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Beschreibung;
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Raumheizungsanlage
mit einer Heizvorrichtung, mehreren Wärmeübertragern, einer Umwälzpumpe, einem Ausdehnungsgefäß
sowie Ventilen, die in einem Strömungskreislauf verbunden sind und von denen die
Ventile zu den Wärmeübertragern in Abhängigkeit von Temperaturfühlern geöffnet und
geschlossen werden.
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Herkömmliche, durch offenkundige Vorbenutzung bekanntgewordene Anlagen
dieser Art weisen eine außentemperaturgesteuerte Regelung der Temperatur des Vorlaufwassers
auf, die durch ein Mehrwege-Mischventil vorgenommen wird, welches einerseits mit
der Vorlaufleitung und andererseits mit einer oder mehreren Bypass-Leitungen zur
Rücklaufleitung in Verbindung steht. Dabei wird die Kessel leistung in Verbindung
mit der DIN 4701 nach den Gesamt-Transmissionsverlusten der Summe aller Räume, die
von einer derartigen Heizungsanlage beheizt werden, ausgelegt. Bei einer derartigen
Verfahrensweise sind relativ große Kessel leistungen ebenso unausweichlich, wie
die Tatsache, daß Räume auch dann voll beheizt werden, wenn sie über einen längeren
Zeitraum einer Tageszeit nicht oder nur selten genutzt werden.
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Zur Erzielung einer individuellen Regelung hat man dem Vorlauf der
Wärmeübertrager thermostatische Heizkörperventile zugeordnet. Diese thermostatischen
Heizkörperventile weisen jedoch in aller Regel eine nur grobe Skaleneinteilung,
beispielsweise von 0 - 10 auf und ihre Einstellbarkeit bleibt der Abschätzung des
jeweiligen Benutzers überlassen. Dadurch ist insbesondere bei wechselnden Außentemperaturen
ein erhöhter Wärmemengenverbrauch des betreffenden Wärmeübertragers
nur
dann vermeidbar, wenn bei steigenden Außeneçmperaturen in entsprechedem Maße das
Heizkörperventil zu einem geringeren Wassermengendurchlaß und bei sinkenden Außentemperaturen
zu einem höheren Wassermengendurchlaß veranlaßt wird. Das ist jedoch gleichfalls
eine auf eine Unmöglichkeit gerichtete Zielsetzung, da eine derartige Handhabung
lediglich bei einer Schätzung verbleibt. Nachteilig ist bei diesen Thermostat-Ventilen
aber auch, daß sie in aller Regel in der Nähe des jeweiligen Wärmeübertragers angeordnet
sind und somit letztlich auf die unmittelbare Umgebungstemperatur dieses Wärmeübertragers,
nicht jedoch auf die vorrangigere Raumtemperatur reagieren.
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Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit welchem
eine kostensenkende Raumtemperaturregelung in Abhängigkeit von auf jeden Raum individuell
einwirkenden Außeneinflüssen bei relativ geringer Heizvorrichtungsleistung jedoch
unter Ausnutzung eines hohen Wirkungsgrades der Heizvorrichtung gewährleistet werden
kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sowohl der
Oberfläche eines jeden Wärmeübertragers als auch einem jeden Raum Temperaturfühler
zugeordnet werden, die in einer einstellbaren Frequenz von einer Registriereinrichtung
abgetastet werden und bei einer Abweichung des Ist-Temperaturwertes der Wärmeübertragungsoberfläche
und der Raumtemperatur von ihren Soll-Temperaturwerten eine Regeleinrichtung zum
Öffnen des Ventils im Vorlauf des betreffenden Wärmeübertragers und bei Erreichen
des Soll-Temperaturwertes der Wärmeübertrageroberfläche zum Schlieren des Ventils
veranlaßt. Durch dieses Verfahren wird die Oberfläche eines jeden Wärmeübertragers
und die Raumtemperatur mit der für jeden zu beheizenden Raum individuell einstellbaren
Soll-Temperatur
iUr Raum und Wärmeübertrager verglichen. Werden
beide Soll-Temperaturen abzüglich einer in der Regeleinrichtung eingestellten Hysterese
unterschritten, wird der Regeleinrichtung der Heizbedarf dieses Raumes gemeldet.
Ist hingegen nur die Hysterese der Oberflächentemperatur des Wärmeübertragers unterschritten,
die vorgewählte Raumtemperatur jedoch gegeben, wird letztere als vorrangiges Regelkriterium
herangezogen und von der Registriereinrichtung der Regeleinrichtung kein Heizbedarf
für diesen Raum gemeldet.
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Das neue Regelungsverfahren zeichnet sich gegenüber anderen, vorbekannten
Regelungsverfahren dadurch aus, daß es jeden Raum in Abhängigkeit von der Wärmespeicherfähigkeit
des Wärmeübertragers und der Wärmespeicherfähigkeit der umgebenden Baukörperwände
des betreffenden Raumes sowie die unmittelbaren Außeneinflüsse, wie Sonneneinstrahlung
durch die Fenster sowie Wettereinflüsse, z.B. durch größere Windbelastungen an der
Nord- und Westseite oder im Winter an der Ostseite, individuell registriert, der
Reglereinrichtung mitteilt und diese sodann zu einem Öffnen des Ventils im Vorlauf
des betreffenden Wärmeübertragers veranlaßt.
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Dabei wird die Heizvorrichtung nur so groß wie der stündliche Wärmebedarf
des Raumes mit den größten Transmissionsverlusten, hingegen werden die Wärmeübertrager
größer als konventionell ausgelegt. Dadurch wird die Heizleistung der Heizvorrichtung
gesenkt, hingegen der Gesamtwirkungsgrad der Heizvorrichtung erhöht, die aus einem
öl-, gas-, koks-oder kohlebefeuerten Kessel, aus einer Wärmepumpe oder einem Speicher
bestehen kann.
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Zur Erhöhung der Wärmespeicherfähigkeit wird ein jeder Wärmeübertrager
um ca. 40% bis 70% größer als ein Wärmeübertrager nach konventioneller Berechnungsweise
ausgelegt. Vorteilhaft
wird der Wärmeübertrager eines jeden Raumes
so groß ausgelegt, daß bei einer Erfassung von 10 Räumen durch die Registrier- und
Reglereinrichtung die Aufheizzeit nur 10% der Auskühlzeit des betreffenden Raumes
um 1 K beträgt.
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Dadurch ist einerseits eine rasche Aufheizung des betreffenden Raumes
sichergestellt und andererseits eine größere Wärmespeicherfähigkeit gegeben, die
wiederum die Auskühlzeit des Raumes verlängert.
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Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird
der Reglereinrichtung eine Zeitschaltautomatik zugeordnet, durch welche bestimmte
Räume in Bezug auf ihre Aufheizung in Abhängigkeit von der Tageszeit einen einstellbaren
Vorrang vor anderen Räumen erhalten. So kann in der Reglereinrichtung ein bestimmter
Vorrang verschiedener Räume zu bestimmten, einstellbaren Tageszeiten einprogrammiert
werden. Ferner kann beispielsweise die Beheizung eines Badezimmers in Abhängigkeit
von der Tageszeit wie folgt vorgewählt werden: Von 6.00 Uhr bis 8.oo Uhr auf 220C,
von 8.00 Uhr bis 18.00 Uhr auf 190C, von 18.00 Uhr bis 20.00 Uhr auf 220C und 0
von 20.00 Uhr bis 6.00 Uhr auf 19 C.
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Auf Wunsch kann dieser Vorrang auch manuell unterbrochen oder auch
entgegen der vorprogrammierten Vorrangigkeit eingestellt werden.
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Mit dem vorbeschriebenen Regelverfahren kann eine zeitabhängige Schwerpunktbeheizung
in verschiedenen Raumzonen eines Gebäudes individuell und automatisch vorgenommen
werden, ohne daß diese Einstellung dem subjektiven Wärmeempfinden
einzelner
Personen überlassen bleibt. Aufgrund dieser -permanenten Umverteilung von Wärmemengen
innerhalb eines Gebäudes nach optimalen Gesichtspunkten könnte man das neue Verfahren
auch als "räumliche Wärmemengenschaukel" bezeichnen, deren Bewegungsvektor einerseits
von atmosphärischen Außeneinflüssen, wie Sonnenstrahlung, Wind, Kälteeinbrüchen,
Sonnen-und Schattenseiten eines Gebäudes, Wärmespeicherfähigkeit eines jeden Raumes
und eines jeden Heizkörpers, und andererseits von einer vorwählbaren Priorität einzelner
Räume in Abhängigkeit von der Tageszeit bestimmt wird. Um diesem Regelungsverfahren
eine rasche Flexibilität zu verleihen, beträgt vorteilhaft die Frequenz der Registriereinrichtung,
mit welcher die Ist-Temperaturwerte von Wärmeübertragerfläche einerseits und Raum
andererseits erfaßt werden, ca. 0,1 Hz. Das bedeutet, daß die Registriereinrichtung
alle 10 Sek. einen Vergleich der Temperatur-Istwerte mit den Temperatur-Sollwerten
von Wärmeübertrageroberfläche einerseits und Raum andererseits vornimmt und bei
Abweichungen die Reglereinrichtung entsprechend rasch reagieren läßt. Falls von
der Registriereinrichtung ein Raum als nicht vorrangig abgetastet wird, sucht sie
den nächsten als vorrangig zu beheizenden Raum auf und falls für diesen kein Heizbedarf
registriert wird, erteilt sie erst dann der Reglereinrichtung ein Signal zur Beheizung
des als nicht vorrangig abgetasteten Raumes.
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Um die Registriereinrichtung und damit die Reglereinrichtung bei
einer unabdingbaren Belüftung eines Raumes nicht in irreführender Weise ansprechen
zu lassen, wird bei starker Belüftung eines Raumes, z.B. durch Schwenköffnen eines
Fensters, die Reglereinrichtung, z.B. mittels eines an der unteren Fensterrahmenkante
angeordneten Unterbrechungsschalters, abgeschaltet, hingegen bei schwacher Belüftung,
z.B. durch eine Kippstellung des Fensters, bleibt sie eingeschaltet.
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Das vorbeschriebene Regelverfahren eignet sich in besonderem Maße
für herkömmliche Radiatoren und Konvektoren.
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Sie ist jedoch unter Berücksichtigung der größeren Trägheit bei Strahlungsbeheizungen
mit herkömmlichen Rohrregistern anwendbar.
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Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren wird nachfolgend anhand von
mehreren Arbeitsdiagrammen beschrieben. Dabei zeigen: Fig. 1 ein Raumtemperatur-Zeit-Diagramm
für einen Raum zur Verdeutlichung seiner Auskühlzeit einerseits und seiner Heizzeit
andererseits.
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Fig. 2 die Wärmemengeübertragung der Wärmeübertrager in unterschiedlichen
Räumen in Abhängigkeit von der Tageszeit innerhalb eines 24-Stunden-Zeittaktes.
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Fig. 3 die Abhängigkeit der Heizkörperoberflächentemperatur eines
Raumes von der atmosphärischen Außentemperatur und von der Raumtemperaturänderung
bezogen auf 21 0C am Beispiel eines Konvenktors.
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In Fig. 1 ist auf der Abszisse die Zeit t in Minuten und auf der
Ordinate die Raumtemperatur VR in OC aufgetragen.
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0 Ausgehend von einer Raumtemperatur VR in Höhe von 22 C am Punkt
A zum Zeitpunkt t = 0 kühlt der Raum in Form der ausgezogenen, durchgehenden Linie
A-B in Form einer e-Funktion auf eine Raumtemperatur von 21°C ab. Diese Auskühlzeit
um 1 0K von A nach B beträgt im vorliegenden Fall 25 Min. Hieran schließt sich die
Aufheizkurve von B nach C an, die vorteilhaft nur 10% der Auskühlzeit und damit
2,5 Min. beträgt.
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Ab dem Punkt C, der hinsichtlich der Raumtemperaturhöhe Von 22 0C
mit dem Punkt A identisch ist, schließt sich erneut
die Auskühlzeit
von C nach D an. Der Punkt D ist wiederum äquivalent dem Punkt B. Dieser durchgezogene
Kurvenverlauf von A-B-C-D soll sich je nach individuellerWärmespeicherfähigkeit
der Baukörperwände und des betreffenden Heizkörpers beispielsweise bei einer Außentemperatur
von -1O0C ergeben.
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Bei niedrigeren Außentemperaturen, beispielsweise von -8 0C, -60C,
-40C und -20C ergibt sich die gestrichelt dargestellte Kurvenschar.
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In Fig. 2 ist auf die Abszisse die Uhrzeit eines Tages beginnend
mit 4.oo Uhr morgens aufgetragen, wohingehen die Ordinate die Wärmemenge Q in Watt
ausweist. Trägt man in dieses Diagramm nunmehr die tageszeitliche Abhängigkeit der
Wärmemengeübertragung Q von einem oder mehreren Wärmeübertragern eines Raumes an
eben diesen Raum ein, ergeben sich die eingezeichneten Geraden 10 - 16 mit den individuellen
Unstetigkeitsbereichen. Diese Kurven sollen im einzelnen folgende Räume angeben:
10 = Windfang 11 = Badezimmer 12 = Elternschlafzimmer 13 = erstes Kinderzimmer 14
= zweites Kinderzimmer 15 = Hauswirtschaftsraum 16 = Wohnraum So wird beispielsweise
in der Regeleinrichtung für das Bad 11 lediglich in den Tageszeiten zwischen 6 und
8.00 Uhr morgens und 18.00 Uhr und 20.00 Uhr abends ein größerer Wärmemengenbedarf
eingespeichert, hingegen in den übrigen Tageszeiten eine Absenkung vorgenommen.
Entsprechendes gilt z.B. für den Hauswirtschaftsraum gemäß der Kurve 15, der lediglich
während der Arbeitszeit zwischen 18.oo Uhr und 20.00 Uhr auf ein höheres
Temperaturniveau
mit einer entsprechend höheren Wärmemengenerfordernis angehoben wird.
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Addiert man die Wärmemengen der einzelnen Kurven 10 bis 16, so ergibt
sich in Verbindung mit der rechten Abszisse 17 eine Wärmemengen-Gesamtübertragung
gemäß der Kurve 18. Setzt man der Kurve 18 ein herkömmliches Regelungsverfahren
gegenüber, ergibt sich die Kurve 19. Der schraffierte Bereich 20 zwischen diesen
beiden Kurven 18 und 19 ergibt die mit dem neuen Regelungsverfahren erzielte Wärmemengenersparnis.
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In Fig. 3 ist auf der Abszisse die atmosphärische Außentemperatur
in °C von +200C bis 200C aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Oberflächentemperatur
in OC eines Wärmeübertragers von +200C bis 11000 aufgetragen. Im Kreuzungspunkt
von Abszisse und Ordinate ist eine weitere, ca. unter 0 45 verlaufende Ordinate
aufgetragen, welche die Raumtemperaturänderung in °C bezogen auf eine Raumtemperatur
von 210 wiedergibt. Trägt man in dieses Koordinatensystem den Verlauf der Oberflächentemperatur
eines Wärmeübertragers in Abhängig von der Außentemperatur auf, ergibt sich der
progressive Verlauf gemäß der Kurve 21. Der Verlauf dieser Kurve 21 ist vornehmlich
abhängig von der Wärmespeicherfähigkeit des verwendeten Wärmeübertragers einerseits
und dem mittleren Wärmebedarf und damit der mittleren Wärmedurchgangszahl k des
betreffenden Raumes andererseits. Demzufolge kann die Kurve 21 bei schlechterer
Speicherfähigkeit und schlechterer Wärmedurchgangszahl k steiler und bei besserer
Wärmespeicherfähigkeit und geringerer Wärmedurchgangszahl k flacher verlaufen. Bezieht
man die Raumtemperatur auf 21°C, ergibt sich in Verbindung mit der Ordinate 22 unter
Berücksichtigung der Raumtemperaturänderung die Schar der Kurven 23 bis 27.
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Bei einer Raumtemperaturabsenkung um 1K vom Punkt E der Kurve 21 auf
den Punkt F der Kurve 26, beginnt die Heizzeit für den betreffenden Wärmeübertrager
an den betreffenden Raum.
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Auch hierzu gilt das vom Verlauf der Kurve 21 Gesagte entsprechend.