DE4028501C2

DE4028501C2 - Verfahren zur Steuerung der Aufheizung von Räumen

Info

Publication number: DE4028501C2
Application number: DE4028501A
Authority: DE
Inventors: Juergen Taag; Rolf Thomas
Original assignee: Joh Vaillant GmbH and Co
Current assignee: VAILLANT GMBH, 42859 REMSCHEID, DE
Priority date: 1989-09-14
Filing date: 1990-09-07
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2010-09-08
Also published as: CH682345A5; DE4028501A1; ATA186490A; AT399218B

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 die Aufheizung auf eine höhere Soll-Raum temperatur zum spätestmöglichen Zeitpunkt beginnen soll.

Aus den DE-OS 29 39 719 und 34 42 441 sowie "Klima-Kälte-Hei zung", Nr. 11/′81, Seite 491-494, sind Verfahren bekannt, bei denen ein Temperaturfühler in einem der zu beheizenden Räume in Verbindung mit einem witterungsgeführten VT-Regler mit einem Algo rithmus zur selbstoptimierenden Aufheizzeitberechnung eingesetzt wird. Mit Hilfe des Raumtemperaturfühlers kann überprüft werden, ob und welche Abweichungen der Raum-Ist-Temperatur zum programmierten Zeitpunkt von der Raum-Soll-Temperatur existieren.

Nachteilig dabei ist, daß diese Verfahren in Gebäuden, in denen kein repräsentativer Testraum für die Raumtemperatur-Überprüfung existiert, nicht eingesetzt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben genannten Art anzugeben, das eine exakte Ermittlung der Aufheiz dauer gestattet, ohne daß dazu eine Ist-Raumtemperaturmessung erforderlich ist. Erfindungsgemäß sind zur Lösung der Aufgabe die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs vorgese hen.

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

Gleichung (1)

Für K₁ gilt dabei:

Gleichung (2)

und näherungsweise

Dabei sind Z_G die Absenkzeit, die auch die Aufheizzeit Z_A umfaßt, die sich aus dem vom Benutzer vorzugebenden Programm (Anfang und Ende der Beheizung mit verringertem Temperaturniveau) ergibt,
K₁ eine der Gebäudekonstanten K_Geb proportionale Größe,
t_A die aktuelle Außentemperatur,
t_Amin eine maximale Außentemperatur, die für die Auslegung der Hei zungsanlage relevant ist,
t_iN die gewünschte Soll-Raumtemperatur,
Δt_A die Differenz zwischen der Soll-Raumtemperatur t_iN und der mini malen Außentemperatur t_Amin und
A, B, C und n Konstanten.

Mit dem Vorgabewert für Z_A aus dem Zusammenhang (1) beginnt die gesteuerte Aufheizung vor dem programmierten Zeitpunkt des Errei chens der erhöhten Soll-Raumtemperatur.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, die auf eine Erhöhung des Exaktheitsgrades des Verfahrens gerichtet sind.

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 opti malen 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 Zusammen hang zwischen der in der Abszisse ersichtlichen jeweiligen Ist-Höhe der Außentemperatur, der minimalen Außentemperatur t_Amin, drei ver schiedenen Gebäudekonstanten K₁, K₂, K₃ und dem in der Ordinate auf getragenen Verhältnis von Aufheizzeit Z_A zur Dauer des Absenkbetriebes Z_G. Dabei ist die Aufheizzeit Z_A der Zeitraum, innerhalb dessen die Ist-Raumtemperatur vom Beginn der Raumheizung auf den Soll-Wert der Raumtemperatur ansteigt. Diese Dauer ist in Prozenten der Gesamtabsenkzeit angegeben. Bei der minimalen Außen temperatur t_Amin wird das Maximum der erforderlichen Leistung zur Raumbeheizung beim Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN erreicht. t_Amin wurde beispielsweise mit -15°C angenommen, die Soll-Raumtempera tur t_iN beträgt beispielsweise +20°C. Δt_A beträgt demnach 35 K. Die der Gebäudekonstanten K_Geb proportionale Größe K₁ ist unter schiedlich und berücksichtigt die individuelle Trägheit des Gebäu des in bezug auf Wärmeaufnahme- und -speicherfähigkeit. K₁1 ist größer als K₁2 und K₁2 größer als K₁3 angenommen.

Aus dieser Fig. 1 ist demnach die Auswirkung dreier unterschiedli cher Gebäudekonstanten K₁ auf die jeweils erforderliche Aufheizzeit Z_A ersichtlich.

Ein Leistungsüberschußfaktor f_H bei einer Temperatur von t_Amin beträgt in diesem Fall 1,0, das heißt, es existiert kein Überschuß, die erforderliche Heizleistung wird gerade noch von der Wärmeerzeu gerleistung gedeckt. Der Verlauf der in Fig. 1 dargestellten Kurven ergibt sich durch Iteration aus den bekannten Beziehungen

und

Darin bedeutet τ die sogenannte Aufheizzeitkonstante, f_H das Ver hältnis der Leistung des Wärmeerzeugers zur Heizleistung, die bei t_Amin erforderlich ist, um eine Raumtemperatur von t_iN zu ermögli chen, t_iO die Raumtemperatur 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 Außentemperatur t_A, und zwar entsprechend Außentemperaturen von t_Amin von -10°C, -15°C und -20°C in den Kurven 1, 2 beziehungsweise 3.

Bei jeder solchen minimalen Außentemperatur t_Amin wird davon ausge gangen, daß vom Heizgerät die maximale Leistung abgegeben wird, das heißt f_H = 1.

Die Berechnung der Kurvenverläufe in einem in Heizungsreglern ver wendeten 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:

wobei Z_A die gewünschte Zeitspanne in Stunden, K₁ eine der Gebäude zeitkonstante proportionale dimensionslose Größe, Z_G die Zeitspanne des Abweichens vom erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN in Stunden,
t_A die Ist-Außentemperatur in °C, t_Amin die minimale Auslegungstem peratur der Heizungsanlage in °C, Δt_A die Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN und der minimalen Außentemperatur t_Amin in °C bedeuten.

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

Zur Anpassung des Faktors K₁ an die physikalische Gebäudezeitkon stante K_Geb kann folgender Zusammenhang verwendet werden:

darin bedeuten A, B, C und n mathematische Konstanten zur fehlermi nimalen 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 Leistungsüberschußfak tor f_H < 1 ist. Das führt dazu, daß die Aufheizzeit zu lang berech net wird, obwohl die Zeitkonstante passend eingestellt ist. Da kein Raumfühler zur Korrektur herangezogen werden kann, muß eine dem tatsächlichen Wärmebedarf annähernd proportionale Größe dazu ver wendet werden. Sie kann von Hand eingegeben werden. Vorteilhaft ist aber eine selbsttätige Anpassung an die Gegebenheiten des Heizsy stems.

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. Das bedeutet, daß die tatsächliche minimale Außentemperatur t_Amin, bei der die Soll-Raumtemperatur t_iN noch aufrechterhalten werden kann, niedriger liegt. Der Punkt der Kurve 2, in dem bei t_Amin die Aufheizzeit 100% beträgt, könnte dem nach nach links bis zur Kurve 3 verschoben werden, wodurch sich die Differenz Δt_A vergrößert zu Δt_A.

Dies geschieht, indem aus dem Verhältnis der errechneten Aufheiz zeit zur gemessenen Einschaltdauer ein Korrekturfaktor ermittelt wird. Mit diesem Korrekturfaktor wird eine neue Differenz Δt_A′ errechnet und bei konstanter Soll-Raumtemperatur eine neue, niedri gere Außentemperatur t_Amin ermittelt (Kurve 3 der Fig. 2).

Im Diagramm nach Fig. 3 ist in der Abszisse der Tagesablauf in Stun den und in der Ordinate die Temperaturen verzeichnet. Der Verlauf der Ist-Raumtemperatur ist mit einer vollen Linie, der Verlauf der Soll-Raumtemperatur t_iN mit einer lang gestrichelten Linie darge stellt.

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 Wärmeerzeugers dargestellt.

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm, wie die Berücksichtigung des tat sächlichen 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 Diagramms ist in der Abszisse der Zeitablauf der Heizkreistemperatur t_v verzeichnet. Die Linie 5 bezeichnet die Tem peratur, bei der das Heizgerät im aufgeheizten Zustand durch den Regler 25 einschaltet und die Linie 6 jene Temperatur t_vmax, bei der es ausschaltet. 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 Zeitraum Z_ein zwischen der Ein- und der ersten Ausschaltung des Heizgerätes läßt sich die erbrachte Wärme menge feststellen und daraus der Korrekturfaktor ermitteln, indem die errechnete Aufheizzeit Z_A zur tatsächlichen Einschaltzeit Z_ein 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 Errei chen 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 Δt_A folgender Zusammenhang hergestellt werden:

Darin bedeuten
Δt_AM die tatsächliche Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN und der tatsächlichen minimalen Außentemperatur t_Amin,
Δt_AE die eingestellte Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN und der tatsächlichen minimalen Außentemperatur t_Amin,
Z_AM die gemessene Aufheizzeit - in Fig. 4 die Zeiten z_ein2 bezie hungsweise z_ein3 und
Z_AE die aus den Einstelldaten errechnete Aufheizzeit.

Das Verhältnis Z_AE/Z_AM kann hierbei zur Korrektur des eingestellten Wertes Δt_AE 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 zugehö rige Einschaltzeitdauer ermittelt.

worin
Z_AM die tatsächliche Einschaltzeit des Wärmeerzeugers,
Z_A die eingestellte Aufheizzeit,
Δt_vmax die Differenz zwischen der maximalen Temperatur des Heizkrei ses und der Heizkreistemperatur zu Beginn der Aufheizung und
Δt_vi die Differenz zwischen der gemessenen Ist-Heizkreistemperatur zu Beginn der Zeitphase mit dem erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert und der 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 Z_AM wird wieder über die Bezie hung

die Korrektur von Δt_AE durchgeführt. Dabei entspricht Z_AM in diesem Fall z_ein1 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 angeord neten, von einer Steuerung 13 über einen Stellmotor oder Hubmagne ten 14 verstellbaren Ventil und einem mit einer Umlaufpumpe 16 ausgestatteten, zumindest einen Heizkörper 17 enthaltenden, an den Wärmetauscher 18 des Heizkessels 10 angeschlossenen, eine Vorlauf leitung 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 Vor richtung 26 zur willkürlichen Einstellung der gewünschten Soll-Raum temperatur t_iN, ein Außentemperaturfühler 27 und ein Programmge ber 28 über Steuerleitungen 29 beziehungsweise 30, 31 angeschlossen sind.

Eingangsgrößen dieser allgemeinen Steuerung 25 sind weiterhin eine gerätespezifische minimale Außentemperatur t_Amin und eine der Gebäu dekonstanten K_Geb proportionale Größe K₁. Über eine Steuerleitung 36 ist ein Signal zur Erkennung des Zustandes des Ventils 12 an die allgemeine Steuerleitung 25 angeschlossen.

In einer solchen Heizungsanlage kann somit die Dauer der Aufheiz zeit Z_A und folglich auch der Zeitpunkt für eine selbsttätige Ein schaltung des Heizkessels 10 von der Steuerung 25 im Sinne der Erfindung problemlos errechnet werden.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Aufheizung von Räumen eines Gebäudes, die während einer Belegungszeit auf einem höheren Raumtemperatur-Soll-Wert (t_iN) als während einer Absenkzeit (Z_G) eingestellt werden, wobei nach Ablauf der Absenkzeit (Z_G) das erhöhte Raumtemperaturniveau 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 Belegungsbeginn den erhöhten Raumtemperatur-Soll-Wert (t_iN) mit der Raumtemperatur wie der zu erreichen, berechnet werden kann, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zeitspanne Z_A für die Dauer der Aufheizung auf das erhöhte Raumtemperaturniveau nach folgender Bezie hung ermittelt wird: mit
Z_G als Zeitspanne des Abweichens vom erhöhten Raumtempera tur-Soll-Wert t_iN in Stunden,
t_A als Ist-Außentemperatur in °C,
t_Amin als minimaler Außentemperatur in °C, bei der die vom Heizsystem geforderte Wärmeleistung, die zum Erreichen des Raumtemperatur-Soll-Wertes t_iN notwendig ist, gerade von der Leistung des Wärmeerzeugers gedeckt wird,
Δt_A als Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert, t_iN und der minimalen Außentemperatur t_Amin in °C und
K₁ als zur Zeitkonstanten K_Geb des Gebäudes in Beziehung stehende dimensionslose konstante Größe,
wobei die Konstante K₁ nach folgender Beziehung ermittelt wird: mit K_Geb als Gebäudekonstante und A, B, C und n als weitere Konstanten, wobei angenähert gilt:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne Z_AM vom Beginn der Einschaltung des Wärmeerzeu gers mit dem Beginn der Aufheizzeit Z_A bis zum hierauf fol genden 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 t_iN der Wärmeerzeuger bereits über die Maximaltempera tur abgeschaltet worden ist, mit der für diesen Aufheizvor gang zugrunde gelegten Aufheizzeit Z_AE ins Verhältnis gesetzt wird, und daß die eingestellte Differenz Δt_AE zwi schen dem Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN und der durch die Ein stellung zugrunde gelegten minimalen Außentemperatur t_Amin in einem nach niedrigen Außentemperaturen 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: mit Δt_AM als tatsächlicher Differenz zwischen dem Raumtempe ratur-Soll-Wert t_iN und der tatsächlichen minimalen Außen temperatur t_Amin und Δt_AE als eingestellter Differenz zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN und der einge stellten minimalen Außentemperatur t_Amin.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne vom Beginn der Einschaltung des Wärmeerzeugers mit dem Beginn der Aufheizzeit Z_A bis zum hierauf folgenden erstmaligen Erreichen der Maximaltemperatur des Heizkrei ses, die durch die Auslegungsdaten des Heizsystems festge legt ist, gemessen wird und für den Fall, daß zum Beginn der Zeitphase mit dem höheren Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN der Wärmeerzeuger noch nicht über die Maximaltemperatur abge schaltet worden ist, die tatsächliche Aufheizzeit Z_AM aus folgendem Zusammenhang errechnet wird: worin Z_A die aus der eingestellten Differenz Δt_AE errechnete Aufheizzeit, Δt_vmax die Differenz zwischen der maximalen Temperatur des Heizkreises und der Heizkreistemperatur zu Beginn der Aufheizung und Δt_vi die Differenz zwischen der gemessenen Ist-Heizkreistemperatur zu Beginn der Aufheizung bedeuten, daß diese errechnete Zeit Z_AM mit der für diesen Aufheizvorgang zugrunde gelegten Aufheizzeit Z_AE ins Ver hältnis gesetzt wird, und daß die aktuelle Differenz Δt_AE zwischen dem Raumtemperatur-Soll-Wert t_iN und der minimalen Außentemperatur t_Amin in einem nach niedrigen Außentempera turen hin begrenzten Bereich, innerhalb dessen der Zusam menhang zwischen der Aufheizzeit Z_A und der Außentemperatur t_A annähernd linear ist, nach folgendem Zusammenhang korri giert wird: