-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Heizeinrichtung, insbesondere für eine Gebäude-Zentralheizung und/oder
für eine
Warmwasserbereitungsanlage eines Gebäudes.
-
Eine derartige Heizeinrichtung umfaßt üblicherweise
einen Brenner zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung eines
Brennstoff-Luft-Gemischs. Die so erzeugte Wärme kann beispielsweise über eine
Wärme-Kraft-Kopplung
in elektrische Energie umgewandelt werden. Die in den Verbrennungsabgasen
enthaltene Wärme
kann mit Hilfe eines entsprechenden Wärmetauschers einem Heizkreis
zugeführt
werden, der beispielsweise einen Bestandteil einer Gebäudezentralheizung
beziehungsweise einer Warmwasserbereitungsanlage eines Gebäudes bildet.
Zur Versorgung des Brenners mit Brennstoff und Luft sind eine Brennstoffzuführung und
eine Luftzuführung
vorgesehen. Mit Hilfe der Brennstoffzuführung und der Luftzuführung können die
zugeführte Brennstoffmenge
und/oder Luftmenge und daraus resultierend das Mischungsverhältnis zwischen Brennstoff
und Luft eingestellt werden. Durch eine Betätigung der Luftzuführung und/oder
der Brennstoffzuführung
wird der Zustand der in einer Brennkammer ablaufenden Verbrennung
stark beeinflußt.
-
Während
des Betriebs der Heizeinrichtung wird ein stabiler Verbrennungszustand
angestrebt, der sich durch geringe Emissionswerte, hohen Wirkungsgrad
und eine stabile Verbrennungsreaktion auszeichnet.
-
Um im Betrieb der Heizeinrichtung
einen gewünschten
Soll-Verbrennungszustand
einregeln zu können,
muß der
aktuell vorliegende Ist-Verbrennungszustand ermittelt werden. In
Abhängigkeit
eines Soll-Ist-Vergleichs kann dann entsprechend nachgeregelt werden.
Der Verbrennungszustand kann mit Verbrennungszustandsgrößen mehr
oder weniger genau beschrieben werden. Grundsätzlich ist es möglich, mit
einer Meßanlage,
die beispielsweise eine Lambda-Sonde, eine Ioni-Elektrode, einen Thermopilesensor, einen
Schwingungssensor sowie optische Sensoren aufweisen kann, die gewünschten Verbrennungszustandsgrößen, wie
z.B. Gasbeschaffenheit, Zusammensetzung des Verbrennungsgases, Brennstoff-Luft-Verhältnis des
Gemischs sowie Emissionswerte zu bestimmen. Allerdings ist der Verbrennungsprozeß sehr komplex
und hängt
von einer Reihe von Randbedingungen ab, wie z.B. Brennertyp, Temperaturverteilung
am Brenner oder in der Brennkammer, Brennstoff-Luft-Verhältnis, Feuchtigkeit
im Gemisch, Druckverhältnisse.
Hinzu kommt, daß sowohl
die Randbedingungen als auch die Verbrennungszustandsgrößen meistens
miteinander gekoppelt sind, was eine eindeutige Beschreibung des aktuellen
Verbrennungszustands erschwert. Um den Verbrennungszustand möglichst
genau ermitteln zu können,
ist daher eine Reihe aufwendiger Meßinstrumente und Sensoren erforderlich,
wodurch sich eine kostenintensive Meßanlage ergibt, die für ein Serienprodukt,
wie eine Heizeinrichtung für
eine Gebäudezentralheizung
oder für
eine Warmwasserbereitungsanlage, zu teuer ist. Darüber hinaus
besitzt z.B. eine Lambda-Sonde im Stand-By-Betrieb eine relativ hohe
Leistungsaufnahme, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Heizeinrichtung
beeinträchtigt
ist.
-
Aus der
DE 100 06 006 A1 ist eine
Heizeinrichtung mit einem Brenner zur Erzeugung von Wärme durch
Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches gemäß den beschriebenen Merkmalen
bekannt. Die Heizeinrichtung besitzt eine Steuerung, die in Abhängigkeit
eines Soll-Ist-Vergleichs wenigstens einer Verbrennungszustandsgröße die Brennstoffzuführung und
die Luftzuführung
steuert. Dem Verbrennungsbereich des Brenners ist eine Ionisationselektrode
als Sensor zugeordnet, die die Luftzahl des Verbrennungsvorganges
des Brenners im Abags ermittelt und das Messsignal der Steuerung
zuführt. Mittels
der Steuerung wird der Soll-Ist-Vergleich
der gemessenen Luftzahl mit einer gewünschten Luftzahl durchgeführt und
durch Verstellung der Brennstoffzufuhr und/oder der Luftzufuhr die
Luftzahl im Abgas auf die im jeweiligen Betriebsfall gewünschte Luftzahl nachgeführt.
-
Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung mit den
Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, daß für die Ermittlung
der gewünschten
Verbrennungszustandsgrößen einfache
und preiswerte Sensoren beziehungsweise Meßwertgeber anstelle von teuren
Spezialsensoren verwendet werden können. Mit Hilfe einer preiswerten Sensorik
können
dabei einfache Betriebsparameter erfaßt werden, die einen Einfluß auf die
Verbrennungszustandsgrößen haben.
Um aus diesen Betriebsparametern die Verbrennungszustandsgrößen generieren
zu können,
wird bei der Erfindung ein neuronales Netzwerk verwendet, das wenigstens eine
neuronale Eingangsebene oder Eingangsschicht und eine neuronale
Ausgangsebene oder Ausgangsschicht aufweist. Den Neuronen der Eingangsebene
werden die mit den Betriebsparametern korrelierten Eingangssignale
zugeführt.
Eine trainierte Vernetzung der Eingangsebene mit der Ausgangsebene
ordnet dann den aktuell vorliegenden Betriebsparametern zugehörige aktuelle
Verbrennungszustandsgrößen zu,
die der Steuerung der Heizeinrichtung als Istwerte für einen
Soll-Ist-Vergleich der
Verbrennungszustandsgrößen zugeführt werden. Mit
Hilfe der einfachen Sensorik wird somit in Verbindung mit dem neuronalen
Netzwerk quasi ein virtueller Sensor geschaffen, mit dem die Messung
der komplexen Verbrennungszustandsgrößen simuliert wird, indem die
komplexen Verbrennungszustandsgrößen anhand
von einfachen Betriebsparametern ermittelt werden. Der auf diese
Weise bereitgestellte virtuelle Sensor ist preiswert und somit in
besonderer Weise für
serienmäßige Heizeinrichtungen
geeignet. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß die erforderliche
Sensorik Sensoren und Meßwertgeber
nutzen kann, die bei einer modernen Heizeinrichtung zumindest teilweise
ohnehin vorhanden sind.
-
Entsprechend einer vorteilhaften
Ausführungsform
kann die Vernetzung des neuronalen Netzwerks wenigstens eine zwischen
Eingangsebene und Ausgangsebene liegende neuronale Zwischenebene
aufweisen. Auf diese Weise können
die Wechselwirkungen der einzelnen Betriebsparameter strukturierter
dargestellt werden, indem aus der Vielzahl der Betriebsparameter
zunächst
eine kleinere Anzahl von Zwischengrößen ermittelt wird, aus denen
dann die jeweils gewünschten
Verbrennungszustandsgrößen generiert
werden. Durch die verbesserte Struktur kann die Genauigkeit beziehungsweise
die Zuverlässigkeit
der ermittelten Verbrennungszustandsgrößen erhöht werden.
-
Entsprechend einer besonderen Weiterbildung
kann das neuronale Netzwerk lernfähig ausgebildet sein, derart,
daß es Änderungen
in der Regelstrecke zwischen Brennstoffzuführung und/oder Luftzuführung einerseits
und den Betriebsparametern andererseits erkennt und adaptiert beziehungsweise kompensiert.
Durch diese Maßnahme
können
beispielsweise Alterungs- und Verschleißerscheinungen der einzelnen
Komponenten der Heizeinrichtung kompensiert werden.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile
der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
ergeben sich aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der
Zeichnungen.
-
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es
zeigen jeweils schematisch,
-
1 eine
stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer Heizeinrichtung nach
der Erfindung und
-
2 eine
vereinfachte Darstellung der Funktionsweise eines neuronalen Netzes.
-
Beschreibung
des Ausführungsbeispieles
-
Entsprechend 1 besitzt eine Heizeinrichtung 1 einen
Brenner 2 mit nachgeschalteter Brennkammer 3 sowie
einen Wärmeübertrager 4,
der an die Brennkammer 3 anschließt. Auf den Wärmeübertrager 4 folgt
dann eine Abgasleitung 22, die zu einem Kamin führen kann.
Der Wärmeübertrager 4 wird
einerseits von einem Heizkreis 7 durchströmt, dessen
Vorlauf 5 und dessen Rücklauf 6 durch
Pfeile symbolisiert sind. Der Wärmeübertrager 4 wird
andererseits von den in der Brennkammer 3 erzeugten Verbrennungsabgasen
durchströmt,
wobei diese ihre Wärmeenergie
weitgehend an den Heizkreis 7 abgeben. Der Heizkreis 7 kann
entsprechend einer bevorzugten Anwendungsform der Heizeinrichtung 1 an eine
Gebäudezentralheizung
angeschlossen sein oder einen Bestandteil derselben bilden. Zusätzlich oder
alternativ kann der Heizkreis 7 auch an eine Warmwasserbereitungsanlage
eines Gebäudes
angeschlossen sein oder einen Bestandteil derselben bilden. Im Heizkreis 7 zirkuliert
ein Wärmeübertragungsfluid,
in der Regel Wasser, wozu der Heizkreis 7 eine Pumpe 19 enthält.
-
Die Heizeinrichtung 1 weist
außerdem
eine Brennstoffzuführung 8 auf,
die flüssigen
oder gasförmigen
Brennstoff dem Brenner 2 zuführt. Die Brennstoffzuführung 8 weist
hier ein Brennstoffsteuerglied 9 auf, mit dessen Hilfe
beispielsweise die Strömungsmenge
und/oder der Druck des zugeführten
Brennstoffs einstellbar ist. Das Brennstoffsteuerglied 9 kann
beispielsweise ein Proportionalventil aufweisen oder als solches
ausgebildet sein.
-
Des weiteren ist eine Luftzuführung 10 vorgesehen,
mit der die für
die Verbrennung benötige Luft
dem Brenner 2 zugeführt
wird. Bei der hier gezeigten Ausführungsform besitzt die Luftzuführung 10 ein
Luftsteuerglied 11, mit dessen. Hilfe die Strömungsmenge
und/oder der Druck der zugeführten Luft
einstellbar ist. Dieses Luftsteuerglied 11 kann beispielsweise
ein Gebläse
sein oder ein solches beinhalten.
-
Die Heizeinrichtung 1 weist
außerdem
eine Steuerung 12 auf, die über Steuerleitungen 13 mit dem
Brennstoffsteuerglied 9 und mit dem Luftsteuerglied 11 verbunden
ist, so daß die
Steuerung 12 die Brennstoffzuführung 8 und die Luftzuführung 10 beispielsweise
zum Einstellen der Strömungsmengen, z.B.
Volumenstrom und/oder Massenstrom, des Mischungsverhältnisses
zwischen Brennstoff und Luft sowie des Drucks der zugeführten Luft
beziehungsweise des zugeführten
Brennstoffs betätigen
kann. Die Steuerung 12 steht außerdem über Signalleitungen 14 mit
mehreren Sensoren und/oder Meßwertgebern
und/oder Meßstellen
einer Sensorik 15 in Verbindung.
-
Diese Sensorik 15 kann im
einzelnen folgende Komponenten kumulativ oder alternativ umfassen:
Ein Drehzahlsensor 16 zur Ermittlung der Drehzahl eines
Gebläses
der Luftversorgung 10. Eine Meßstelle zur Ermittlung der
aktuellen (elektrischen) Leistungsaufnahme des Gebläses. Eine
Meßstelle 18 zur
Bestimmung der aktuellen (elektrischen) Leistungsaufnahme der Pumpe 19 des
Heizkreises 7. Mindestens einen Temperatursensor 20 zur
Bestimmung einer Brennertemperatur an einer repräsentativen Stelle, die vorzugsweise
so gewählt
ist, daß dort eine vergleichsweise
niedrige Temperatur vorliegt, um für den Temperatursensor 20 eine
preiswerte Ausführungsform
verwenden zu können.
Ebenso können
mehrere derartige Temperatursensoren 20 vorgesehen sein,
um an verschiedenen Stellen die Brennertemperatur zu ermitteln.
Ein weiterer Temperatursensor 21 kann zur Bestimmung der
Abgastemperatur stromab des Wärmeübertragers 4 an
die Abgasleitung 22 angeschlossen sein. Ein weiterer Temperatursensor 23 ermöglicht z.B.
die Bestimmung der Abgastemperatur am Eintritt des Wärmeübertragers 4.
Ein Schwingungssensor 24 ermöglicht die Überwachung von Druckpulsationen
am Brenner 2. Ein weiterer Schwingungssensor 25 kann
Druckpulsationen in der Brennkammer 3 sensieren. Die Druckpulsationen
entsprechen Schallwellen, die am Brenner 2 bzw. in der
Brennkammer 3 bei der Verbrennungsreaktion entstehen können. Die
Frequenz und/oder die Amplitude dieser Pulsationen ermöglicht eine
Bewertung der Verbrennungsreaktion. Mit Hilfe einer Ioni-Sonde 26 kann
am Brenner 2 ein Ioni-Signal erfaßt werden. Des weiteren kann
eine CO-Sonde 27 zur Bestimmung des CO-Gehalts im Abgas
vorgesehen sein. Die hier aufgezählten
Sensoren und Meßwertgeber
sind nur exemplarisch genannt; es ist klar, daß die Sensorik 15 auch
mehr oder weniger Komponenten und insbesondere auch andere Meßwertgeber, Meßstellen
bzw. Sensoren aufweisen kann. Von Bedeutung ist hierbei allerdings,
daß die
Sensorik 15 mit relativ preiswerten Komponenten arbeitet,
wobei zumindest einige dieser Komponenten bei einer modernen Heizeinrichtung 1 ohnehin
bereits serienmäßig vorhanden
sind.
-
Die Steuerung 12 arbeitet
mit einem neuronalen Netzwerk 28, dessen Ausbau und Funktion weiter
unten mit Bezug auf 2 näher erläutert wird.
-
Die Steuerung 12 ist so
aufgebaut, daß sie für vorbestimmte
Verbrennungszustandsgrößen permanent
oder periodisch einen Soll-Ist-Vergleich durchführt und in Abhängigkeit
dieses Vergleichs die Brennstoffzuführung 8 und/oder die
Luftzuführung 10 betätigt. Es
ist klar, daß die
Steuerung 12 zusätzlich auch
andere Komponenten der Heizeinrichtung 1 in Abhängigkeit
dieses Soll-Ist-Vergleichs betätigen kann,
z.B. eine gegebenenfalls vorhandene Sekundärluftzuführung.
-
Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung der
hochkomplexen Verbrennungszustandsgrößen, wie z.B. ein Brennstoff-Luft-Verhältnis bei
der Verbrennung, Emissionswerte der Verbrennungsabgase, der thermische
Belastungszustand des Wärmeübertragers 4,
die Heizleistung des Brenners 2 bzw. der Heizeinrichtung 1,
mit Hilfe relativ einfacher Betriebsparameter, die mit der einfach
aufgebauten Sensorik 15 ermittelt werden können. Zu
diesem Zweck besitzt das neuronale Netzwerk 28 zumindest eine
neuronale Eingangsebene 29, der die von der Sensorik 15 ermittelten
Betriebsparameter in Form korrelierter Signale zugeführt werden.
Diese Kopplung ist in 2 durch
gepunktete Linien dargestellt. Das Netzwerk 28 besitzt
außerdem
eine neuronale Ausgangsebene 30, die über eine Vernetzung 31 mit der
Eingangsebene 29 verknüpft
ist. Im vorliegenden Fall besitzt die Vernetzung 31 eine
neuronale Zwischenebene 32, die zwischen der Eingangsebene 29 und
der Ausgangsebene 30 angeordnet ist. Dementsprechend weist
die Vernetzung 31 hier zwei Matrizen oder Gewichtungsmatrizen 33 bzw. 34 auf.
-
Obwohl die hier gezeigte Vernetzung 31 eine neuronale
Zwischenebene 32 aufweist, ist klar, daß grundsätzlich auch eine Vernetzung 31 ohne
Zwischenebene 32 oder mit mehr als einer Zwischenebene 32 möglich ist.
-
Beim Training der Vernetzung 31 werden
die Matrizen 33 und 34 ausgebildet, wobei die
erste Matrix 33. Neuronen 35 der Eingangsebene
mit Neuronen 36 der Zwischenebene verbindet.
-
Bei dieser Fusion der Neuronen 35,36 der beiden
Ebenen 29,32 erfolgt eine Signalkorrelation sowie
eine Signalgewichtung, die in der ersten Matrix 33 gespeichert
wird. Entsprechendes erfolgt zwischen den Neuronen 36 der
Zwischenebene 32 und Neuronen 37 der Ausgangsebene 30.
Erfindungsgemäß ist die
Vernetzung 31 des verwendeten neuronalen Netzwerks 28 so
trainiert, daß den
Eingangsneuronen 35 zugeführte Spannungssignale, die
mit von der Sensorik 15 ermittelten Betriebsparametern der
Heizeinrichtung 1 korrelieren, Spannungssignale zugeordnet
werden, die mit bestimmten Verbrennungszustandsgrößen korrelieren
und an den Ausgangsneuronen 37 bereitgestellt werden. Aus Ist-Werten
der einfachen Betriebsparameter werden somit Ist-Werte für die komplexen
Verbrennungszustandsgrößen ermittelt.
Derartige Verbrennungszustandsgrößen sind
zweckmäßig ein
Brennstoff-Luft-Verhältnis,
die Zusammensetzung der Verbrennungsabgase, die Wärmebelastung
des Wärmeübertragers 4,
die Heizleistung des Brenners 2 bzw. die Heizleistung der
Heizeinrichtung 1.
-
Die Steuerung 12 vergleicht
nun diese Ist-Verbrennungszustandsgrößen mit
gespeicherten Soll-Verbrennungszustandsgrößen, die
vom gewählten
Betriebsmodus der Heizeinrichtung 1 abhängen können, und kann dann in Abhängigkeit
der Regelabweichung die Luftzuführung 10 und/oder
die Brennstoffzuführung 8 in
geeigneter Weise betätigen.
Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung 1 kommt
somit ohne eine aufwendige Meßanlage
aus, mit deren Hilfe die gewünschten
Ist-Verbrennungszustandsgrößen direkt
gemessen werden könnten.
Denn die Erfindung geht einen anderen Weg, indem sie die gewünschten
Ist-Verbrennungszustandsgrößen indirekt aus
einfach zu messenden Betriebsparametern mit Hilfe des neuronalen
Netzwerks 28 bestimmt. Da die hierzu benötigte Sensorik 15 relativ
preiswert ist, kann das vorgeschlagene Steuerungsverfahren besonders
einfach in eine serienmäßige Heizeinrichtung 1 integriert
bzw. inkrementiert werden.
-
Bei einer Weiterbildung kann das
neuronale Netzwerk 28 lernfähig ausgebildet sein. Da die
Betriebsparameter die Verbrennungszustandsgrößen beeinflussen und da durch
eine Betätigung
der Brennstoffzuführung 8 und
der Luftzuführung 10 die Verbrennungszustandsgrößen eingestellt
werden können,
beeinflussen die Luftzuführung 10 und
die Brennstoffzuführung 8 auch
die Betriebsparameter. Insoweit liegt eine Regelstrecke zwischen
der Brennstoffzufuhr 8 und/oder der Luftzuführung 10 einerseits
und den Betriebsparametern andererseits vor. Diese Regelstrecke
kann sich durch Alterungserscheinungen und Abnutzungsprozesse an
den einzelnen Komponenten der Heizeinrichtung 1 und/oder der
Sensorik 15 verändern.
Diese Änderungen
können
vom Netzwerk 28 erkannt und kompensiert werden, so daß sich das
Netzwerk 28 selbsttätig
adaptiert.
-
- 1
- Heizeinrichtung
- 2
- Brenner
- 3
- Brennkammer
- 4
- Wärmeübertrager
- 5
- Vorlauf
- 6
- Rücklauf
- 7
- Heizkreis
- 8
- Brennstoffzuführung
- 9
- Brennstoffsteuerglied
- 10
- Luftzuführung
- 11
- Luftsteuerglied
- 12
- Steuerung
- 13
- Steuerleitung
- 14
- Signalleitung
- 15
- Sensorik
- 16
- Sensor/Meßwertgeber
- 17
- Sensor/Meßwertgeber
- 18
- Sensor/Meßwertgeber
- 19
- Pumpe
- 20
- Sensor/Meßwertgeber
- 21
- Sensor/Meßwertgeber
- 22
- Abgaskanal
- 23
- Sensor/Meßwertgeber
- 24
- Sensor/Meßwertgeber
- 25
- Sensor/Meßwertgeber
- 26
- Sensor/Meßwertgeber
- 27
- Sensor/Meßwertgeber
- 28
- neuronales
Netzwerk
- 29
- Eingangsebene
- 30
- Ausgangsebene
- 31
- Vernetzung
- 32
- Zwischenebene
- 33
- erste
Matrix
- 34
- zweite
Matrix
- 35
- Eingangsneuronen
- 36
- Zwischenneuronen
- 37
- Ausgangsneuronen