DE4028501A1 - Verfahren zur steuerung der aufheizung von raeumen sowie heizungsanlage zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Steue­ rung der Aufheizung von Räumen eines Gebäudes, in dessen Räumen die Raumtemperatur zeitweilig auf ein niedriges Niveau abgesenkt wird, wobei zur Aufheizung auf eine Soll-Raumtemperatur die Außentemperatur und die Ist- Raumtemperatur unmittelbar vor dem Aufheizen, die Soll- Raumtemperatur für Heizbetrieb sowie die programmierten Zeiträume der Temperaturabsenkung und die Zeiträume der Hochtemperatur einer Steuerung sowie eine Gebäudekonstan­ te und eine minimale Außentemperatur zur Berechnung des spätestmöglichen Beginns der Aufheizung verwendet werden.

Üblicherweise wird hierzu ein Temperaturfühler in einem der zu beheizenden Räume in Verbindung mit einem witte­ rungsgeführten VT-Regler mit einem Algorithmus zur selbstoptimierenden Aufheizzeitberechnung eingesetzt.

Mit Hilfe des Raumtemperaturfühlers kann überprüft wer­ den, ob und welche Abweichungen der Raum-Ist-Temperatur zum programmierten Zeitpunkt von der Raum-Soll-Temperatur existieren.

In Gebäuden, in denen kein repräsentativer Testraum fur die Raumtemperatur-Überprüfung existiert, erfolgt die Aufheizzeitberechnung ohne Raumfühler in Abhängigkeit von der Außentemperatur und gegebenenfalls einer festen oder einstellbaren Raum-Soll-Temperaturüberhöhung. Dabei müs­ sen alle Korrekturen manuell durch den Betreiber oder Service vorgenommen werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß diese Art der Bemessung der Aufheizzeit nicht optimal ist, weil et­ liche Faktoren, die für die richtige Wahl des Einschalt­ zeitpunktes der Beheizung maßgebend sind, dabei unberück­ sichtigt bleiben und Möglichkeiten zur selbsttätigen An­ passung nicht genutzt werden. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, daß die Dauer der Aufheizzeit beziehungsweise der Zeitpunkt der Einschaltung eines Heizgerätes auf der Basis des funktionellen Zusammenhanges zwischen folgenden Faktoren festgelegt wird:

• a) Der Absenkzeit, die auch die Aufheizzeit umfaßt, die sich aus dem vom Benutzer vorzugebenden Programm (An­ fang und Ende der Beheizung) ergibt,
• b) einer der Gebäudekonstanten proportionalen Größe,
• c) der aktuellen Außentemperatur (t_A),
• d) einer minimalen Außentemperatur, die für die Auslegung der Heizungsanlage relevant ist,
• e) der gewünschten Soll-Raumtemperatur,
• f) der Differenz zwischen der Soll-Raumtemperatur und der minimalen Außentemperatur (Δ t_A),
• g) der während der Aufheizung eingesetzten Wärmemenge oder einer proportionalen Größe und
• h) dem Verhältnis (f_H) der Leistung des Wärmeer­ zeugers zu der erforderlichen Heizleistung bei der minimalen Außentemperatur.

Besonders günstig läßt sich nach dieser grundsätzlichen Lehre die optimale Dauer der Aufheizzeit nach folgender Formel ermitteln:
Gleichung (1)

Bekannt sind Verfahren, bei denen hierzu die Zeitkonstan­ te vorgegeben und von Hand angepaßt wird. Wie in Glei­ chung (1) gezeigt, ist dies nicht ausreichend, um einen optimalen Aufheizverlauf zu erzielen. Bedeutsam sind auch die Faktoren f) und h), wobei h) auch durch ein äquivalen­ tes f) ausgedrückt werden kann. Zur Vereinfachung der richtigen Wahl dieses Wertes beinhaltet die Erfindung auch ein selbsttätiges Adaptionsverfahren hierzu.

Mit einem Vorgabewert aus dem Zusammenhang (1) beginnt die gesteuerte Aufheizung vor dem programmierten Zeit­ punkt des Erreichens der Soll-Raumtemperatur.

Zur Ermittlung eines der eingesetzten Wärmemenge propor­ tionalen Korrekturfaktors kann die Zeitspannne vom Ein­ schalten des Heizgerätes bis zur ersten Abschaltung ge­ messen werden, und aus dem Verhältnis zwischen der Auf­ heizzeit und der gemessenen Einschaltdauer kann ein Fak­ tor ermittelt werden, mit dem dann die Differenz zwischen der Soll-Raumtemperatur und der der maximalen Vorlauftem­ peratur des Heizgerätes zugeordneten Außentemperatur mul­ tipliziert wird.

Im Zusammenhang mit dem Verfahren erstreckt sich die Er­ findung auch auf eine zu dessen Durchführung geeignete Heizungsanlage mit einem Heizgerät, einer die Brennstoff­ zufuhr zu dessen Brenner regelnden, von einer Steuerung gesteuerten Ventil und einen mit einer Umlaufpumpe aus­ gestatteten, zumindest einen Heizkörper enthaltenden Heizkreis, in dessen Vorlaufleitung ein Temperaturfühler angeordnet ist, wobei die Steuerung des Heizgerätes, der Antrieb der Umlaufpumpe des Heizkreises und der Tempera­ turfühler über Steuerleitungen mit einer allgemeinen Steuerung verbunden sind, an die auch eine Vorrichtung zur Eingabe der Soll-Raumtemperatur, ein Außentemperatur­ fühler und ein Programmgeber über Steuerleitungen ange­ schlossen sind.

Erfindungsgemäß sind an diese allgemeine Steuerung zu­ sätzlich eine einstellbare Vorrichtung zur Eingabe einer dem Maximum der Vorlauftemperatur entsprechenden Außen­ temperatur und eine Vorrichtung zur Eingabe einer der Ge­ bäudekonstanten entsprechenden Größe über Steuerleitungen angeschlossen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert.

Im einzelnen zeigen die

Fig. 1 bis 4 anhand von Diagrammen den funktionellen Zusammenhang zwischen den oben bereits genannten, für die Bestimmung einer optimalen Dauer der Aufheizzeit maßge­ benden Kennwerten.

Fig. 5 stellt das Schema einer zur Durchführung des Ver­ fahrens geeigneten Heizungsanlage dar.

Zunächst zeigt das Diagramm nach Fig. 1 den funktionel­ len Zusammenhang zwischen der in der Abszisse ersichtli­ chen jeweiligen Ist-Höhe der Außentemperatur zu Beginn und während des Verlaufs der Aufheizung auf die Soll- Raumtemperatur (t_iN), der minimalen Außentemperatur t_{A min}, der Gebäudekonstanten und dem in der Ordinate auf­ getragenen Verhältnis von Aufheizzeit Z_A zur Dauer des Absenkbetriebs Z_G. Dabei ist die Aufheizzeit Z_A der Zeit­ raum, innerhalb dessen die Ist-Raumtemperatur vom Beginn der Raumbeheizung auf den Soll-Wert der Raumtemperatur ansteigt. Diese Dauer ist in Prozenten der Gesamtabsenk­ zeit angegeben. Bei der minimalen Außentemperatur t_{A min} wird das Maximum der erforderlichen Leistung zur Raumbe­ heizung beim Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN erreicht.

t_{A min} wurde beispielsweise mit -15°C angenommen, die Soll-Raumtemperatur t_iN beträgt beispielsweise +20°C. Δ t_A beträgt demnach 35 K. Die der Gebäudekonstanten proportionale Größe K ist unterschiedlich und berücksich­ tigt die individuelle Trägheit des Gebäudes in bezug auf Wärmeaufnahme- und -speicherfähigkeit. K₁ ist größer als K₂ und K₂ größer als K₃ angenommen.

Aus dieser Fig. 1 ist demnach die Auswirkung unter­ schiedlicher Gebäudekonstanten K auf die jeweils erfor­ derliche Aufheizzeit ersichtlich.

Der Leistungsüberschußfaktor f_H bei einer Temperatur von t_{A min} beträgt in diesem Fall 1,0, das heißt, es exi­ stiert kein Überschuß, die erforderliche Heizleistung wird voll von der Wärmeerzeugerleistung gedeckt. Der Ver­ lauf der in Fig. 1 dargestellten Kurven ergibt sich durch Iteration aus den bekannten Beziehungen

darin bedeutet Tau_A die sogenannte Aufheizzeitkonstante, f_H das Verhältnis der Leistung des Wärmeerzeugers zur Heizleistung, die bei t_{A min} erforderlich ist, um eine Raumtemperatur von t_iN zu ermöglichen, t_iO die Raumtempe­ ratur nach Ablauf der Zeit Z_E zu Beginn der Aufheizung aus der Absenkung auf das erhöhte Raumtemperaturniveau.

Auch die Fig. 2 zeigt in einem solchen Diagramm die funktionelle Abhängigkeit der Aufheizzeit Z_A von der Au­ ßentemperatur t_A, und zwar - entsprechend Außentemperatu­ ren von t_{A min} von -10°C, -15°C und -20°C in den Kurven 1, 2 beziehungsweise 3.

Bei jeder solchen minimalen Außentemperatur t_{A min} wird davon ausgegangen, daß vom Heizgerät die maximale Lei­ stung abgegeben wird, das heißt f_H = 1.

Die Berechnung der Kurvenverläufe in einem in Heizungs­ reglern verwendeten Mikrorechner erfordert eine relativ hohe Rechenzeit und einen beträchtlichen Speicherplatzbe­ darf.

Den hier existierenden Anforderungen wird eine geschlos­ sen zu lösende lineare Gleichung erheblich besser gerecht. Hierfür wird erfindungsgemäß eine Annäherung wie folgt verwendet:

wobei Z_A die gewünschte Zeitspanne in Stunden, K₁ eine der Gebäudezeitkonstante proportionale dimensionslose Größe, Z_G die Zeitspanne des Abweichens vom erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN in Stunden, t_A die laufende Außentemperatur in °C, t_{A min} die minimale Auslegungstem­ peratur der Heizungsanlage in °C, Δ t_A die Differenz zwi­ schen dem Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN und der minimalen Außentemperatur t_{A min} in °C bedeuten.

Dieser angenäherte Verlauf ist in Fig. 2 als Kurve 4 dargestellt.

Zur Anpassung des Faktors K₁ an die physikalische Gebäu­ dezeitkonstante K_Geb kann folgender Zusammenhang verwen­ det werden:

darin bedeuten A, B, C und n mathematische Konstanten zur fehlerminimalen Annäherung.

Diese Anpassung kann vorteilhaft vom Rechner der Regel­ einheit durchgeführt werden.

Bei praktisch ausgeführten Anlagen kann es vorkommen, daß bei der eingestellten minimalen Außentemperatur der Lei­ stungsüberschußfaktor f_H <1 ist. Das führt dazu, daß die Aufheizzeit zu lang berechnet wird, obwohl die Zeitkon­ stante passend eingestellt ist. Da kein Raumfühler zur Korrektur herangezogen werden kann, muß eine dem tatsäch­ lichen Wärmebedarf annähernd proportionale Größe dazu verwendet werden. Sie kann von Hand eingegeben werden. Vorteilhaft ist aber eine selbsttätige Anpassung an die Gegebenheiten des Heizsystems.

Wird beispielsweise vom Einschalten des Heizgerätes bis zu dessen erster Abschaltung eine Zeitspanne gemessen, die kürzer als die berechnete Aufheizzeit ist, muß ein Leistungsüberschuß bestehen, das heißt, f_H ist größer als 1. Dies bedeutet, daß die tatsächliche minimale Außentem­ peratur t_{A min}, bei der die Soll-Raumtemperatur t_iN noch aufrechterhalten werden kann, niedriger liegt. Der Punkt der Kurve 2, in dem bei t_{A min} die Aufheizzeit 100% be­ trägt, könnte demnach nach links bis zur Kurve 3 verscho­ ben werden, wodurch sich die Differenz Δ t_A vergrößert zu t_A′.

Dies geschieht, indem aus dem Verhältnis der errechneten Aufheizzeit zur gemessenen Einschaltdauer ein Korrektur­ faktor ermittelt wird. Mit diesem Korrekturfaktor wird eine neue Differenz Δ t_A′ errechnet und bei konstanter Soll-Raumtemperatur eine neue, niedrigere Außentemperatur t_{A min} ermittelt (Kurve 3 der Fig. 2).

Im Diagramm nach Fig. 3 ist in der Abszisse der Tagesab­ lauf in Stunden und in der Ordinate die Temperaturen ver­ zeichnet. Der Verlauf der Ist-Raumtemperatur ist mit ei­ ner vollen Linie, der Verlauf der Soll-Raumtemperatur t_iN mit einer lang gestrichelten Linie dargestellt.

Innerhalb der Absenkzeit Z_G liegt die Aufheizzeit Z_A, nach deren Ablauf die Raumtemperatur etwa bei der Soll- Raumtemperatur von +20°C liegt. Im unteren Teil von Fig. 3 ist der Verlauf der Leistung (prozentual) des Wär­ meerzeugers dargestellt.

Fig. 4 zeigt in einem Diagrammm, wie die Berücksichtigung des tatsächlichen Wärmebedarfs durch eine Messung der Zeitspanne zwischen der Einschaltung des Heizgerätes und dessen erster Abschaltung durch den Kessel- oder Vorlauftemperatur-Regler erfolgen kann.

Im oberen Teil des Diagrammes ist in der Abszisse der Zeitablauf der Heizkreistemperatur t_v verzeichnet. Die Linie 5 bezeichnet die Temperatur, bei der das Heizgerät im aufgeheizten Zustand durch den Regler 25 einschaltet und die Linie 6 jene Temperatur t_Vmax, bei der es aus­ schaltet. Die Aufheizung erfolgt ab der Temperatur t_vi.

Im unteren Teil des Diagrammes nach Fig. 4 ist in der Ordinate die Leistung P des Heizgerätes verzeichnet, und zwar mit dem Punkt 7 die 100%ige Nennleistung. Im Zeit­ raum Z_ein zwischen der Ein- und der ersten Ausschaltung des Heizgerätes läßt sich die erbrachte Wärmemenge fest­ stellen und daraus der Korrekturfaktor ermitteln, indem die errechnete Aufheizzeit Z_A zur tatsächlichen Ein­ schaltzeit Z_ein ins Verhältnis gesetzt wird.

Bei der Ermittlung dieses Korrekturfaktors müssen folgen­ de Fälle unterschieden werden.

Fall 1

Die Abschaltung des Wärmeerzeugers erfolgte vor oder mit dem Erreichen des programmierten Beginns der Heizzeit, Kurve 2 und 3 in Fig. 4.

In einem großen Teil des Außentemperaturbereiches ändert sich die Aufheizzeit annähernd linear mit der Außentempe­ ratur. Hier kann zwischen zwei Kurvenverläufen mit unter­ schiedlichem Δ t_A folgender Zusammenhang hergestellt wer­ den:

Darin bedeutet Δ t_AM die tatsächliche Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN und der tatsächlichen minimalen Außentemperatur t_{A min} und Δ t_AE die eingestell­ te Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN und der tatsächlichen minimalen Außentemperatur t_{A min}, Z_AM der gemessenen Aufheizzeit, in Fig. 4 die Zeiten z_ein2 beziehungsweise z_ein3 und Z_AE der aus den Einstell­ daten errechneten Aufheizzeit.

Das Verhältnis Z_AE/Z_AM kann hierbei zur Korrektur des eingestellten Wertes Δ t_AE verwendet werden.

Fall 2

Die Abschaltung des Wärmeerzeugers erfolgte nach dem pro­ grammmierten Beginn der Heizzeit, Kurve 1 in Fig. 4.

Durch Extrapolation des Vorlauftemperaturverlaufes wird die zugehörige Einschaltzeitdauer ermittelt.

Worin Z_AM die errechnete Einschaltzeit des Wärmeerzeu­ gers, Z_A die eingestellte Aufheizzeit, t_vmax die Diffe­ renz zwischen der maximalen Temperatur des Heizkreises und der Heizkreistemperatur zu Beginn der Aufheizung, Δ t_vi die Differenz zwischen der gemessenen Ist- Heizkreistemperatur zu Beginn der Zeitphase mit dem er­ höhten Raumtemperatur-Soll-Wert und der Ist-Heizkreis­ temperatur zu Beginn der Aufheizung bedeuten.

Mit diesem extrapolierten Wert für Z_AM wird wieder über die Beziehung

die Korrektur von Δ t_A durchgeführt. Dabei entspricht Z_AM in diesem Fall z_ein1 in Fig. 4.

Fig. 5 zeigt das Schema einer zur Durchführung des Ver­ fahrens geeigneten Heizungsanlage mit einem brennerbe­ heizten Heizgerät, zum Beispiel einem Heizkessel 10, ei­ nem die Brennstoffzufuhr zu dessen Brenner 11 regelnden, in einer Brennstoffzufuhrleitung 12 angeordneten, von ei­ ner Steuerung 13 über einen Stellmotor oder Hubmagneten 14 verstellbaren Ventil und einem mit einer Umlaufpumpe 16 ausgestatteten, zumindest einen Heizkörper 17 enthal­ tenden, an den Wärmetauscher 18 des Heizkessels 10 ange­ schlossenen, eine Vorlaufleitung 20 und eine Rücklauflei­ tung 21 umfassenden Heizkreis, in dessen Vorlaufleitung 20 ein Temperaturfühler 19 angeordnet ist. Die Steuerung 13 des Heizkessels 10, der Antrieb der Umlaufpumpe 16 des Heizkreises 20 bis 21 und der Temperaturfühler 19 sind über Steuerleitungen 22 beziehungsweise 23 und 24 mit ei­ ner allgemeinen Steuerung 25 der Heizungsanlage verbun­ den, an die auch eine Vorrichtung 26 zur willkürlichen Einstellung der gewünschten Soll-Raumtemperatur t_iN, ein Außentemperaturfühler 27 und ein Programmgeber 28 über Steuerleitungen 29 beziehungsweise 30, 31 angeschlossen sind.

An diese allgemeine Steuerung 25 ist zusätzlich auch noch ein einstellbares Zeitglied 32 zur Eingabe einer Außen­ temperatur t_{A min} und eine Vorrichtung 33 zur Eingabe ei­ ner der Gebäudekonstanten K proportionalen Größe über Steuerleitungen 34 und 35 sowie über eine Leitung 36 ein Signal zur Erkennung des Zustandes des Ventils 12 ange­ schlossen.

In einer solchen Heizungsanlage kann somit die Dauer der Aufheizzeit, demnach also der Zeitpunkt für eine selbst­ tätige Einschaltung des Heizkessels von der Steuerung 25 im Sinne der Erfindung problemlos und dem Bedarf entspre­ chend vorgegeben werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Steuerung der Aufheizung von Räu­ men eines Gebäudes, die während Belegungszeiten auf einem höheren Raumtemperatur-Soll-Wert und während einer Absenkzeit auf ein niedrigeres Raumtemperaturniveau gelangen und wobei nach Ab­ lauf der Absenkzeit (Z_G) das erhöhte Raumtempe­ raturniveau wieder erreicht sein soll und die Zeitspanne (Z_A) zu bestimmen ist, aus der der Zeitpunkt, zu der ein Heizgerät eingeschaltet werden muß, um zum gewünschten nächsten Bele­ gungsbeginn den erhöhten Raumtemperatur-Soll- Wert mit der Raumtemperatur wieder zu erreichen, berechnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne (Z_A) für die Dauer der Auf­ heizung auf das erhöhte Raumtemperaturniveau (t_iN) nach folgender Beziehung ermittelt wird: wobei Z_A die gewünschte Zeitspanne in Stunden, K₁ eine der Zeitkonstante des Gebäudes propor­ tionale dimensionslose Größe, Z_G die Zeitspanne des Abweichens vom erhöhten Raumtemperatur-Soll- Wert t_iN in Stunden, t_A die laufende Außentempe­ ratur in °C, t_{A min} die minimale Außentemperatur in °C, bei der die vom Heizsystem geforderte Wärmeleistung, die zum Erreichen des Raum-Soll- Wertes t_iN notwendig ist, gerade von der Lei­ stung des Wärmeerzeugers gedeckt wird, Δ t_A die Differenz zwischen dem Raumperatur-Soll-Wert, t_iN und der minimalen Außentemperatur t_{A min} in K bedeuten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Konstante K₁ nach folgender Bezie­ hung ermittelt wird:
K₁ = A · K_Geb, wobei K_Geb die Gebäudekonstante und K₁ Proportionalitätsfaktor ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeitspanne vom Beginn der Ein­ schaltung des Wärmeerzeugers mit dem Beginn der Aufheizzeit Z_A bis zum hierauf folgenden erstma­ ligen Erreichen der Maximaltemperatur des Heiz­ kreises, die durch die Auslegungsdaten des Heiz­ systems festgelegt ist, gemessen wird und für den Fall, daß zum Beginn der Zeitphase mit dem höheren Raumtemperatur-Soll-Wert der Wärmeerzeu­ ger bereits über die Maximaltemperatur abge­ schaltet worden ist, mit der für diesen Aufheiz­ vorgang zugrunde gelegten Aufheizzeit Z_A ins Ver­ hältnis gesetzt wird, und daß die aktuelle Dif­ ferenz Δ t_A zwischen dem Raumtemperatur-Soll- Wert t_iN und der minimalen Außentemperatur t_{A min} in einem nach niedrigen Außentemperaturen hin begrenzten Bereich, innerhalb dessen der Zusam­ menhang zwischen der Aufheizzeit Z_A und der Au­ ßentemperatur t_A annähernd linear ist, nach fol­ gendem Zusammenhang korrigiert wird: darin bedeutet Δ t_AM die tatsächliche Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN und der tatsächlichen minimalen Außentemperatur t_{A min} und Δ t_AE die eingestellte Differenz zwi­ schen dem Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN und der tatsächlichen minimalen Außentemperatur t_{A min}.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeitspannne vom Beginn der Ein­ schaltung des Wärmeerzeugers mit dem Beginn der Aufheizzeit Z_A bis zum hierauf folgenden erstma­ ligen Erreichen der Maximaltemperatur des Heiz­ kreises, die durch die Auslegungsdaten des Heiz­ systems festgelegt ist, gemessen wird und für den Fall, daß zum Beginn der Zeitphase mit dem höheren Raumtemperatur-Soll-Wert der Wärmeerzeu­ ger noch nicht über die Maximaltemperatur abge­ schaltet worden ist, die tatsächliche Aufheiz­ zeit Z_AM aus folgendem Zusammenhang errechnet wird. worin Z_AM die errechnete Einschaltzeit des Wär­ meerzeugers, Z_A die eingestellte Aufheizzeit, t_vmax die Differenz zwischen der maximalen Temperatur des Heizkreises und der Heizkreistem­ peratur zu Beginn der Aufheizung, Δ t_vi die Dif­ ferenz zwischen der gemessenen Ist-Heizkreistem­ peratur zu Beginn der Zeitphase mit dem erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert und der Ist-Heizkreis­ temperatur zu Beginn der Aufheizung bedeuten, und daß diese errechnete Zeit Z_AM mit der für diesen Aufheizvorgang zugrunde gelegten Aufheiz­ zeit Z_A ins Verhältnis gesetzt wird, und daß die aktuelle Differenz t_A zwischen dem Raumtempera­ tur-Soll-Wert t_iN und der minimalen Außentempe­ ratur t_{A min} in einem nach niedrigen Außentempe­ raturen hin begrenzten Bereich, innerhalb dessen der Zusammenhang zwischen der Aufheizzeit Z_A und der Außentemperatur t_A annähernd linear ist, nach folgendem Zusammenhang korrigiert wird: