DE9408602U1 - MC-Heizungs- und Kesselsteuerung - Google Patents

MC-Heizungs- und Kesselsteuerung

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Description

Dip!.-Phys. Max Winkler, Steghäus.er'S^^S^i^irpiigQiis'.tQn 22.5.94
Beschreibung
Integriertes Micro-Controller-System zur Steuerung von Heizungs- und Kesselanlagen
Stand der Technik
Der Stand der Technik ist, daß durch eine vorgegebene Kessel-Temperatur-Absenkung abhängig von der Außentemperatur die Wärmeleistungsentnahme aus dem Heizkessel dem Heizenergiebedarf angepaßt wird. Dadurch soll die Heizung und die Kesselwasserbereitstellung dem witterungsbedingten Heizenergiebedarf entsprechend gesteuert werden. Deshalb wurde die Einführung der Niedertemperaturkesseltechnik damit begründet, daß mit geringeren Abstrahl- und Bereitschaftsverlusten gerechnet werden könnte und damit erhebliche Energieeinsparung durch die NT-Heizkesseltechnik erreicht würden.
Zusätzlich werden durch die Einstellung von Zeitfenstern für die Betriebszeiten der Heizkreise (von Tagbetrieb/Nachtabsenkung) die Heizungspumpen ein bzw. aus geschaltet.
Problem
Es bleiben jedoch eine Reihe unbefriedigend gelöster Punkte nach dem Stand der bisherigen Technik bestehen bzw. es treten durch die Einführung der Rippentechnik für NT-Heizkessel neue Probleme auf, die in der Praxis sogar zu einer Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades des Heizungssystems führen. Außerdem führt die Niedertemperaturbetriebsweise zu vermehrter Kondensatbildung an den Kesselheizflächen und im Schornstein und führt zu verstärkten Korrosionsprobiemen.
Bei neueren Untersuchungen über die Energieeinsparung von NT-Heizkesseln hat sich folgendes Problem ergeben: Mit Vorlauftemperaturen von 40-450C ist es nicht möglich, Brauchwasser zu erwärmen, also z.B. einen Speicher-Wassererwärmer aufzuladen. Dazu muß der Kessel mindestens 2 &khgr; täglich auf 60° hochgeheizt werden. Wenn jedoch die Speicherladung beendet ist, befindet sich der Kessel auf diesem hohen Temperaturniveau und nach Aufhebung der Vorrangschaltung wird das heiße Kesselwasser in das Heiznetz gefördert, wo diese hohe Temperatur nicht gebraucht wird, d.h. es wird Energie vergeudet und die Räume überheizt.
Neben einer energiesparsamen Betriebsart sind hygienische Gesichtspunkte, Betriebssicherheit, rechtzeitige und ausreichende Bereitstellung von Heizung und Warmwasser wichtige Forderungen.
Dipl.-Phys. Max Winkler, Steghäus.er;d9.a, i|43£5^§imb*aßh»(jnn 22.5.94
Nach dem bisherigen Stand der Technik bleiben dabei folgende Probleme ungelöst:
Umwälzpumpen laufen unnötig lange und verschwenden elektrische und thermische Energie
Die angestrebte Energieeinsparung durch den Niedertemperaturbetrieb mit Nachtabschaltung wird in der Praxis wegen des schlechten Regelverhaltens der Niedertemperatur-Rippenkessel nicht erreicht.
Bei längerer Kesseltemperatur-Absenkung können sich im Brauchwasserkreislauf Probleme mit einer Legionellendurchseuchung ergeben. Besonders bei trägen Heizsystemen (Fußbodenheizungen) führt eine fehlende Wärmebedarfsprognose zu Fehlsteuerungen ( verspätete Heizungsbereitstellung bzw. Überheizung der Räume).
Durch die MC-Heizungs- und Kesselsteuerung lassen sich diese Probleme mit neuen technischen Ansätzen lösen.
Erfindung
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Micro-Controller basiertes Meß- und Steuerungssystem, das fortlaufend die Außentemperatur, die Kesseltemperatur und die eingestellten Heizungsparameter mißt, die Einhaltung ihrer Grenzwertvorgaben überwacht und entsprechende Steuerungsaktionen automatisch veranlaßt. Aufgrund der eingestellten Parameter und der gemessenen Außentemperatur sowie deren zeitlichen Änderung iäßt sich eine Wärmebedarfsanforderung vorhersagen und dementsprechend rechtzeitig die notwendige Wärmebereitstellung und eine angepaßte Wärmetransportleistung gewährleisten. Dies geschieht durch eine außentemperaturabhängige Leistungsentnahme der MC-gesteuerten mittleren Umwälzpumpengeschwindigkeiten in den Heizungs- und Warmwasserkreisläufen.
Der Micro-Controller überwacht permanent sämtliche Temperaturen und Zeitschaltanforderungen der verschiedenen Heiz- und Brauchwasserkreisläufe. Eine batteriegepufferte Echtzeituhr mit batteriegepuffertem RAM-Speicher garantiert eine netzunabhängige Sicherheit der eingestellten Betriebsparameter, Zeitschaltintervalle und der Uhren- sowie der Datums-Funktionen.
Dipl.-Phys. Max Winkler, Steghäuser»3ö.a, ^43^<§iipßaf^j(jpn 22.5.94
Ablaufbeschreibung:
Die MC-Heizungs- und Kessel-Steuerung mißt die Kesselwassertemperatur (A1.1) und vergleicht sie mit dem eingegebenen Soliwert (A2.3). Unterschreitet die Kesselwassertemperatur den vorgegebenen Sollwert wird der Brenner eingeschaltet mit einer vorgegebenen Temperaturhysterese ( beispielsweise von 5 K) aufgeheizt. Bei zwei Voriauf-Entnahmestellen auf unterschiedlichem Temperaturniveau ( Anspruch 4 ) muß zusätzlich die Kesseltemperatur (A1.2) bei der Brennersteuerung berücksichtigt werden.
Bei Betätigung der Prüftaste (B2) wird der Brenner und sämtliche Pumpen (P1, P2, P3) auf volle Leistung geschaltet unabhängig von den jeweiligen Betriebszustandsparametern.
Die Brauchwasserpumpe (P3) wird in Abhängigkeit von der eingestellten Brauchwasserladezeit (T3) und der Brauchwassertemperatur (A1.4) eingeschaltet, wenn diese den vorgegebenen Brauchwassersollwert (A3.3) noch nicht erreicht hat. Außerdem wird durch die langzeitperiodischen Vorgaben des Sonderprogrammes zur LegioneNenvernichtung (T4) die Brauchwasserpumpe und der Brennerzustand für eine entsprechend höhere Sollwertvorgabe der Brauchwassertemperatur {= 7O0C) angesteuert.
Die Brauchwasserpumpe (P3) ist gesperrt, wenn die Kesseltemperatur (A1.2) <der
Brauchwassertemperatur A1.4 ist.
Die MC-Heizungs- und Kessel-Steuerung mißt die Außentemperatur (A2.1) und vergleicht sie mit dem vorgegebenen Sollwert (A2.6) für die Vollasttemperatur. Ist die Außentemperatur A2.1 < A2.6 so werden die Heizkreispumpe (P1) und die Fußbodenkreispumpe (P2) auf Vollast (100%) geschaltet.
Bei A2.1 > A2.6 werden die Teillastverhältnisse für den Heizkörperkreis ( &phgr;1 ) bzw. für den Fußbodenkreis (&phgr;2) vom Micro-Controller ausgerechnet. Die zugeordneten Pumpen werden dann im jeweils entsprechenden Taktschaitverhältnis angesteuert (Ansprüche 1 und 2). Die eingestellten Betriebsbereiche in (T1) und (T2) müssen sich dabei im Aktivzustand befinden und die Brennertemperatur (A1.1) darf nicht unter den Vorlauftemperatursollwert (A2.3) abgesunken sein.
Der Kessel kann auch in den Betriebspausen der Umwälzpumpen, also z.B. nachts auf Mindest-Vorlauftemperatur gehalten werden, so daß komplizierte Hochfahrprogramme entfallen. Die Schaltdifferenz der Voriaufregelung sollte etwa + 5K betragen, die des Kesse!reglers + 7K.
Dipl.-Phys. Max Winkler, Steghäb$ei;eQat^3^3iriiSa$$ij(Jpn 22.5.94
Spezifikation für Öl-/Gaskesselregelung
( speziell ausgelegt für "NT-Heizkessel" nach Gerhard Metzner)
A. Microcontroller - Teil
A1 Temperaturfühler
A 1.1 Vorlauftemp. ( <=> Kesseltemperatur bei einer Vorlaufentnahmetemp.)
A 1.2 Kesseltemp. (liegt » 15 K über A 1.1, bei zwei Vorlauftemp.)
A 1.3 Außentemp.
A 1.4 Brauchwassertemp. ( dient auch der Brauchwasserhygienisierung)
A 1.5 Abgastemp. ( Fühler optional, dient der Reinigungsanzeige )
A 2 Anzeigen im Display
Ä2.1 Außentemp. (oA1.3)
A 2.2 Vorlauftemp.-Istwert («►ALI)
A 2.3 Vorlauftemp.-Sollwert - vom Betreiber einstellbar von 40 bis 70 0C A 2.4 Teillastverhältnis Heizkörperkreis &phgr;1 (in % ) A 2.5 Teillastverhältnis Fußbodenkreis &phgr;2 (in % ) A 2.6 Vollast-Außentemp. = 100% Pumpenleistung Auslegungstemp. der Anlage
A 3 Zeitfenster
A3 T1 Betriebszeiten Heizkörperkreis ( 2 Betreibszeitbereiche einsteilbar) A3 T2 Bertriebszeiten Fußbodenkreis ( 1 Betriebszeit einstellbar) A3 T3 Brauchwasser-Ladezeit - A 3.3 Brauchwassertemp.- Sollwert einsteilbar A3 T4 Sonderprogramm "Legionellenvemichtung"
B. Konventioneller Teil
B 1 Ein-/Ausschalter
B 2 Prüftaste ( Kaminkehrer)
B 3 Maximalregler typgeprüft, festeingesteilter Sollwert = 85°C
B 4 Sicherheitstemp.-Begrenzer typgeprüft 1000C
B Ü Überbrückungsschalter bei MC-Störung
Fühleranordnung:
Der Fühler A 1.1 kommt in den Vorlaufabgang für die "gemischte Vorlauftemperatur. Die Fühler für A 1.2, B 3 + B 4 kommen in eine gemeinsame Tauchhülse in der wärmsten Kesselzone.
Funktionen:
Die funktionellen Verknüpfungen entsprechen dem beiliegenden Blockschaltbild

Claims (6)

  1. Dipl.-Phys. Max Winkler, Steghäus£r:39a,843S9*Sjrab*äci)£fon 22.5.94
    MC-Heizungs- und Kesselsteuerung
    Integriertes Micro-Controller-System zur Steuerung von Heizungs- und Kesselanlagen (im folgenden kurz "MC-Heizungs- und Kesselsteuerung" genannt)
    Schutzansprüche
    1. MC-Heizungs und Kesselsteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung derWärmeleistungsentnahme aus dem Heizkessel in Abhängigkeit vom jeweiligen Bedarf durch Veränderung des in das Heiznetz geförderten Heizungswasservolumenstromes bei konstanter Vorlauftemperatur erfolgt.
  2. 2. MC-Heizungs und Kesselsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungswasservolumenstrom durch eine Taktschaltung oder/und eine Drehzahländerung der Umwälzpumpen angepaßt wird, wobei die Außen-, Kessel-, Brauchwasser- und Raumtemperaturen fortlaufend erfaßt und entsprechend den eingestellten Zeitprogrammen und Sollwerten die Feuerungseinrichtungen und die Umwälzpumpen angesteuert werden.
  3. 3. MC-Heizungs und Kesselsteuerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die tiefste Außentemperatur, bei der die volle Pumpenförderleistung zur Verfugung stehen soll, vom Benutzer frei wählbar ist und daß für verschiedene Heizungskreisläufe { z.B. Heizkörper- oder Fußbodenkreis ) unterschiedliche Teillastverhältnisse eingestellt werden können.
  4. 4. MC-Heizungs und Kesselsteuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie für Heizkessel mit zwei Vorlauf-Entnahmestellen auf unterschiedlichem Temperaturniveau einsetzbar ist und dementsprechend die Temperaturfühler-Eingangssignale derart verarbeitet, daß die Bereitstellung der entsprechend dem jeweils aktuellen Zeitprogramm angeforderten Nutzwärme aufdemjeweils niedrigst möglichen Temperaturn iveau erfolgt.
  5. 5. MC-Heizungs und Kesselsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine getrennt gewertete Tag-/Nacht-Temperatur-SummenGrenzwertabfrage eine automatische Sommer-ZWinter-Betriebserkennung möglich ist.
  6. 6. MC-Heiz-/Kessel-Steuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch wöchentliche periodische Brauchwasseraufheizung über 65°C der gesamte Brauchwasserkreislauf hygienisiert und damit besonders der Legionellengefahr vorgebeugt werden kann, wobei durch eine zeitlich begrenzte Hygienisierungsaufheizung und Überwachung der Brauchwasser-Zirkulation dies ohne nennenswerten Energieverlust möglich ist.
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