag und Nacht relativ stark schwankenden Außentempera turen ein- und ausgeschaltet wird und die Wärme bzw. Kälte trotzdem nicht rechtzeitig im Gebäude zur Wirkung kommt, sondern daß die Steuerungsfunktionen aufgrund allgemeiner, vom Tag/Nacht-Rhythmus unabhängigen Außentemperaturen erfol gen.

Außerdem ermittelt das hier beschriebene Verfahren künftige in bestimmten, wählbaren zeitlichen Abständen (d) zu erwar tende Außentemperaturen (T_AM) wie folgt: Der jeweils voraus gegangene Außentemperatur-Mittelwert (T_AM1) wird bis zur Er mittlung des nächsten Außentemperatur-Mittelwerts (T_AM2) ge speichert. Aus dem Vergleich beider Werte wird durch - in der Regel lineare - Hochrechnung die nach Ablauf eines wählbaren zeitlichen Abstands (d) zu erwartende Außentemperatur (T_AM) gemäß folgender Formel errechnet:

T_AM = T_AM2 + (T_AM2 - T_AM1) × d/c

Darin ist
T_AM: Die nach einem bestimmten Zeitraum zu erwartende, der Steuerung zugrundezulegende Außentemperatur
T_AM1: mit Hilfe laufender Messungen der Außentemperatur zu errechnender Mittelwert der Außentemperatur für die dem Zeitpunkt t₁ vorangegangenen 24 Stunden.
T_AM2: mit Hilfe laufender Messungen der Außentemperatur zu errechnender Mittelwert der Außentemperatur für die dem Zeitpunkt t₂ vorangegangenen 24 Stunden.
c: wählbarer Zeitraum zwischen t₁ und t₂
d: wählbarer Zeitraum zwischen t₂ und dem Zeitpunkt t, für den die zu erwartende Außentemperatur errechnet werden soll.

Setzt man diese zu erwartende Außentemperatur (T_AM) anstelle von T_A in die o. g. Formel

"T_Hsoll = T_A × a + b"

ein, schaltet die Heizung ein, wenn

T_Hist < {T_AM2 + (T_AM2 - T_AM1) × d/c} · a + b

Beispiel

T_AM1 = +7°C
T_AM2 = +8°C
c = 2 Stunden
d = 18 Stunden
a = -0,25
b = +26 K

T_Hist < {+8°C + (+8°C - 7°C) · 18 h/2 h} · (-0,25) + 26 K
T_Hist < +21,75°C.

Das beschriebene Verfahren wird in handelsübliche Computer- gesteuerte Regeleinrichtungen einprogrammiert. Anhand der Meßdaten und aufgrund des beschriebenen Verfahrens entschei det dann die Regeleinrichtung vorausschauend über den Heiz- und Kühlbetrieb.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind:

- Die täglich zwischen Tag und Nacht um ca. 8 K schwankenden Außentemperaturen können nicht mehr nachts zur Wärmeerzeu gung und bei einem darauf folgenden warmen Tag zu Übererwär mungen führen. Bei den überaus langen Auskühl- und Aufheiz zeiten schwerer, gut speichernder und gut gedämmter Bauwei sen sind "flinke" Anpassungen an die zwischen Tag und Nacht schwankenden Außentemperaturen weder nötig noch möglich.
- Die Steuerung erkennt schon anhand der Veränderung zwischen zwei, z. B. nur 2 Stunden auseinanderliegenden 24-Stunden- Außentemperatur-Mittelwerten, ob sich eine allgemeine Erwär mung oder Abkühlung der Witterung abzeichnet, und die Steuer ung kann diese Trends berücksichtigen: Die Heizung oder Küh lung wird schon dann ein- bzw. ausgeschaltet, wenn dies zwar aufgrund der momentanen Außentemperatur und der Temperatur in der Heiz- oder Kühleinrichtung noch nicht erforderlich ist, aber im Hinblick auf Tendenzen zur allgemeinen Erwärmung oder Abkühlung der Witterung in einigen, z. B. 18 Stunden wahr scheinlich erforderlich sein wird. Mit Hilfe dieser voraus schauenden Messung der Außentemperatur wird vermieden, daß bei trägen Systemen die Wirkung der Heizung bzw. Kühlung dem Bedarf hinterherhinkt.
- Durch einen relativ geringen Abstand der Messungen und Er rechnungen der 24-Stunden-Mittelwerte für die Außentemperatu ren, wird in diesen Abständen kontrolliert, ob ein Heiz- oder Kühlbetrieb beibehalten oder abgebrochen werden muß.
- Dieses Verfahren zur Steuerung von Heizungen und Kühlungen ist notwendig für in schwerer Bauweise konstruierte Gebäude mit guten Wärmedämmungen, und es ist unabdingbar für zwar träge aber hinsichtlich der Substitution fossiler Brenn stoffe vorteilhafte Heiz- und Kühlsysteme, wie z. B. in P 40 27 833 beschrieben. Es ermöglicht erst, solche umweltfreund lichen Systeme problemlos zu betreiben.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung von Einrichtungen zum Heizen und Kühlen von Gebäuden aufgrund von Temperaturen im Heiz- und Kühlsystem und aufgrund von Außentemperaturen

- dadurch gekennzeichnet, daß diese ermittelt werden, indem sie aus der Veränderung von in zeitlichen Abständen aufgrund laufender Messungen errechneten Mittelwerten für die Außentemperaturen während der jeweils zurück liegenden 24 Stunden auf die in bestimmten zeitlichen Abständen künftig zu erwartenden Mittelwerte für die Außentemperaturen hochgerechnet werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß jene zeitlichen Abstände frei wählbar sind, die zwischen den einzelnen, aufgrund laufender Messungen errechneten Mittelwerten für die Außentemperaturen während der je weils zurückliegenden 24 Stunden liegen.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß jener zeitliche Abstand frei wählbar ist, der zwischen den letzten aufgrund laufender Messungen errechneten Mittelwerten für die Außentemperaturen während der je weils zurückliegenden 24 Stunden und den künftig zu er rechnenden Mittelwerten für die Außentemperaturen liegt.