DE19543761C2 - Erfassungseinrichtung für den Ladezustand eines Warmwasserspeichers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Erfassungseinrichtung für den prozentualen Ladezustand eines Warmwasserspeichers mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Eine derartige Erfassungseinrichtung ist in der DE 44 01 539 A1 beschrieben. Der Integral-Temperaturfühler liefert die Informationen für den prozentualen Wärmeinhalt des Warmwasserspeichers. Ist das Wasser im Warmwasserspeicher vollständig auf die maximal einstellbare Solltemperatur aufgeladen, dann erfolgt die Anzeige "100%". Der Auslaß-Temperaturfühler sorgt in der Aufheizphase dafür, daß eine Anzeige erst dann erfolgt, wenn nahe dem Warmwasserauslaß eine Wassertemperatur vorliegt, die für übliche Nutzungszwecke geeignet ist. Diese "nutzbare Warmwassertemperatur" ist beispielsweise auf 40°C eingestellt. Eine derartige Erfassungseinrichtung ermöglicht eine Energieersparnis, weil der Benutzer den Ladezustand des Warmwasserspeichers erkennt und deshalb nicht überflüssigerweise einen Nachladevorgang einschalten wird.

Bei einer Erfassungseinrichtung der eingangs genannten Art soll gewährleistet sein, daß die 100%-Anzeige, bzw. der Maximalwert der Steuerspannung der Anzeigeeinrichtung, immer dann auftritt, wenn der Warmwasserspeicher auf maximale Solltemperatur vollgeladen ist. Dies ist zwar theoretisch unproblematisch, in der Serienfertigung wegen Bauteiltoleranzen aber nur schwer zu erreichen. Es kann in der Praxis aufgrund von ursprünglichen Bauteiltoleranzen dazu kommen, daß die 100%-Anzeige nicht erscheint, obwohl der Warmwasserspeicher vollgeladen ist. Beim Benutzer entsteht dann der Eindruck, daß das Warmwasserspeichergerät nicht richtig arbeitet, weil die 100%-Anzeige nicht erscheint.

Andererseits kann es aus den genannten Gründen auch dazu kommen, daß die 100%-Anzeige schon erscheint, wenn der Warmwasserspeicher noch nicht ganz vollgeladen ist. Dies ist zwar auch nicht richtig, jedoch für den Benutzer weniger störend. Im übrigen verschieben sich aus den genannten Gründen auch die niedrigeren Anzeigenwerte.

Um die genannte Forderung wenigstens annähernd zu erfüllen, können engtolerierte Bauteile verwendet werden und/oder die Erfassungseinrichtung kann bei jedem Gerät bei der Fertigung abgeglichen werden. Beides ist kostenintensiv und fertigungstechnisch aufwendig. In der Praxis wird man daher versuchen, die Grenzwerte für die Steuerspannung so zu wählen, daß unter Berücksichtigung aller Bauteiltoleranzen die Grenzen der Anzeige bei 0 und 100% erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Erfassungseinrichtung der eingangs genannten Art eine selbstlernende Adaption der Steuerspannung vorzuschlagen.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch ist erreicht, daß nach der Installation des Warmwasserspeichers am Aufstellungsort und bei seinem erstmaligen Aufheizen auf maximale Solltemperatur (maximale Reglerstellung) der sich ergebende maximale Steuerspannungswert, der die 100%-Anzeige auslöst, gespeichert wird, so daß bei künftigem Auftreten dieses maximalen Spannungswertes immer die 100%-Anzeige erscheint. Bei verschiedenen Geräteexemplaren kann der maximale Steuerspannungswert in seinem Absolutbetrag aufgrund von Bauteiltoleranzen unterschiedlich sein. In jedem Fall tritt jedoch bei Volladung des Warmwasserspeichers mit maximaler Solltemperatur die 100%-Anzeige auf. Dadurch erübrigt es sich, in der Fertigung engtolerierte Bauteile zu verwenden oder jedes Gerät für sich in der Fertigung abzugleichen. Es ist also ohne diese Maßnahmen erreicht, daß die 100%-Anzeige nicht ausbleibt, obwohl der Speicherbehälter auf maximale Solltemperatur vollgeladen ist, und die 100%-Anzeige nicht schon dann auftritt, wenn der Warmwasserspeicher noch nicht ganz auf maximal einstellbare Solltemperatur vollgeladen ist.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein erneutes Speichern des die 100%-Anzeige auslösenden maximalen Steuerspannungswertes bei jeder maximalen Aufladung des Warmwasserspeichers mit maximaler Solltemperatur.

Um schon gleich für die erste Inbetriebnahme einen Steuerspannungswert für die 100%-Anzeige zur Verfügung zu stellen, wird in Ausgestaltung der Erfindung fertigungsseitig auf dem ersten Speicherplatz vor der erstmaligen - selbstlernenden - Abstimmung des der 100%-Anzeige entsprechenden maximalen Steuerspannungswertes ein angenäherter maximaler Steuerspannungwert eingegeben. Dieser wird dann bei der erstmaligen Volladung auf maximale Solltemperatur mit dem aktuellen maximalen Steuerspannungswert überschrieben.

Die Erfassungseinrichtung ist so ausgelegt, daß bei einer typischen Kaltwassertemperatur des Wassernetzes zwischen 10°C und 15°C der Minimalwert der Steuerspannung der Anzeigeeinrichtung vorliegt. Ist die Kaltwassertemperatur höher als der für die Anzeige zugrundegelegte Wert, so zeigt die Anzeige kurz vor dem Abschalten noch einen Ladezustand, der für den Benutzer nicht verfügbar ist. Ist andererseits die Kaltwassertemperatur niedriger als der Bezugswert, so zeigt die Anzeige bereits vor dem Abschalten durch den Auslauffühler den Ladezustand 0%, und der Benutzer könnte eine unnötige Nachladung durchführen. In Ausgestaltung der Erfindung legt der Mikrocontroller zur Abstimmung des niedrigsten Anzeigewertes den bei Unterschreiten der nutzbaren Warmwassertemperatur am Auslauf-Temperaturfühler auftretenden minimalen Steuerspannungswert in einem zweiten Speicherplatz ab. Dabei ist ausgenutzt, daß beim Abschaltsignal des Auslauf-Temperaturfühlers der Integral-Temperaturfühler ein Signal liefert, das ein Maß für die Kaltwassertemperatur ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Warmwasserspeicherheizgerät mit Ladezustand- Erfassungseinrichtung schematisch,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Erfassungseinrichtung,

Fig. 3 ein Diagramm der Steuerschaltung und der prozentualen Anzeige der Anzeigeeinrichtung und

Fig. 4 typische Verläufe der Ausgangsspannung des Auslauf- Temperaturfühlers (Fig. 4a) und der Ausgangsspannung des Integral- Temperaturfühlers (Fig. 4b) und des Anzeigewertes (Fig. 4c) bei einem Lade- und Entladezyklus bei Reglerstellung auf maximale Solltemperatur.

In einem Warmwasserspeicher (1) eines Heizgeräts ist unten ein elektrischer Heizkörper (2) angeordnet. Unten mündet in den Warmwasserspeicher (1) eine Kaltwasser-Zulaufleitung (3). Oben mündet eine Warmwasser-Auslaßleitung (4). Die Kaltwasserleitung (3) und die Warmwasserleitung (4) führen zu einem Zapfventil (5) einer Zapfstelle (6).

Der Heizkörper (2) ist von einem Temperaturregler (7) regelbar. An einem Sollwertgeber (8) ist die Warmwasser-Solltemperatur einstellbar. Neben dem Heizkörper (2) ist ein Temperaturfühler (9) angeordnet, der mit dem Regler (7) verbunden ist. Bei Erreichen der eingestellten Solltemperatur schaltet der Regler (7) den Heizkörper (2) ab.

Ein Integral-Temperaturfühler (10) erstreckt sich über die Höhe (L) des Warmwasserspeichers (1). Oben am Warmwasserspeicher (1) ist nahe bei der Mündung der Warmwasser-Auslaßleitung (4) ein Auslauf- Temperaturfühler (11) angeordnet. Die Temperaturfühler (10, 11) sind in Fig. 1 außen am Warmwasserspeicher (1) angeordnet. Sie könnten auch innen in diesem vorgesehen sein.

Die Temperaturfühler (10, 11) sind an eine Erfassungseinrichtung (12) angeschlossen (Fig. 2). Diese arbeitet mit einem Mikrocontroller (13), an dem über eine Signalverarbeitungsschaltung (14) (A/D-Wandler) die Ausgangsspannung (Ui) des Integral-Temperaturfühlers (10) und über eine Signalverarbeitungsschaltung (15) (A/D-Wandler) die Ausgangsspannung (Ud) des Auslauf-Temperaturfühlers (11) liegen.

Dem Mikrocontroller (13) sind zwei nichtflüchtige, programmierbare Speicherplätze (16, 17) zugeordnet, die beispielsweise von einem EEPROM gebildet sind. Ausgangsseitig erzeugt der Mikrocontroller (13) eine Steuerspannung für eine Anzeigeeinrichtung (18). Diese zeigt den jeweiligen Ladezustand des Warmwasserspeichers (1) in Prozent an.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Anzeigewerte von 0% bis 100% in Abhängigkeit von der Steuerspannung (Ui). Bei einem Maximalwert (Umax) der Steuerspannung (Ui) erfolgt die Anzeige "100%". Bei einem Minimalwert (Umin) der Steuerspannung (Ui) liegt im Prinzip die 0%-Anzeige vor.

Im Speicherplatz (16) ist der gerätespezifische Spannungswert (Umax) abgelegt. Entsprechend ist im Speicherplatz (17) der Spannungswert (Umin) abgelegt.

In Fig. 4 sind die Spannungsverläufe von Ud und Ui sowie die prozentuale Anzeige bei einem typischen Lade- und Entladezyklus bei maximaler Reglerstellung (maximale Solltemperatur) gezeigt. Es ist davon ausgegangen, daß zum Zeitpunkt (t1) der Heizkörper (2) eingeschaltet wird. Die Anzeigeeinrichtung (18) ist zunächst noch abgeschaltet bzw. zeigt "0%" an. Dies ist sinnvoll, weil zunächst noch kein nutzbarer Wärmeinhalt im Warmwasserspeicher (1) vorliegt. Zum Zeitpunkt (t2) ist am Auslaß-Temperaturfühler (11) eine nutzbare Mischwassertemperatur, beispielsweise 40°C, erreicht. Die Signalverarbeitungsschaltung (15) ist so ausgelegt, daß jetzt die Spannung (Ud) von "Aus" auf "Ein" umspringt (Fig. 4a). Durch den vorhergehenden Aus-Zustand wurde die Anzeigeeinrichtung (18) ausgeschaltet gehalten bzw. auf 0% gesetzt. Entsprechend der bis zum Zeitpunkt (t2) erfolgten Ladung ist auch die Ausgangsspannung (Ui) des Integral-Temperaturfühlers (10) auf Ui1 angestiegen (Fig. 4b). Die Anzeigeeinrichtung (18) zeigt nun einen der prozentualen Ladung entsprechenden Wert an. Im Zuge des weiteren Ladens des Warmwasserspeichers (1) erhöht sich der prozentuale Anzeigewert.

Zum Zeitpunkt (t3) ist die eingestellte maximale Solltemperatur erreicht. Der Regler (7) schaltet nun den Heizkörper (2) ab. Die Spannung (Ui) hat ihren Maximalwert (Umax) erreicht. Dieser Maximalwert (Umax) wird nun im Speicherplatz (16) abgelegt. Ein zuvor gespeicherter Maximalwert (Umax) wird überschrieben. Der Absolutwert der Spannung (Umax) hängt von Toleranzen der Toleranzkette: Regler, Integral-Temperaturfühler, Signalverarbeitungsschaltung ab. Durch die Speicherung des jeweiligen Maximalwerts (Umax) sind die Toleranzen der Toleranzkette kompensiert, so daß die 100%-Anzeige richtig erfolgt. Solange im Speicherplatz (16) noch nicht der gerätespezifisch angepaßte Wert (Umax), sondern ein annähernd voreingestellter Wert abgelegt ist, erfolgt die 100%-Anzeige bereits zu einem Zeitpunkt (t3') (vgl. in Fig. 4c strichlierte Linie), der kurz vor dem Zeitpunkt (t3) liegt. Der Benutzer erhält also vorläufig - bevor der erste Ladezyklus mit maximaler Reglerstellung durchlaufen ist, die 100%-Anzeige etwas verfrüht.

Da der gespeicherte Wert (Umax) bei jeder Aufladung mit eingestellter maximaler Solltemperatur aktualisiert wird, wird auch ein etwaiger Datenverlust des Speicherplatzes korrigiert. Um bei Störungen, beispielsweise hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ein "falsches Lernen" von Umax zu vermeiden, kann vorgesehen sein, daß das "Lernen" des Wertes (Umax) durch zusätzliche Rechenoperationen, beispielsweise Mittelwertbildung, gesichert wird.

Ist der Regler (7) nicht auf maximale Solltemperatur, sondern auf eine andere Solltemperatur eingestellt, dann erfolgt kein Überschreiben des gespeicherten Wertes (Umax).

In Fig. 4 ist angenommen, daß zum Zeitpunkt (t4) ein Entladen des Warmwasserspeichers (1) durch Warmwasserzapfen erfolgt.

Dementsprechend nehmen die Spannung (Ui) (vgl. Fig. 4b) und die Anzeige (vgl. Fig. 4c) ab. Zum Zeitpunkt (t5) ist die nutzbare Warmwassertemperatur, beispielsweise 40°C, am Auslauf- Temperaturfühler (11) unterschritten. Die Spannung (Ud) schaltet nun von "Ein" auf "Aus". Diese Abschaltinformation ist ein Maß für die jeweilige Kaltwassertemperatur der Zulaufleitung (3). Zum Zeitpunkt (t5) besteht eine Spannung (Ui2). Wenn diese um einen Betrag nach oben oder unten von dem im Speicherplatz (17) abgelegten Wert (Umin) abweicht, wird der Wert (Umin) des Speicherplatzes (17) entsprechend überschrieben. Dieser Ladevorgang ist gezielt träge gestaltet, d. h. es sind kleine Beträge für die Änderungen angesetzt, da sich einerseits die Kaltwassertemperatur nicht ständig ändert und andererseits das Zapfverhalten des Benutzers unbekannt ist. Wenn beispielsweise der Benutzer den Warmwasserspeicher (1) so weit entleert hat, daß der Auslauf-Temperaturfühler (11) noch eine nutzbare Temperatur erkennt, aber schon der größte Teil des Warmwassers gezapft ist, und dann eine lange Zapfpause auftritt, dann erwärmt sich das Kaltwasser im Warmwasserspeicher (1) allmählich auf Raumtemperatur, so daß bei einer nachfolgenden Zapfung der Integral-Temperaturfühler (10) die wirkliche Kaltwassertemperatur nicht erkennen kann. Es ist deshalb vorgesehen, daß dieser Lernvorgang erst nach einer größeren Anzahl von Zapfungen erfolgt, um den Einfluß der Kaltwassertemperatur vollständig zu kompensieren. Danach ist dann die Anzeige auch einer sich ändernden Kaltwassertemperatur optimal angepaßt.

Zum Zeitpunkt (t5) schaltet die Anzeige ab bzw. auf 0%.

Durch die selbstlernende Speicherung der je nach den Betriebsverhältnissen richtigen Werte von Umax und Umin bzw. deren Verschiebung in Richtung der Pfeile (d1, d2, d3,) (vgl. Fig. 3) ist gewährleistet, daß die Kennlinie der Fig. 3 eine den jeweiligen Betriebsbedingungen angepaßte Steigung hat, so daß die prozentuale Anzeige recht genau den jeweiligen Ladezustand darstellt.

Claims (8)

1. Erfassungseinrichtung für den prozentualen Ladezustand eines Warmwasserspeichers mit einem sich über die Höhe des Warmwasserspeichers erstreckenden Integral-Temperaturfühler und einem nahe dem Warmwasserauslauf oben im/am Warmwasserspeicher angeordneten Auslauf-Temperaturfühler, wobei die Temperaturfühler an einem Mikrocontroller für eine Anzeigeeinrichtung liegen und der Mikrocontroller die Anzeigeeinrichtung mit einer der jeweiligen prozentualen Ladung entsprechenden Steuerspannung ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller (13) zur Abstimmung des 100%-Anzeigewertes den bei Erreichen der maximalen Aufladung des Warmwasserspeichers (1) mit maximaler Solltemperatur auftretenden maximalen Steuerspannungswert (Umax) in einem ersten Speicherplatz (16) ablegt, wobei im anschließenden Betrieb beim Auftreten dieses Steuerspannungswertes (Umax) die 100%-Anzeige erfolgt.

2. Erfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller (13) den bei Unterschreiten der nutzbaren Warmwassertemperatur am Auslauf-Temperaturfühler (11) auftretenden minimalen Steuerspannungswert (Umin) in einem zweiten Speicherplatz (17) ablegt.

3. Erfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den ersten Speicherplatz (16) vor der erstmaligen Abstimmung des maximalen Steuerspannungswertes (Umax) ein angenäherter maximaler Steuerspannungswert abgelegt ist.

4. Erfassungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der angenäherte maximale Steuerspannungswert kleiner gewählt ist als der erwartete maximale Steuerspannungswert (Umax), so daß die 100%-Anzeige vor der Abstimmung schon vor der Volladung auftritt.

5. Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf den zweiten Speicherplatz (17) vor der erstmaligen Abstimmung des niedrigsten Anzeigewertes ein angenäherter minimaler Steuerspannungswert (Umin) abgelegt ist.

6. Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erneutes Speichern des der 100%-Anzeige entsprechenden maximalen Steuerspannungswertes (Umax) bei jeder Volladung des Warmwasserspeichers (1) mit maximaler Solltemperatur erfolgt.

7. Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß maximale Steuerspannungswerte mehrerer Volladungen mit maximaler Solltemperatur erfaßt werden und der sich daraus ergebende Wert als maximaler Steuerspannungswert (Umax) auf den ersten Speicherplatz (16) abgelegt wird.

8. Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherplatz (16) bzw. die Speicherplätze (16, 17) von einem nichtflüchtigen, programmierbaren Speicher (EEPROM) gebildet sind.