CH682345A5 - Controlling heating of rooms for economy - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Aufheizung von Räumen eines Gebäudes gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs, wobei die Raumtemperatur zeitweilig auf ein niedriges Niveau abgesenkt wird und zur Aufheizung auf eine höhere Soll-Raumtemperatur die Aussentemperatur und die Ist-Raumtemperatur unmittelbar vor dem Aufheizen, die höhere Soll-Raumtemperatur, die programmierten Zeiträume der Temperaturabsenkung und der Hochtemperatur sowie eine Gebäudekonstante 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 witterungsgeführten VT-Regler mit einem Algorithmus zur selbstoptimierenden Aufheizzeitberechnung eingesetzt. 



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



  In Gebäuden, in denen kein repräsentativer Testraum für die Raumtemperatur-Überprüfung existiert, erfolgt die Aufheizzeitberechnung ohne Raumfühler in Abhängigkeit von der Aussentemperatur und gegebenenfalls einer festen oder einstellbaren Raum-Soll-Temperaturüberhöhung. Dabei müssen alle Korrekturen manuell durch den Betreiber oder eine Servicewerkstatt vorgenommen werden. 



  Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass diese Art der Bemessung der Aufheizzeit nicht optimal ist, weil etliche Faktoren, die für die richtige Wahl des Einschaltzeitpunktes der Beheizung massgebend sind, dabei unberücksichtigt bleiben und Möglichkeiten zur selbsttätigen Anpassung nicht genutzt werden. Erfindungsgemäss sind deshalb die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs vorgesehen. 



  Nach dieser grundsätzlichen Lehre lässt sich die optimale Dauer der Aufheizzeit nach folgender Formel ermitteln: 



  Gleichung (1) 
EMI2.1
 
 



  Bekannt sind Verfahren, bei denen hierzu die Zeitkonstante K1 vorgegeben und von Hand angepasst wird. Wie in Gleichung (1 ) gezeigt, ist dies nicht ausreichend, um einen optimalen Aufheizverlauf zu erzielen. 



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



  Zur Ermittlung eines der eingesetzten Wärmemenge proportionalen Korrekturfaktors kann die Zeitspanne vom Einschalten des Heizgerätes bis zur ersten Abschaltung gemessen werden, und aus dem Verhältnis zwischen der Aufheizzeit und der gemessenen Einschaltdauer kann ein Faktor ermittelt werden, mit dem dann die Differenz zwischen der Soll-Raumtemperatur und der der maximalen Vorlauftemperatur des Heizgerätes zugeordneten Aussentemperatur multipliziert wird. 



  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 massgebenden Kennwerten. 
   Fig. 5 stellt das Schema einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Heizungsanlage dar. 
 



  Zunächst zeigt das Diagramm nach Fig. 1 den funktionellen Zusammenhang zwischen der in der Abszisse ersichtlichen jeweiligen Ist-Höhe der Aussentemperatur zu Beginn und während des Verlaufs der Aufheizung auf die Soll-Raumtemperatur (tiN), der minimalen Aussentemperatur tAmin, der Gebäudekonstanten und dem in der Ordinate aufgetragenen Verhältnis von Aufheizzeit ZA zur Dauer des Absenkbetriebs ZG. Dabei ist die Aufheizzeit ZA der Zeitraum, innerhalb dessen die Ist-Raumtemperatur vom Beginn der Raumbeheizung auf den Soll-Wert der Raumtemperatur ansteigt. Diese Dauer ist in Prozenten der Gesamtabsenkzeit angegeben.

  Bei der minimalen Aussentemperatur tAmin wird das Maximum der erforderlichen Leistung zur Raumbeheizung beim Raumtemperatur-Soll-Wert tiN erreicht.  tAmin wurde beispielsweise mit - 15 DEG C angenommen, die Soll-Raumtemperatur tiN beträgt beispielsweise + 20 DEG C.  DELTA tA beträgt demnach 35 K. Die der Gebäudekonstanten proportionale Grösse K ist unterschiedlich und berücksichtigt 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 unterschiedlicher Gebäudekonstanten K auf die jeweils erforderliche Aufheizzeit ersichtlich. 



  Der Leistungsüberschussfaktor fH bei einer Temperatur von tAmin beträgt in diesem Fall 1,0, das heisst, es existiert kein Überschuss, die erforderliche Heizleistung wird voll von der Wärmeerzeugerleistung gedeckt. Der Verlauf der in Fig. 1 dargestellten Kurven ergibt sich durch Iteration aus den bekannten Beziehungen 
EMI5.1
 
 



  und 
EMI5.2
 
 



  darin bedeutet TauA die sogenannte Aufheizzeitkonstante, fH das Verhältnis der Leistung des Wärmeerzeugers zur Heizleistung, die bei tAmin erforderlich ist, um eine Raumtemperatur von tiN zu ermöglichen, tio die Raumtemperatur nach Ablauf der Zeit ZE 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 ZA von der Aussentemperatur tA, und zwar - entsprechend Aussentemperaturen von tA min von -10 DEG C,     -15 DEG C und - 20 DEG C in den Kurven 1, 2 beziehungsweise 3. 



  Bei jeder solchen minimalen Aussentemperatur tAmin wird davon ausgegangen, dass vom Heizgerät die maximale Leistung abgegeben wird, das heisst fH = 1. 



  Die Berechnung der Kurvenverläufe in einem in Heizungsreglern verwendeten Mikrorechner erfordert eine relativ hohe Rechenzeit und einen beträchtlichen Speicherplatzbedarf. 



  Den hier existierenden Anforderungen wird eine geschlossen zu lösende lineare Gleichung erheblich besser gerecht. Hierfür wird erfindungsgemäss eine Annäherung wie folgt verwendet: 
EMI7.1
 
 



  wobei ZA die gewünschte Zeitspanne in Stunden, K1 eine der Gebäudezeitkonstante proportionale dimensionslose Grösse, ZG die Zeitspanne des Abweichens vom erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert tiN in Stunden, tA die laufende Aussentemperatur in  DEG C, tAmin die minimale Auslegungstemperatur der Heizungsanlage in  DEG C,  DELTA tA die Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der minimalen Aussentemperatur tAmin in  DEG C bedeuten. 



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



  Zur Anpassung des Faktors K1 an die physikalische Gebäudezeitkonstante KGeb kann folgender Zusammenhang verwendet werden: 
EMI7.2
 
 



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



  Diese Anpassung kann vorteilhaft vom Rechner der Regeleinheit durchgeführt werden. 



  Bei praktisch ausgeführten Anlagen kann es vorkommen, dass bei der eingestellten minimalen Aussentemperatur der Leistungsüberschussfaktor fH > 1 ist. Das führt dazu, dass die Aufheizzeit zu lang berechnet wird, obwohl die Zeitkonstante passend eingestellt ist. Da kein Raumfühler zur Korrektur herangezogen werden kann, muss eine dem tatsächlichen 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, fH ist grösser als 1. Dies bedeutet, dass die tatsächliche minimale Aussentemperatur tAmin, bei der die Soll-Raumtemperatur tiN noch aufrechterhalten werden kann, niedriger liegt. Der Punkt der Kurve 2, in dem bei tAmin die Aufheizzeit 100% beträgt, könnte demnach nach links bis zur Kurve 3 verschoben werden, wodurch sich die Differenz  DELTA tA vergrössert zu  DELTA tA min . 



  Dies geschieht, indem aus dem Verhältnis der errechneten Aufheizzeit zur gemessenen Einschaltdauer ein Korrekturfaktor ermittelt wird. Mit diesem Korrekturfaktor wird eine neue Differenz  DELTA tA min  errechnet und bei konstanter Soll-Raumtemperatur eine neue, niedrigere Aussentemperatur tAmin ermittelt (Kurve 3 der Fig. 2). 



  Im Diagramm nach Fig. 3 ist in der Abszisse der Tagesablauf in Stunden und in der Ordinate die Temperaturen verzeichnet. Der Verlauf der Ist-Raumtemperatur ist mit einer vollen Linie, der Verlauf der Soll-Raumtemperatur tiN mit einer lang gestrichelten Linie dargestellt. 



  Innerhalb der Absenkzeit ZG liegt die Aufheizzeit ZA, nach deren Ablauf die Raumtemperatur etwa bei der Soll-Raumtemperatur von + 20 DEG C liegt. Im unteren Teil von Fig. 3 ist der Verlauf der Leistung (prozentual) des Wärmeerzeugers dargestellt. 



  Fig. 4 zeigt in einem Diagramm, 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 tv 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 tVmax, bei der es ausschaltet. Die Aufheizung erfolgt ab der Temperatur tvi. 



  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 Zeitraum Zein zwischen der Ein- und der ersten Ausschaltung des Heizgerätes lässt sich die erbrachte Wärmemenge feststellen und daraus der Korrekturfaktor ermitteln, indem die errechnete Aufheizzeit ZA zur tatsächlichen Einschaltzeit Zein ins Verhältnis gesetzt wird. 



  Bei der Ermittlung dieses Korrekturfaktors müssen folgende 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 Aussentemperatur. Hier kann zwischen zwei Kurvenverläufen mit unterschiedlichem  DELTA tA folgender Zusammenhang hergestellt werden: 
EMI11.1
 
 



  Darin bedeutet  DELTA tAM die tatsächliche Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der tatsächlichen minimalen Aussentemperatur tAmin und  DELTA tA min  die eingestellte Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der tatsächlichen minimalen Ausstentemperatur tAmin, ZAM der gemessenen Aufheizzeit, in Fig. 4 die Zeiten zein2 beziehungsweise zein3 und ZAE der aus den Einstelldaten errechneten Aufheizzeit. 



  Das Verhältnis ZAE/ZAM kann hierbei zur Korrektur des eingestellten Wertes  DELTA tAE verwendet werden. 


 Fall 2: 
 



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



  Durch Extrapolation des Vorlauftemperaturverlaufes wird die zugehörige Einschaltzeitdauer ermittelt. 
EMI11.2
 
 



  Worin ZAM die tatsächliche Einschaltzeit des Wärmeerzeugers, ZAE die eingestellte Aufheizzeit,  DELTA tvmax die Differenz zwischen der maximalen Temperatur des Heizkreises und der Heizkreistemperatur zu Beginn der Aufheizung und  DELTA tvi die Differenz zwischen der gemessenen Ist-Heizkreistemperatur zu Beginn der Zeitphase mit dem erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert und der Ist-Heizkreistemperatur zu Beginn der Aufheizung bedeuten. 



  Mit diesem extrapolierten Wert für ZAM wird wieder über die Beziehung 
EMI12.1
 
 



  die Korrektur von  DELTA tA durchgeführt. Dabei entspricht ZAM in diesem Fall zein1 in Fig. 4. 



  Fig. 5 zeigt das Schema einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Heizungsanlage mit einem brennerbeheizten Heizgerät, zum Beispiel einem Heizkessel 10, einem die Brennstoffzufuhr zu dessen Brenner 11 regelnden, in einer Brennstoffzufuhrleitung 12 angeordneten, von einer Steuerung 13 über einen Stellmotor oder Hubmagneten 14 verstellbaren Ventil und einem mit einer Umlaufpumpe 16 ausgestatteten, zumindest einen Heizkörper 17 enthaltenden, an den Wärmetauscher 18 des Heizkessel 10 ange schlossenen, eine Vorlaufleitung 20 und eine Rücklaufleitung 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 einer allgemeinen Steuerung 25 der Heizungsanlage verbunden, an die auch eine Vorrichtung 26 zur willkürlichen Einstellung der gewünschten Soll-Raumtemperatur tiN, 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 Aussentemperatur tAmin und eine Vorrichtung 33 zur Eingabe einer der Gebäudekonstanten K proportionalen Grösse über Steuerleitungen 34 und 35 sowie über eine Leitung 36 ein Signal zur Erkennung des Zustandes des Ventils 12 angeschlossen. 



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

Claims (4)

1. Verfahren zur Steuerung der Aufheizung von Räumen eines Gebäudes, die während einer Belegungszeit auf einem höheren Raumtemperatur-Soll-Wert (tiN) als während einer Absenkzeit (ZG) eingestellt werden, wobei nach Ablauf der Absenkzeit (ZG) das erhöhte Raumtemperaturniveau wieder erreicht sein soll und die Zeitspanne (ZA) zu bestimmen ist, aus der der Zeitpunkt, zu der ein Heizgerät eingeschaltet werden muss, um zum gewünschten nächsten Belegungsbeginn den erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert (tiN) mit der Raumtemperatur wieder zu erreichen, berechnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne ZA für die Dauer der Aufheizung auf das erhöhte Raumtemperaturniveau nach folgender Beziehung ermittelt wird:

EMI14.1 wobei K1 eine zur Zeitkonstanten KGeb des Gebäudes in Beziehung stehende dimensionslose konstante Grösse, ZG die Zeitspanne des Abweichens vom erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert tiN in Stunden, tA die Ist-Aussentemperatur in DEG C, bei der die vom Heizsystem geforderte Wärmeleistung, die zum Erreichen des Raum-Soll-Wertes tiN notwendig ist, gerade von der Leistung des Wärmeerzeugers gedeckt wird und DELTA tA die Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert, tiN und der minimalen Aussentemperatur tAmin in K bedeuten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstante K1 nach folgender Beziehung ermittelt wird: EMI15.1 mit KGeb als Gebäudekonstante und A, B, C und n als weitere Konstanten, wobei überwiegend gilt: EMI15.2

3.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne ZAM vom Beginn der Einschaltung des Wärmeerzeugers mit dem Beginn der Aufheizzeit ZA bis zum hierauf folgenden erstmaligen Erreichen der Maximaltemperatur des Heizkreises, die durch die Auslegungsdaten des Heizsystems festgelegt ist, gemessen wird und für den Fall, dass zum Beginn der Zeitphase mit dem höheren Raumtemperatur-Soll-Wert tiN der Wärmeerzeuger bereits über die Maximaltemperatur abgeschaltet worden ist, mit der für diesen Aufheizvorgang zugrunde gelegten Aufheizzeit ZAE ins Verhältnis gesetzt wird, und dass die eingestellte Differenz DELTA tA min zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der durch die Einstellung zugrunde gelegten minimalen Aussentemperatur tAmin min in einem nach niedrigen Aussentemperaturen hin begrenzten Bereich,

innerhalb dessen der Zusammenhang zwischen der Aufheizzeit ZA und der Aussentemperatur tA annähernd linear ist, nach folgendem Zusammenhang korrigiert wird: EMI16.1 mit DELTA tAM als tatsächlicher Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der tatsächlichen minimalen Aussentemperatur tAmin und DELTA tA min als eingestellter Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der eingestellten minimalen Aussentemperatur tAmin min .

4.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne vom Beginn der Einschaltung des Wärmeerzeugers mit dem Beginn der Aufheizzeit ZA bis zum hierauf folgenden erstmaligen Erreichen der Maximaltemperatur des Heizkreises, die durch die Auslegungsdaten des Heizsystems festgelegt ist, gemessen wird und für den Fall, dass zum Beginn der Zeitphase mit dem höheren Raumtemperatur-Soll-Wert tiN der Wärmeerzeuger noch nicht über die Maximaltemperatur abgeschaltet worden ist, die tatsächliche Aufheizzeit ZAM aus folgendem Zusammenhang errechnet wird:

EMI16.2 worin ZAE die aus der eingestellten Differenz DELTA tAE errechnete Aufheizzeit, DELTA tvmax die Differenz zwischen der maximalen Temperatur des Heizkreises und der Heizkreistemperatur zur Beginn der Aufheizung und DELTA tvi die Differenz zwischen der gemessenen Ist-Heizkreistemperatur zu Beginn der Aufheizung und DELTA tvi die Differenz zwischen der gemessenen Ist-Heizkreistemperatur zu Beginn der Aufheizung bedeuten, dass diese errechnete Zeit ZAM mit der für diesen Aufheizvorgang zugrunde gelegten Aufheizzeit ZAE ins Verhältnis gesetzt wird, und dass die aktuelle Differenz DELTA tA zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert tiN und der minimalen Aussentemperatur tAmin in einem nach niedrigen Aussentemperaturen hin begrenzten Bereich, innerhalb dessen der Zusammenhang zwischen der Aufheizzeit ZA und der Aussentemperatur tA annähernd linear ist,

nach folgendem Zusammenhang korrigiert wird: EMI17.1