DE102011011965A1

DE102011011965A1 - Self-learning control method for controlling temperature for e.g. supplying heat to space, involves predetermining minimum temperature value, temperature set value and maximum temperature value

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Publication number: DE102011011965A1
Application number: DE102011011965A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-08-23

Abstract

The method involves predetermining a minimum temperature value (Tmin), temperature set value (Tsoll) and a maximum temperature value (Tmax). The time course of actual temperature of space, subject matter, gas or liquid is measured in regular time spacings. The instantaneous state of valve opening, electrical heating power and/or cooling performance are sequentially stored for particular time in order to find a mean value. The minimum temperature value, the temperature set value and maximum temperature value are changed manually or scheduled at any time.

Description

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem selbstlernenden Verfahren zur Steuerung der Zufuhr von Wärme bzw. el. Energie in einen Raum, Gegenstand oder dgl. bzw. zur Kühlung derselben.The present work is concerned with a self-learning method for controlling the supply of heat or el. Energie in a room, object or the like. Or for cooling the same.

Der Verlauf der Ist-Temperatur wird laufend überwacht und die Veränderungen der Ist-Temperatur werden dazu benutzt, mit Hilfe eines Mikroprozessors in geeigneter Weise die zuzuführende bzw. abzuführende Wärmemenge so zu regeln, dass nur möglichst geringfügige Abweichungen von der Solltemperatur auftreten.The course of the actual temperature is constantly monitored and the changes in the actual temperature are used to regulate by means of a microprocessor in a suitable manner, the amount of heat to be supplied or dissipated so that only the smallest possible deviations from the target temperature occur.

Es wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Kenntnis von Umweltbedingungen, Heizkörpergröße, thermische Eigenschaften des zu beheizenden Raums bzw. Gegenstands und dgl., Eigenschaften der Heiz- bzw. Kühlanlage wie variable Vorlauf-, Rücklauftemperatur, schwankende Fördermenge nicht nötig ist.It describes a method in which the knowledge of environmental conditions, radiator size, thermal properties of the room or object to be heated and the like., Properties of the heating or cooling system such as variable flow, return temperature, fluctuating flow rate is not necessary.

Stand der TechnikState of the art

In der Praxis werden zur Regelung der Temperatur von Räumen, Gegenständen und dgl. selbstoptimierende Regelsysteme eingesetzt, bei denen jedoch der Betreiber oft mehrere Angaben z. B. über die Außentemperatur, die Vorlauf-, die Rücklauftemperatur, die Fördermenge, die Außenfeuchte, die Windverhältnisse, das Hystereseverhalten des Heizkörpers, die baulichen Eigenschaften des Raums usw. berücksichtigen muß, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. (vgl. Patent EP 1235 131 B1 ) (Kennlinie des Ventils)In practice, self-optimizing control systems are used to control the temperature of rooms, objects and the like., In which, however, the operator often more information z. B. on the outside temperature, the flow, the return temperature, the flow rate, the external humidity, the wind conditions, the hysteresis of the radiator, the structural properties of the room, etc. must take into account in order to achieve an optimal result. (see patent EP 1235 131 B1 ) (Characteristic of the valve)

Daneben sind zur Regelung der Raumtemperatur Thermostate bekannt, die nach dem sogenannten Zweipunktsystem arbeiten. Ein Ventil wird bzw. eine Pumpe wird ein- bzw. ausgeschaltet, wenn die Isttemperatur einen bestimmtem Wert unter- bzw. überschreitet. Der Unterschied zwischen diesen beiden Schaltpunkten und die Trägheit des Heizkörpers bei der Wärmeaufnahme und der Wärmeabgabe kann zu ganz beträchtlichen Schwankungen der Isttemperatur führen. (vgl. DE 19700762 A1 )In addition, thermostats are known to control the room temperature, which operate on the so-called two-point system. A valve or a pump is switched on or off when the actual temperature falls below or exceeds a certain value. The difference between these two switching points and the inertia of the radiator in the heat absorption and the heat release can lead to quite considerable fluctuations in the actual temperature. (see. DE 19700762 A1 )

Eine weitere Möglichkeit zur Regelung der raumtemperatur besteht in der Anwendung sogenannter PI, PID – Fuzziregler ( EP 0974880B1 , DE 4420800 A1 ).Another possibility for controlling the room temperature is the application of so-called PI, PID-Fuzziregler ( EP 0974880B1 . DE 4420800 A1 ).

Auch hier besteht die Schwierigkeit darin, die richtigen Integrations-, Differntiationskonstanten zu bestimmen, die von den äußeren Bedingungen abhängenAgain, the difficulty is to determine the proper integration, diffusion constants, which depend on external conditions

Daneben gibt es Verfahren, bei denen ein temperaturbasierter hydraulischer Abgleich für die einzelnen Heizkörper durchgeführt wird ( DE 10 2009 004 319 A1 ).In addition, there are methods in which a temperature-based hydraulic balancing is carried out for the individual radiators ( DE 10 2009 004 319 A1 ).

Dabei wird mit Hilfe der Vorlauf-, Rücklauftemperatur und der Raumtemperatur der Volumenstrom so gesteuert, dass die Rücklauftemperatur einen bestimmten Wert nicht übersteigtIn this case, the volume flow is controlled with the help of the flow and return temperature and the room temperature so that the return temperature does not exceed a certain value

Im der Schrift DE 10 2006 011 522 A1 wird eine Heizvorrichtung mit einer Niedertemperaturheizung beschrieben, bei der die Rücklauftemperatur einen bestimmten Grenzwert nicht übersteigen darf, bzw. die Öffnung des Ventils im Rücklauf in Abhängigkeit der Raumtemperatur gesteuert wird. Es wird aber nicht beschrieben, wie in Abhängigkeit der Raumtemperatur und der Ventilöffnung die Temperatur des Heizkessels soweit abgesenkt werden kann, dass trotzdem die Rauntemperatur eingehalten werden kannIn the Scriptures DE 10 2006 011 522 A1 a heating device is described with a low-temperature heating, in which the return temperature may not exceed a certain limit, or the opening of the valve in the return is controlled depending on the room temperature. However, it is not described how, depending on the room temperature and the valve opening, the temperature of the boiler can be lowered so far that still the room temperature can be maintained

Im der Schrift DE 4226 383 A1 wird ein Meß- und Regelverfahren für ein Zweipunkt- oder Proportional-Regelgerät beschrieben. Dabei wird wir aus dem Verhältnis der Regelbreite (Delta Rtsoll) und der tatsächlichen Istabweisung (Delta Rtist) die Blindzeit für den nächsten Regelzyklus bestimmt. Bei dem Verfahren ist jedoch die Kenntnis von geräteseitigen Konstanten nötig In the Scriptures DE 4226 383 A1 a measuring and control method for a two-point or proportional control device is described. We determine the blind time for the next control cycle from the ratio of the control width (Delta Rtsoll) and the actual actual rejection (Delta Rtist). In the method, however, the knowledge of device-side constants is necessary

Im der Schrift EP 0 935 181 A2 wird folgender Weg eingeschlagen:
Die Ist-Temperatur in dem zu temperierenden Raum wird zu kontrollierten Schwingungen zwischen einem vorgegebenen minimalen und maximalen Temperatursollwert durch ein periodisches Ein- und Ausschalten der Temperiereinrichtung angeregt und aus dem zeitlichen Verlauf optimale Ein- und Ausschaltzeitpunkte für die Temperiereinrichtung benutzt (thermozyklische Temperaturregelung).In the Scriptures EP 0 935 181 A2 the following way is taken:
The actual temperature in the room to be tempered is excited to controlled oscillations between a predetermined minimum and maximum temperature setpoint by a periodic switching on and off of the temperature and used from the time course optimal on and off times for the tempering (thermocyclic temperature control).

Da in der Praxis normalerweise nicht mit derartigen kontrollierten sinusförmigen Schwingungen zwischen einem minimalen und maximalen Temperatursollwert gerechnet werden kann, wird in der vorliegenden Abhandlung ein anderer Weg eingeschlagen.Since in practice normally no such controlled sinusoidal oscillations between a minimum and maximum temperature setpoint can be expected, in the present paper another way is taken.

Es wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Kenntnis von Umweltbedingungen, Heizkörpergröße, thermische Eigenschaften des zu beheizenden Raums bzw. Gegenstands und dgl., Eigenschaften der Heiz- bzw. Kühlanlage wie variable Vorlauf-, Rücklauftemperatur, schwankende Fördermenge nicht nötig ist. It describes a method in which the knowledge of environmental conditions, radiator size, thermal properties of the room or object to be heated and the like., Properties of the heating or cooling system such as variable flow, return temperature, fluctuating flow rate is not necessary.

Prinzip:Principle:

Die Raumtemperatur wird in bestimmten Zeitabständen (frei wählbar: z. B. Δt = 60 sec) mit einer Auflösung von z. B. 0,1°C gemessen (und damit der gleitende Mittelwert der letzten 3 Messungen gebildet): -→ TnThe room temperature is at certain intervals (freely selectable: eg Δt = 60 sec) with a resolution of z. B. 0.1 ° C measured (and thus the moving average of the last 3 measurements formed): - → Tn

Außerdem können folgende Temperaturwerte frei wählbar eingestellt werden:
Tmin (z. B. 20,7°C), Tsoll (z. B. 21,0°C), Tmax (z. B. 21,2°C)In addition, the following temperature values can be freely selected:
Tmin (eg 20.7 ° C), Tset (eg 21.0 ° C), Tmax (eg 21.2 ° C)

Daneben ist es sinnvoll, bei der ersten Inbetriebnahme des Ventils einen beliebigen Wert 0 < B ≤ 100 für den „Öffnungswinkel” des Ventils anzugeben. (z. B. B = 50)In addition, it makes sense to specify any value 0 <B ≤ 100 for the "opening angle" of the valve when the valve is first put into operation. (eg B = 50)

Die Steuerung des Thermostatventils übernimmt die Variable p (0 ≤ p ≤ 100), die nach folgenden Kriterien gebildet wird: Tabelle (1): Abfragen in zeitlicher Reihenfolge

The control of the thermostatic valve assumes the variable p (0 ≤ p ≤ 100), which is formed according to the following criteria: Table (1): Queries in chronological order

Nach einer bestimmten Anzahl von k (z. B. k = 15) Messungen wird der Mittelwert pmittel aus den einzelnen zurückliegenden p-Werten gebildet und für das nächste Zeitintervall von z. B. k = 15 Messungen ein Wert B ermittelt, der dann für die Steuerung des „Öffnungswinkels„ p des Ventils nach folgender Tabelle (2) maßgebend ist Tabelle 2:

Vgl. dazu auch Flussdiagramm (1)After a certain number of k (eg k = 15) measurements, the mean value pmid is formed from the individual past p-values and, for the next time interval of z. B. k = 15 measurements determines a value B, which is then decisive for the control of the "opening angle" p of the valve according to the following table (2) Table 2:

See also flow chart ( 1 )

Durch fortlaufende Ermittlung des Wertes pmittel wird gewährleistet, dass das Ventil nur soweit geöffnet wird, dass die Isttemperatur des Raumes nach einigen Zyklen nur geringfügig von der Solltemperatur abweicht.Continuous determination of the pmittel value ensures that the valve is only opened to the extent that the actual temperature of the room deviates only slightly from the setpoint temperature after a few cycles.

Der Hauptvorteil der angegebenen Regelungsmethode liegt darin, dass sie vollkommen unabhängig von den physikalischen Eigenschaften des zu heizenden Raums, des Heizkörpers, der Außentemperatur, den Wind-, den Feuchtigkeitsverhältnissen, der Vorlauftemperatur und der zeitlichen Fördermenge der Heizanlage ist. Der „Öffnungswinkel” p des Thermostatventils wird laufend angepasst, es wird immer eine Raumtemperatur erreicht, die nur geringfügig um die Solltemperatur pendelt.The main advantage of the specified control method is that it is completely independent of the physical characteristics of the room to be heated, the radiator, the outside temperature, the wind and humidity conditions, the flow temperature and the flow rate of the heating system. The "opening angle" p of the thermostatic valve is constantly adjusted, it is always achieved a room temperature, which only slightly oscillates around the setpoint temperature.

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

Liegt die Raumtemperatur weit niedriger als Tmin und ist z. B. das Ventil zu 20% geöffnet und sinkt die Raumtemperatur noch weiter ab, weil die zugeführte Energie nicht ausreicht, die Raumtemperatur zu erhöhen, wird das Ventil nach jeweils z. B. k = 15 Messungen, die z. B. im Abstand von jeweils Δt = 60 sec erfolgen, um jeweils z. B. den Faktor C = 1,5 vergrößert (auf 30%, 45%, 67% bis maximal 100%).If the room temperature is far lower than Tmin and z. B. the valve is opened to 20% and the room temperature drops even further, because the supplied energy is not sufficient to increase the room temperature, the valve after each z. B. k = 15 measurements, the z. B. at a distance of each .DELTA.t = 60 sec done to each z. For example, the factor C = 1.5 is increased (to 30%, 45%, 67% to a maximum of 100%).

Sobald die Raumtemperatur die Schwelle Tmin übersteigt, wird die Ventilöffnung auf z. B. p = 0 reduziert, solange die Temperatur streng monoton steigt und kleiner als Tsoll ist.As soon as the room temperature exceeds the threshold Tmin, the valve opening is reduced to z. For example, p = 0 is reduced as long as the temperature increases strictly monotonically and is less than Tset.

Bleibt die Temperatur in diesem Bereich zeitlich konstant oder fällt sie sogar ab, so wird das Ventil z. B. bis zu dem Wert p = B/2 geöffnet, was normalerweise zu einem weiteren Temperaturanstieg führt.If the temperature in this area remains constant over time or even drops, then the valve z. B. up to the value p = B / 2 opened, which usually leads to a further increase in temperature.

Sobald die Temperatur den Wert Tsoll übersteigt, wird bei monoton ansteigendem (bzw. zeitlich konstantem) Temperaturverlauf das Ventil geschlossen und bleibt auch geschlossen.As soon as the temperature exceeds the value Tset, the valve is closed and remains closed in the case of a monotonically increasing (or temporally constant) temperature profile.

Sollte die Temperatur den Wert Tmax übersteigen bzw. in Folge diesen Wert wieder unterschreiten, so wird das Ventil bei streng monoton abfallendem Temperaturverlauf z. B. auf p = B/2 gestellt usw.If the temperature exceeds the value Tmax or falls below this value again, the valve is at a monotonically decreasing temperature profile z. B. placed on p = B / 2, etc.

Nach einer bestimmten Anzahl von Messungen (z. B. k = 15), die in einem bestimmten zeitlichen Abstand (z. B. Δt = 60 sec) erfolgen, wird aus den letzten k Werten der Mittelwert pmittel des Öffnungswinkels des Thermostatventils gebildet. Dieser Mittelwert pmittel ist dann maßgebend für die Größe B nach Tabelle 2 und somit für die Steuerung der Ventilöffnung p für das nächste Zeitintervall k·Δt.After a certain number of measurements (eg k = 15), which take place at a specific time interval (eg Δt = 60 sec), the mean value pmid of the opening angle of the thermostatic valve is formed from the last k values. This average value pmittel is then decisive for the size B according to Table 2 and thus for the control of the valve opening p for the next time interval k · Δt.

Auswertung eines Messprotokolls Evaluation of a measurement protocol

In 2 wurde über einen Zeitraum von 650 min im Abstand von 60 sec die Raumtemperatur gemessen und in Abhängigkeit davon die Ventilöffnung p nach Tabelle 1 bestimmt und aufgezeichnet. Nach jeweils 15 Messungen wird entsprechend Tabelle 2 die Größe B bestimmt, die für den nächsten Zeitbereich von 15 min für die Variable B zuständig ist.In 2 The room temperature was measured over a period of 650 minutes at intervals of 60 seconds and, depending on this, the valve opening p according to Table 1 was determined and recorded. After each 15 measurements, the size B is determined in accordance with Table 2, which is responsible for the variable B for the next time period of 15 min.

Im Bereich 540 min bis 600 min hatte die Warmwasserbereitung Vorrang vor der Heizung (d. h. Heizungsumwälzpumpe aus, nur Schwerkraftheizung, danach Umwälzpumpe wieder ein, zunächst erhöhte Vorlauftemperatur und trotzdem Einpendeln der Raumtemperatur auf Solltemperatur durch entsprechende Ventilsteuerung)In the range of 540 minutes to 600 minutes, the hot water preparation had priority over the heating (ie heating circulation pump off, only gravity heating, then circulation pump again, initially increased flow temperature and still stabilizing the room temperature to target temperature by appropriate valve control)

Die Auswertung der Messkurven (2) über einen Zeitraum bis zu 550 min ergibt z. B. bei einem Sollwert von Tsoll = 21°C den Mittelwert Tmittel = 21,005°C. Anzahl der Messwerte in % Abweichung vom Sollwert 521 94,7% ±0,1°C 544 98,9% ±0,2°C 549 99,8% ±0,3°C Gesamt 550 The evaluation of the measuring curves ( 2 ) over a period up to 550 min results z. B. at a setpoint of Tsoll = 21 ° C, the mean Tmittel = 21.005 ° C. Number of readings in % Deviation from the setpoint 521 94.7% ± 0.1 ° C 544 98.9% ± 0.2 ° C 549 99.8% ± 0.3 ° C total 550

Die Verteilung der Messwerte ist aus 3 ersichtlichThe distribution of the measured values is off 3 apparent

Wertet man die Messkurve im vorhergehenden Beispiel aus, so ergibt sich für die Standardabweichung der 550 Messwerte nach folgender Formel

der Wert STABW = 0,08°C.If one evaluates the measuring curve in the previous example, the standard deviation of the 550 measured values results according to the following formula

the value STABW = 0.08 ° C.

Bildet man den Mittelwert der absoluten Abweichungen vom Sollwert nach der Formel

so ergibt sich im obigen Beispiel: ABW = 0,05°CIf one forms the mean value of the absolute deviations from the nominal value according to the formula

this results in the above example: ABW = 0.05 ° C

In 4 ist der Ausschnitt der Messergebnisse im Bereich 540 min bis 645 min wiedergegeben, um zu verdeutlichen, wie nach Abschaltung der Umwälzpumpe und Wiedereinschalten der Umwälzpumpe nach Beenden der Warmwasseraufbereitung und der damit zeitweise verbundenen Erhöhung der Vorlauftemperatur das Ventil so gesteuert, wird, dass sich wieder die Solltemperatur einstellt.In 4 the section of the measurement results in the range 540 min to 645 min reproduced to illustrate how after switching off the circulation pump and reconnection of the circulation pump after completion of the hot water treatment and thus temporarily associated increase in the flow temperature, the valve is controlled so that again Set temperature.

Weitere Möglichkeiten: More options:

a) The lowest possible lowering of the flow temperature as a function of room set temperature, room temperature and valve opening according to the following principle: If the room temperature Tsoll is reached even with small opening numbers, this is due to the fact that the flow temperature is too high. The opening number is at the valve, which has the highest, but still a relatively low value, to a mean value z. B. p = 50 increases and the flow temperature lowered accordingly. This can z. T. independent of the external temperature alone depending on the room temperature, the flow temperature can be controlled. This considerable energy savings possible because the radiators only so much energy is supplied that they target temperature is reached.
b) The method is also suitable for the operation of electric radiators, if the electrical power supply is controlled via the size p, pulse width modulated.
c) Similarly, the method can be used to control a circulation pump. (Control of the duty cycle or speed)
d) In addition, by appropriate choice of the variables a1 ... a7 and the variables A, C; D the method for controlling a cooling liquid can be used

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1235131 B1 [0004]
DE 19700762 A1 [0005]
EP 0974880 B1 [0006]
DE 4420800 A1 [0006]
DE 102009004319 A1 [0008]
DE 102006011522 A1 [0010]
DE 4226383 A1 [0011]
EP 0935181 A2 [0012]

Claims

Self-learning control method for controlling a tempering device for supplying or removing heat to a room, object, gas or liquid, wherein a minimum temperature value (Tmin), a temperature setpoint (Tsoll) and a maximum temperature value (Tmax) is specified and the time course the actual temperature of the room, the object, gas or liquid is measured at regular time intervals.

Control method according to claim 1, characterized in that at unchanged temperature values (Tmin, Tsoll, Tmax) the valve opening or the electric heating power or the supplied cooling power or the duty cycle of a pump (variable p as a function of the variable B) in several temperature ranges ( eg T ≦ Tmin, Tmin <T <Tset, Tset, Tset <T <Tmax, Tmax ≦ T) is controlled in different ways as a function of the temperature gradient of the actual temperature (eg Table 1 or flow chart) 1 )

Control method according to claim 1 and 2, characterized in that continuously the instantaneous state of the valve opening, or the electric heating power or the cooling capacity (variable p) is stored and after a certain time from the mean value pmittel is formed.

Control method according to claim 1 to 3, characterized in that a variable B is formed as a function of the mean value pmittel (Table 2), which in turn according to claim (2) according to Table (1) influence the variable p takes. (see flowchart 1 )

Control method according to claim 1 to 4, characterized in that at the first commissioning of the tempering the variable B assumes a fixed value with B> 1, so that after repeated passage of the conditions according to tables (1, 2) according to the flowchart ( 1 ) the setpoint Tsoll can be achieved. The variables a1, ..., a7 and A, C, D are freely selectable depending on the application.

Control method according to claim 1 to 5, characterized in that at the value pmittel <1 for the further control according to table (2). the latter value B> 1 is used (eg window function: p = 0 for a certain time, heating by solar radiation: T> Tsoll)

Control method according to claim 1 to 6, characterized in that at any time the temperature values Tmin, Tsoll, Tmax can be changed either manually or time-controlled.

Control method according to claim 1 to 7, characterized in that, depending on the variables pmittel, the flow temperature of the heating system is lowered or increased a) If pmittel is smaller than a certain value for a long time, the flow temperature Tvorlauf is lowered by a certain fraction. b) If pmittel over a longer time is greater than a certain value, the flow temperature Tvorlauf is increased by a certain fraction.

Control method characterized in that the control commands are transmitted from the central evaluation and control unit wireless or wired to the room or Kesseltemperiereinrichtung.

Control method according to claim 1 to 9, characterized in that the evaluation of the measurement results and the control of the tempering is taken over by a microprocessor or computer. Table (1): queries in chronological order

Table 2: