-
2-Punkt-Regelverfahren für eine Wärmequelle
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein 2-Punkt-Pegelungsverfahren
für e ne Wärmequelle gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
-
2-Punkt-Regler sind insbesondere bei Heizungsanlagen speisenden Kesseln
üblich. Diese 2-Punkt-Regelungen werden bevorzugt als schaltende Regler ausgestaltet.
Dem Regler wird ein Sollwert in Form einer Ein- und Ausschaltschwelie vorgegeben,
so daß beispielsweise bei einer Vorlauftemperaturregelung der Regler den Kessel
einschaltet, wenn der Istwert der Vorlauftemperatur die Einschaltschwelle unterschreitet,
beziehungsweise der Kessel wird ausgeschaltet, wenn die Ausschaltschwelle vom Istwert
passiert wird.
-
Hierbei ist in der Regel diz Schaltdifferenz, das heißt
die
Differenz zwischen Ein- und Ausschaltwert fest vorgegeben. Es ist zwar schon überlegt
worden, diese Schaltdifferenz lastabhängig, insbesondere außentemperaturabhängig
vorzugeben, nur hat das zu dem Nachteil geführt, daß nur die gesamte Schaltdifferenz
variiert wurde, obwohl zum Beispiel im Starklastfall, das heißt bei niedriger Außentemperatur
der obere Grenzwert, das heißt die Ausschaltschwelle, variiert werden müßte, während
im Schwachlastbetrieb nur die Einschaltschwelle, jeweils bezogen auf den Nennsollwert,
geändert werden müßte.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, ein
2-Punkt-Regelverfahren für eine beliebige Wärmequelle anzugeben, die diese Besonderheiten
berücksichtigt.
-
demgemäß besteht die Lösung der Aufgabe gemäß3 den kennzeichnenden
Teilen der nebengeordneten Ansprüche in der Variation einmal der Ausschaltschwelle
und zum anderen der Einschaltschwelle je nach vorliegendem 3elastungsfall.
-
Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildunge!l
sind Gegenstand der Unteransprüche bezi ehungsweise gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der
Figuren eins bis vier der Zeichnung näher erläutern.
-
Es zeigen Figur eins ein Blockschaltbild eines 2-Punkt-Reglers gemäß
der Erfindung und die Figuren zwei bis vier Diagramme zur Erläuterung des Schaltbildes.
-
In allen vier Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen
Einzelheiten.
-
Eine Heizungsanlage 1 weist eine Wärmequelle 2, bestehend aus einem
Gasbrenner 3 und einem Wärmetauscher 4, auf, die zusammen einen Umlaufwasserheizer
bilden. Der Brenner 3 ist über eine mit einem Proportionalmagnetventil 5 versehene
Gaszuleitung 6 gespeist.
-
Statt eines gasbeheizter. Kessels könnte ebensogut ein ölbeheizter
Kessel oder ein elektrischer Durchlauferhitzer in Frage kommen, gleichzeitig wäre
auch die Anwendung einer Absorptions- oder Kompressionswärmepumpe nicht auszuschließen.
-
An den Wärmetauscher 4 der Wärmequelle ist über eine Vorlaufleitung
7 eine Vielzahl parallel und/oder in Serie geschalteter Heizkörper 8 beziehungsweise
eine Fußbodenheizungsanlage oder ein Brauchwasserspeicher angeschlossen,
der
über eine mit einer Umwälzpumpe 9 versehene-Rücklaufleitung 10 rücklaufseitig mit
dem Wärmetauscher 4 verbunden ist. Der Istwert der Vorlauftemperatur in der Leitung
7 ist über einen Temperaturfühler 11 abgeführt, der über eine Meßleitung 12 mit
dem Regler 13 verbunden ist. Für das Ausführungsbeispiel ist eine Vorlauftemperaturregelung
unterstellt, so daß der Istwert dieser Vorlauftemperatur entspricht. Die Erfindung
ist mit gleichem Vorteil anwendbar auf eine Rücklauftemperaturregelung oder auf
eine Raumtemperaturregelung, die Istgrößen wären dann entsprechend zu wählen. Die
Pumpe 9 ist von einem Motor 14 angetrieben, der über eine Stelleitung 15 auf ein
Stellglied 16 geschaltet ist und von diesem mit Betriebsspannung genauso versorgt
wird wie das Proportionalgasventil 5 über eine Stelleitung 17.
-
Zentrales Glied des Reglers 13 ist ein Vergleicher 18, auf dessen
einen Eingang 19 die Leitung 12 geschaltet ist, die den Istwert führt. Von der Leitung
12 zweigt eine Leitung 20 ab, die in Parallelschaltung zu einem weiteren Vergleicher
21, einem dritten Vergleicher 22 und einem vierten Vergleicher 23 führt.
-
Dem Vergleicher 18 ist auf einem zweiten Eingang 24 über eine Leitung
25 ein Sollwert zugeführt, der beispielsweise aus einem Außentemperaturfühler 26
bestehen kann.
-
Bei Verwendung eines Außentemperaturfühlers stellt der Sollwert eine
gleitende Führungsgröße dar, es wäre gleichermaßen möglich, einen festen Sollwert
oder einen zeitabhängig programmierbaren Sollwert oder ähnliches auf den Eingang
24 des Vergleichers 18 zu schalten. Die Leitung 25 verzweigt sich, von der Verzweigung
geht eine Leitung 27 aus, die auch in Parallelschaltung auf Eingänge der Vergleicher
21 und 22 geschaltet ist. In die Leitung 25 ist ein Addierer 28 eingeschleift, dessen
einer Eingang die Leitung 25 ist und dessen anderer Eingang von einer Leitung 29
gebildet ist. Der Ausgang des Addierers ist auf den Eingang 24 des Vergleichers
18 geschaltet.
-
Es sind zwei Einsteller 30 und 31 vorgesehen, an denen die Ein- und
Ausschaltschwellen für den Sollwert vorgegeben werden können, und zwar deren Differenz
zur Mittellage des Sollwertes, der auf der Leitung 25 ansteht. Es wird hierbei davon
ausgegangen, daß in der Nullstellung der beiden Einsteller 30 und 31 die Differenzen
der Aus-und Einschaltschwellen bezüglich auf den Sollwert gleich sind. Vom Einsteller
30, mit dem die Ausschaltschwelle vorgegeben werden kann, geht eine Leitung 32 aus,
die einen weiteren Eingang für den Vergleicher 23 bildet. Von der Leitung 32 zweigt
eine weitere Leitung 33 ab, die zu einem Subtrahierer 34 führt. Ein Ausgang des
Subtrahierers bildet eine Leitung 35, die auf einen Pol
36 eines
Umschalters 37 geschaltet ist. Der Ausgang des Umschalters bildet die Leitung 29
und damit den einen Eingang des Addierers 28. Der Einsteller 31 für die Einschaltschwelle
weist eine Ausgangsleitung 38 auf, die den dritten Eingang des Vergleichers 23 bildet
und von welcher eine Leitung 39 abgeht, die einen Eingang eines Addierers 40 bildet,
dessen Ausgang 41 auf den Pol 42 des Umschalters 37 geschaltet ist. Von der Leitung
32 zweigt parallel zur Leitung 33 eine weitere Leitung 43 ab, die auf einen Rampengenerator
44 geschaltet ist. Ein weiterer Eingang des Rampengenerators bildet eine Leitung
45, die von der Leitung 38 parallel zur Leitung 39 abgeht. Der Rampengenerator 44
besitzt einen dritten Eingang 46, der vom Ausgang eines Vergleichers 47 gebildet
ist, dessen einer Eingang von einer Leitung 48 gebildet ist, die den Ausgang des
Vergleichers 23 darstellt. Ein Ausgang 49 des Rampengenerators ist auf eine Leitungsverzweigung
zweier Leitungen 50 und 51 geschaltet, wovon die Leitung 50 über einen Arbeitskontakt
eines Relais 52 geführt ist und auf den zweiten Eingang 53 des Addierers 40 gelegt
ist. Die Leitung 51 ist über einen Arbeitskontakt 54 eines weiteren Relais geführt,
hinter dem Arbeitskontakt 54 ist die Leitung 51 auf den subtrah i erenden Eingang
55 des Subtrahierers 34 geschaltet. Die beiden Arbeitskontakte 52 und 54 werden
von Ausgangsleitungen
56 und 57 der beiden Vergleicher 21 und
22 geschaltet, wobei die Ausgangsleitungen 56 und 57 in Parallelschaltungen über
Leitungen 58 und 59 mit zwei weiteren Eingängen des Vergleichers 47 verbunden sind.
-
Der Ausgang 60 des Vergleichers 18 ist mit dem Eingang des Stellgliedes
16 verbunden. Von dieser Leitung zweigt eine erste Leitung 61 ab, die auf dritte
Eingänge der beiden Vergleicher 21 und 22 geschaltet ist. Parallel hierzu liegt
eine weitere Leitung 62, die über eine Triggerschaltung 63 mit einer Leitung 64
verbunden ist, die in Parallelschaltung einmal den Eingang eines Flip-Flops 65 und
zum anderen über eine Leitung 66 einen Eingang des Rampengenerators 44 bildet. Der
Ausgang des Flip-Flops betätigt über eine Leitung 67 den Umschalter 37. Die Funktion
des eben beschriebenen Reglers 13 wird nun anhand der Diagramme gemäß den Figuren
zwei bis vier näher erläutert. In der Figur zwei ist ein Diagramm aufgetragen, das
in der Abszisse die Zeit in Stunden und in der Ordinate Temperaturwerte in "C aufweist.
Es ist eine erste waagerechte Gerade 70 vorgesehen, die die Lage der Ausschalttemperatur
definiert, also der Ausschalttemperatur, die über den Einsteller 30 vorgegeben werden
kann.
-
Eine weitere hierzu im Abstand unterhalb liegende Gerade 71 stellt
den Wert der Einschalttemperatur dar, die über den Einsteller 31 variiert werden
kann. Die Differenz
zwischen den Kurven 70 und 71 stellt die Schaltdifferenz
des Reglers mit dessen Hysterese dar. In der Mitte zwischen dem Abstand der beiden
Kurven 70 und 71 liegt der Sollwert 72 gleichermaßen als Gerade mit konstantem Abstand
zu beiden. Diese-r konstante und gleichmäßige Abstand ist oder entspricht der Ruhelage
des Reglers. Die Kurvenschar 70 bis 72 wird von einer Istwert-Kurve 73 geschnitten,
die beispielsw-eise im Ausführungsbeispiel der Vorlauftemperatur entspricht. Beim
erstmaligen Aufheizen verläuft die Kurve 73 von einem relativ tiefen Temperaturpunkt
zunächst bis zu einem ersten Punkt 74. Da bereits im Kurvenstück 75 der Istwert
unterhalb der Einschaltschwelle lag, resultiert in jedem Fall ein Einschaltbefehl
für die Wärmequelle 2. Die Folge für den Einschaltbefehl ist ein Signal des Vergleichers
18 an seinem Ausgang 60, damit ein Aktivieren des Stellgliedes 15, ein A,fnen des
Gasmagnetventils 5 und ein Anlaufen der Pumpe 9. Der Umlaufwasserheizer 2 geht in
Betrieb, über den Wärmetauscher 4 werden die Heizkörper 8 aufgeheizt, die Räume
des Gebäudes erwärmen sich. In Folge des steigenden Wertes der Vorlauftemperatur
schließt sich in Abhängigkeit von der Zeit an den Punkt 74 ein ansteigendes Kurvenstück
76 an. Dies führt zu einem Schneiden der Kurve 72 von der Kurve 73 im Punkt 77,
das heißt, der Istwert ist gleich dem Sollwert. Die an diesem Punkt anlaufende
Funktion
des Reglers wird später noch behandelt.
-
Der Istwert steigt weiter gemäß dem anschließenden Kurvenstück 78,
bis der Istwert im Punkt 79 die Kurve 70 erreicht. Damit resultiert ein Ausschaltbefehl
für den Umlaufwasserheizer. Die Kurve 73 schwingt aufgrund der Stawärme über und
beginnt nach Oberschreiten des Maximums wieder zu sinken, so daß sich ein nahezu
linearer fallender Kurvenzug 80 anschließt, im Punkt 81 wird die Gerade 70 passiert,
was aber folgenlos bleibt. Schließlich erreicht der Istwert im Punkt 82 den Sollwert
gemäß der Kurve 72. Würde jetzt die Erfindung nicht einsetzen, so könnte insbesondere
im Schwachlastbetrieb bei sehr tief eingestellten Voriauftemperatur-Sollwerten eine
erhebliche Zeit vergehen, bis sich die Vorlauftemperatur so weit abgekühlt hat,
daß die Kurve 80 die Einschaltschwelle gemäß der Kurve 71 erreicht. Im Extremfall
müßte nämlich zunächst die Raumtemperatur so weit sinken, daß die dann als Folge
weiter sinkende Vorlauftemperatur auf die Einschaltschwelle absinken kann. Das ist
aber bereits mit einer erheblichen Komforteinbuße für die Benutzer der von der Wärmequelle
beheizten Räume verbunden. Aus diesem Grunde wird im Schwachlastbereich, also bei
niedrig eingestellten Sollwerten für die Vorlauftemperatur, nun die Einschaltschwelle,
das heißt die Kurve 71 angehoben. Das bedeutet, daß mit fallendem Istwert beim Passieren
des
Punktes 82 der Rampengenerator 44 aktiviert wird. Der Rampengenerator
erzeugt eine zeitabhängig ansteigende Spannung, der Steigungsfaktor entspricht dem
Kurvenstück 83 in Figur vier. Der Beginn des Kurvenstücks 83 ist zeitgleich mit
dem Punkt 82. Vorher hat jedoch beim Abschalten der Wärmequelle im Punkt 79 (vergleiche
Figur eins) beim Stromloswerden der Leitung 60 die Triggerschaltung 63 auf ihrem
Ausgang 64 einen Impuls abgegeben, der über die Leitung 66 dazu führt, daß der Rampengenerator
44 in seine Ruhestellung gegangen ist. Gleichzeitig ist über diesen Rücksetzimpuls
des Triggers 63 der Speicher 65 in eine Position geschaltet worden, daß der Umschalter
37 die Leitung 41 auf die Leitung 29 umschaltet. Das bedeutet, daß nunmehr die Werte
des Einstellers 31 über die Leitung 39 am Addierer 40 anliegen und daß der Ausgang
des Addierers auf den Eingang 24 des Vergleichers 18 geschaltet ist. Die Höhe und
Art der Einstellung der Einschaltschwelle liegt über die Leitung 38 und über die
Leitung 45 auch am Rampengenerator 44 an. Der Rampengenerator erzeugt nunmehr ein
Spannungssignal, das über die Leitung 49 und den Arbeitskontakt 52 am Eingang 53
des Addierers 40 anliegt. Der Arbeitskontakt 52 wird vom Vergleicher 22 dann geschlossen,
wenn der Punkt 82 erreicht wurde. Die entsprechenden Werte liegen über die Eingangsleitungen
20 und 27 an. Damit wird im Addierer 40
zusätzlich zu dem am Einsteller
31 vorgegebenen Spannungssignal noch das Spannungssignal des Rampengenerators addiert,
das heißt, für den Regler wird der Wert des Einschaltpunktes künstlich angehoben.
Diese Anhebung ist linear zeitabhängig und in ihrer Steilheit am Rampengenerator
44 einstellbar. Die Einstellung wird bevorzugt nach Maßgabe der Totzeit der Anlage,
das heißt insbesondere nach Maßgabe der Wärmekapazität sämtlicher Verbraucher 8
und der Leistung der Wärmequelle 2, gewählt.
-
Der Rampengenerator muß nicht unbedingt ein stetig lineares Spannungssignal
abgeben, das Spannungssignal könnte auch in Stufen realisiert werden, gegebenenfalls
auch progressiv. Ober den Vergleicher 23 wird ein Startsignal erzeugt, das über
den Vergleicher 47 zur Freigabe des Ausgangssignals des Rampengenerators führt.
Da der Istwert der Kurve 80 nach Passieren des Punktes 82 zeitabgängig nahezu linear
weiter fällt (in Wirklichkeit nach einer e-Funktion), erreicht der fallende Istwert
irgendwann im Punkt 84 den Einschaltpunkt, wobei das Anheben der Einschaltschwelle
aus der Figur vier ersichtlich ist.
-
Das bedeutet, daß die Anhebungswirkung für die Einschaltschwelle um
so größer wird, je flacher die Lage des Kurvenzuges 80 ist und je größer die Schaltdifferenz
war, mindestens die Schaltdifferenz bezüglich der Kurven 72 und 71.
-
Analog verfährt der Regler beim Aufheizen, wenn sich das Aufheizen
im Zuge einer starken Belastung vollzieht, das heißt, daß die von dem oder den Verbrauchern
abgenommene Leistung bei relativ tiefen Außentemperaturen sich der maximal von der
Wärmequelle 2 abgebbaren Leistung nähert.
-
In diesem Fall kann es nämlich relativ lange dauern, wenn im Zuge
einer Aufheizung (vergleiche hier Figur drei) nach Passieren des Punktes 77 der
weitere Verlauf der Kurve 78 zeitabhängig so langsam ansteigt, daß erst nach sehr
langen Zeiten der Punkt 79 erreicht wird, in dem die Wärmequelle abgeschaltet wird.
Da andererseits für die Behaglichkeit des Benutzers nur erforderlich ist, daß der
Istwert gemäß der Kurve 73 den Sollwert gemäß der Kurve 72 erreicht hat, es aber
gleichgültig ist, wie weit dieser Sollwert vom Istwert überschritten ist, erfolgt
hier erfindungsgemäß analog eine Absenkung der Ausschaltschwelle, und zwar in Annäherung
an den Sollwert gemäß der Kurve 72. Zunächst wird über den Einsteller 30 die Höhe
der Ausschaltschwelle, das heißt die Ordinate der Kurve 70, vorgegeben. Hierbei
kann der senkrechte Abstand der Kurve 70 von der Kurve 72 durchaus abweichen von
dem Abstand, den die Kurven 72 und 71 ihrerseits haben. Zur Absenkung des Ordinatenwertes
der Kurve 70 wird wieder der Rampengenerator 44 als Signalgeber benutzt. Nunmehr
wird aber statt des Umschalters
52 der Umschalter 54 benutzt. Der
vom Einsteller 30 vorgegebene Ausgangswert steht über die Leitungen 32 und 43 sowohl
am einen Eingang des Rampengenerators als auch über die Leitung 33 am positiven
Eingang des Subtrahierers 34 an. Auf den negativen Eingang 55 kommt das von dem
Einsteller abzuziehende Zeitsignal an, und zwar dann, wenn der Arbeitskontakt 54
geschlossen hat.
-
Dieser Arbeitskontakt wird vom Vergleicher 21 dann aktiviert, wenn
der Istwert der Kurve 73 den Sollwert im Punkt 77 erreicht hat. Beim Erreichen dieses
Punktes läuft der Rampengenerator aktiviert über den Vergleicher 23 und den weiteren
Vergleicher 47 an und erzeugt ein zeitabhängiges linear stetig wachsendes Spannungssignal
auf der Leitung 49, das auf den negativen Eingang des Subtrahierers 34 geschaltet
wird und von dem Spannungssignal auf der Leitung 33 abgezogen wird. Beim Inbetriebgehen
der Wärmequelle hat der Vergleicher 18 auf der Leitung 60 ein Spannungssignal abgegeben,
das einmal zum Aktivieren des Steligliedes 16, zum anderen aber auch zum Anstoßen
der Triggerstufe 63 geführt hat. Ober den Speicher 65 hat der Umschalter 37 die
Stellung eingenommen, daß der Ausgang des Subtrahierers 34 auf die Leitung 29 und
damit auf den Sollwert-Eingang des Vergleichers 18 geschaltet ist. Somit wird dem
Regler ein künstliches Absenken der Ausschaltschwelle vorgetäuscht, das Ausschalten
erfolgt
zeitabhängig um so eher, je größer der Abstand der Kurven 70 und 72 war und je geringer
die Oberschußleistung der Wärmequelle 2 gegenüber der vom Verbraucher angeforderten
Leistung ist. Das Absinken- der Ausschaltschwelle kann wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel
stetig linear, stetig progressiv oder stufenweise erfolgen, je nach Variation der
Ausführung des Rampengenerators 44.
-
Es ist möglich, sowohl die Aufheiz- als auch die Abkühlungsvorgänge
der Wärmequelle durch Variationen sowohl der Ausschalt- als auch der Einschaltschwelle
gleichermaßen zu verändern, es ist auch möglich, im Schwachlastbereich lediglich
die Einschaltschwelle, im Starklastbereich lediglich die Ausschaltschwelle anzupassen.