CH456893A - Verfahren zur sebsttätigen Regelung einer Warmwasserheizungsanlage und Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 Verfahren    zur      sebsttätigen   Regelung einer    Warmwasserheizungsanlage   und Einrichtung    zum   Durchführen des Verfahrens    Verfahren   zur selbsttätigen Regelung einer Warmwasserheizungsanlage und Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens. 



  Die Erfindung    betrifft   ein Verfahren zur selbsttätigen Regelung einer    Warmwasserheizungsanlage,   bei der ein Heizungskreis mit einem    Leistungskreis   durch ein Vierwegemischventil verbunden ist und durch ein temperaturempfindliches    Stellorgan      das      Vierwegemischventil   bei einer Regelabweichung integral gesteuert wird, sowie eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens. 



  Nach einem bekannten Regelverfahren für eine Heizungsanlage liegt ein Mischventil mit einer Drossel in Reihe. Hierbei wird das Mischventil als integrales    Stellglied   von der Aussentemperatur gesteuert und wirkt als Vor- oder Grobeinstellung, während die Drosselkappe als Momentstellglied durch einen Raumthermostaten    geführt   die Feinregelung    übernimmt.      Mischventil   und Drossel liegen zwar in Reihe, jedoch besteht keine Verkettung, da die beiden Steuerorgane unabhängig voneinander    beeinflusst   werden. Nachteilig ist, dass schnell auftretende oder grössere von der Aussentemperatur unabhängige Störungen der Regelstrecke, z.

   B. die Umschaltung von Nacht- auf    Tagbetrieb,   Zuschalten von    Heizkörpergruppen   usw. nicht    ausgeregelt   werden können, da die Mischerstellung vorgegeben ist. Das Zeitverhalten der Regelstrecke wird bei diesem    Regelverfahren   ebenfalls nicht berücksichtigt. Wenn die    Leistungsabfor-      derung   die    abgebbare   Leistung übertrifft, bricht die Kesseltemperatur zusammen. Der Aufwand an Steuergeräten (Aussenthermostat, Innenthermostat, usw.) steht in keinem Verhältnis zum erzielbaren Ergebnis. Ausserdem ist das Anpassen der Regelorgane an die Regelstrecke zeitraubend und kann überhaupt erst an der fertig    montierten   Heizungsanlage    vorgenommen   werden. 



  Die Nachteile bekannter Regelverfahren werden durch das erfindungsgemässe Verfahren dadurch vermieden, dass als    Stellantrieb   des Drehschiebers im    Vierwe-      gemischventil   eine    Bimetallspirale   die Rücklauftempera-    tur   der Regelstrecke    erfasst   und unmittelbar den Drehschieber stetig verstellt und bei Laständerung sich die    Stellgeschwindigkeit   entsprechend der    übergangsfunk-      tion   der Regelstrecke verändert, wobei die jeweilige vom Heizungskreis geforderte Leistung durch einen Zweipunktregler mit    Zweipunktstellglied   proportional dadurch zugeführt wird,

   dass durch das Schaltverhältnis Ein zu Aus des    Zweipunktreglers   die    Stellgrösse   im    Vierwegemischventil   sich selbsttätig einstellt. 



  Das erfindungsgemässe Regelverfahren bietet deshalb besondere Vorteile bei der Regelung von Warmwasserheizungsanlagen, weil hier die Regelstrecke in ihrem Zeitverhalten unbekannt ist. Da laufend schnelle    Sollwertänderungen      Leistungsänderungen   mit sich bringen, die das zeitliche Verhalten des    Vierwegemischven-      tils   jeweilig entsprechend dem anteiligen Lastniveau    verändern,   ist die selbsttätige Anpassung des von der Übergangsfunktion der Regelstrecke unmittelbar abhängigen    Vierwegemischventils   von besonderem Vorteil. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren kann die Anpassung der    Stellzeit   des integralen Stellgliedes an die    Regelstrek-      ke   entfallen.

   Es kann praktisch    trägheitslos   betrieben werden, da das    Zweipunktstellglied   den Energiestrom momentan ein- oder ausschalten kann und durch diese Vorgabe die    Stellgrösse   des    Vierwegemischventils   bestimmt wird. Damit ist es möglich, die Totzeit zu eliminieren, die durch die notwendige Laufzeit des Stellgliedes bei stetig arbeitendem Regler unvermeidlich ist, so dass auftretende Regelabweichungen durch    Stör-      oder      Führungsgrössenänderungen   ohne Rücksicht auf ihr eigenes Zeitverhalten ohne    zusätzliche   Verzögerung    ausgeregelt   werden können, also ohne Überlagerung eines Energiestromes entsprechend dem Zeitverhalten der Regelstrecke.

   Besonders vorteilhaft ist auch das Verhalten des    Vierwegemischventils   bei Laststössen, die bei Heizungsanlagen kurzfristig auftreten, wenn die morgendliche    Aufheizung   von Nacht- auf Tagestemperatur erfolgt oder wenn grössere    Heizkörpergruppen   zuge- 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 schaltet werden, indem der Drehschieber des Vierwegemischventils im Gegensatz zu allen anderen Regelverfahren durch das z. B. zunächst kalte    Rücklaufwasser   in Richtung  zu  läuft und damit eine leistungsgerechte Beimischung ermöglicht, wodurch eine    Überlastung   oder Unterkühlung des Heizkessels verhindert wird. 



  Das beschriebene    Verfahren   wird näher erläutert anhand einer als Ausführungsbeispiel geltenden Heizungsanlage, die in    Fig.   1    schematish   dargestellt ist.    Fig.   2 zeigt in dem dazugehörigen Blockschaltbild die Verkettung    zwischen      Zweipunktstellglied,      Vierwegemisch-      ventil,   Regelstrecke,    Führ-   und Störgrösse.

   Im Ausführungsbeispiel ist das thermische    Vierwegemischventil   als Integrator konstruktiv mit dem beispielsweise als Magnetstellklappe ausgeführten    Zweipunktstellglied   verbunden.    Fig.   3 zeigt das    Vierwegemischventil   im Querschnitt und    Fig.   4 eine perspektive Darstellung des Drehschiebers.    Fig.   5 stellt eine Sonderform dieses Schiebers    mit   thermischer Rückführung dar. Anhand der in    Fig.   6, 7, 8 und 9 dargestellten Diagramme wird die Wirkungsweise des    Vierwegemischventils   10 als Integrator und des    Zweipunktreglers      näher   erläutert. 



  Der Heizungskreislauf 1 (= Regelstrecke) besteht aus der Pumpe 2, dem Heizungsvorlauf 3, Heizkörpern 4 und dem    Heizungsrücklauf   5. Die Leistung wird durch den Leistungskreis 6, gebildet aus Kesselvorlauf 7, Kessel 8 und    Kesselrücklauf   9, zugeführt. Die beiden Kreise sind durch das thermische    Vierwegemischventil   10 verbunden, wobei sich die eingebaute    Magnetstell-      klappe   11 in Richtung Kesselvorlauf 7 befindet. 



  Durch eine Störgrösse 12 wird die Regelstrecke 1 ihre    Ausgangsgrösse   13 verändern. Diese entspricht dem    Istwert,   der gleich dem Sollwert gehalten werden soll. Die    Ausgangsgrösse   13 wird durch die Tauch- oder Anlegefühler 14 und 15 an Heizungsvorlauf 3    und   Heizungsrücklauf 5 erfasst und in den    Vergleicher   16 gegeben, der als    Führungsgrösse   17 z. B. die Aussentemperatur    erfasst.   Der Ausgang des    Vergleichers   16 überträgt durch einen    Zweipunktkontakt   den Befehl auf die Mag    netstellklappe   11.

   In Reihe dazu ist das Vierwegemischventil 10 geschaltet, das in Abhängigkeit der    Übergangsfunktion   der Regelstrecke 1 mit der Bimetallspirale 18 als    Messwertgeber   und Antrieb, welches die den Lastanteil widerspiegelnde    Rücklauftemperatur      wahrnimmt,   das stetig integrale    Stellglied   verstellt. 



  So wird die unstetige    Stellgrösse   19 der    Magnetstell-      klappe   11 durch Verkettung mit dem integralen    Vierwe-      gemischventil   10 voll in eine stetige    Stellgrösse   20 überführt. 



  Um das Anfahren der Anlage zu ermöglichen, ist    eine      Grundstellgrösse      23      (      siehe      Fig.      6)      von      etwa      10      %      Stellbereich   des    Integrators,   der als thermisches    Vierwe-      gemischventil   10 ausgebildet ist,    erforderlich.   Dies hat den    Vorteil,   dass eine Abdichtung des Drehschiebers 10a im    Vierwegemischventil   10 entfallen kann, wodurch die Konstruktion stark vereinfacht wird.

   Der Drehschieber 10a besteht aus der Welle 10b, die durch die Bimetallspirale 18 in an sich bekannter Weise    angetrieben   wird, zwei Halbschalen 10c sind auf den gegenüberliegenden Seiten einer mit der Welle verbundenen Scheibe 10d um 180  versetzt angeordnet.    In   Richtung Kesselvorlauf 7 ist die    Magnetstellklappe   11 eingesetzt. Soll die Raumtemperatur anstelle der Aussentemperatur als    Führungs-      grösse   die Regelung beeinflussen, ist es vorteilhaft, eine thermische Rückführung in direkter Abhängigkeit der    Integratorstellgrösse   in die Regelung mit einzubeziehen, indem z. B. auf die Welle des Drehschiebers 10a ein Potentiometer 10e    (Fig.   5) montiert wird. 



  Mit dem    Kesseltemperaturbegrenzer   22 wird nicht nur der Leistungskreis 6 über den Ölbrenner 21 gesteuert, sondern durch einen eingebauten Minimalkontakt wird bei Unterschreiten der eingestellten Kesseltemperatur die    Magnetstellklappe   11 sofort geschlossen. Damit ist der Leistungskreis 6 bei auftretenden    Störungen   z. B. durch eine Entnahme grösserer    Warmwassermenge   aus dem im oder vom Kessel 8 erzeugten Gebrauchswarmwasser gegen    Unterkühlung   geschützt. 



  Bei einem    Zweipunktregler   kann die Regelung nur unstetig erfolgen, es gibt nur zwei    Stehgrössen;   0 0/0    Leistungszuführung      oder      100      %      Leistungszuführung.   Dies hat zur Folge, dass bei 100    9/o   Leistungszuführung sich eine    Überschussleistung   entsprechend dem Lastanteil einstellt, wie in    Fig.   7 dargestellt.

   Mit der variablen    Überschussleistung      verändert   sich die    überschwingweite      (Fig.   9), die in    direkter      Abhängigkeit   der    überschusslei-      stung   und des Verhältnisses der Totzeit 24 zur Zeitkonstanten der Regelstrecke 1 bei bestimmter Schaltdifferenz 25 der    Magnetstellklappe   11 steht. 



  In    Fig.   9 stellt die Kurve 26 den    Sollwertverlauf   bei    einer      Überschussleistung      von      Nü      =   0    %      dar.      Die      Kurve      27      zeigt      für      einen      Leistungsüberschuss      von      25      %   die    Gesamtüberschwingweite   29 und die bleibende Regelabweichung 30,

   aus Kurve 28 ist für einen    Leistungs-      überschuss      von      400      %      die      Gesamtüberschwingweite      31   und die bleibende Regelabweichung 32 zu entnehmen.

   Aus der Kennlinie des    Zweipunktreglers   16 in    Fig.   7 ist    zu      ersehen,      dass      für      einen      Lastanteil      von      L.      =      80      %      die      Überschussleistung      Nü      =      25      %      beträgt      (Fig.      7,   Punkt 33).

   
 EMI2.148 
    Ein      Lastanteil      LX      =      20      %      ergibt      eine      Überschuss-      leistung   von    Nü   = 400 0/0    (Fig.   7, Punkt 34). 
 EMI2.161 
 Die bleibende Regelabweichung ist von der    über-      schussleistung   abhängig    und   erreicht etwa folgende Werte (siehe    Fig.   9):

      Für      einen      Lastanteil      von      80      %      nach      Kurve      27-1,3   x    Schaltdifferenz   25. 



     Für      einen      Lastanteil      von      20      %      nach      Kurve      28      +   3,4 x Schaltdifferenz. 



  Dieser eigentümliche Nachteil der steigenden überschussleistung    mit   abnehmendem    Last-Leistungs-Ver-      hältnis   beim    Zweipunkt-Regler   11 wird durch den nachgeschalteten    Integrator   10 beseitigt. Die Wirkungsweise des Integrators 10 ist in den    Fig.   6 und 8 dargestellt.

   Der Integrator 10 kann eine beliebige gewünschte    Überschussleistung   innerhalb seines Arbeitsbereiches    konstant   halten.    Fig.   6 zeigt die    Kennlinie   des Integrators 10 mit den gewählten    Überschussleistungen      von      20,      40      und      60      %      als      Parameter.      Hat      beispielsweise   der    Integrator   10 eine    Leistungsüberschussbegrenzung      von      Nü      =      40      %,

        so      beträgt      der      Stellbereich      100      %      bei      einer      Last      von      70      %,      d.      h.      der      Stellbereich      des      Integra-      tors   10 ist voll ausgefahren (Punkt 35 in    Fig.   6). Bei weiter steigender Last verläuft der Leistungsüberschuss nach der Kennlinie des    Zweipunkt-Reglers   (Punkt 36 in 

 <Desc/Clms Page number 3> 

    Fig.   7).

   Die damit verbundene Änderung der resultierenden    Überschussleistung   ist in    Fig.   8 zu ersehen. Dort ist der konstante Begrenzungsbereich von Punkt 37 und    Lx      =   7    %      bis      Punkt      38      und      LX      =      70      %      für      einen      Integrator      mit      Nü      =      40      %      zu      entnehmen.      Sinkt      die      Last      unter   7 

     %,      dann      steigt      die      resultierende      über-      schussleistung   nach der Kurve 3 von Punkt 37 bis Punkt    39      in      Fig.   8    bis      auf      Nü      =      90      %      bei      L_,      =   5    %).   



  Kleinere Lastwerte unter 5 0/0 lassen die    überschusslei-      stung   weiterhin progressiv ansteigen, jedoch kommt in    der      Praxis      ein      Last-Leistungsverhältnis      unter   5    %      kaum   zur Anwendung.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I Verfahren zur selbsttätigen Regelung einer Warmwasserheizungsanlage, bei der ein Heizungskreis mit einem Leistungskreis durch ein Vierwegemischventil verbunden ist und durch ein temperaturempfindliches Stellorgan das Vierwegemischventil bei einer Regelabweichung integral gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellantrieb des Drehschiebers (10a) im Vierwegemischventil (10) eine Bimetallspirale (18) die Rücklauftemperatur der Regelstrecke (1) erfasst und unmittelbar den Drehschieber (10a)

   stetig verstellt und bei Laständerung sich die Stellgeschwindigkeit entsprechend der übergangsfunktion der Regelstrecke (1) ver- ändert, wobei die ejweilige vom Heizungskreis geforderte Leistung durch einen Zweipunktregler (16) mit Zweipunktstellglied (11) proportional dadurch zugeführt wird, dass durch das Schaltverhältnis Ein zu Aus des Zweipunktreglers (16) die Stehgrösse im Vierwegemisch- ventil sich selbsttätig einstellt. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Stellgrössenvorgabe des Stellgliedes das Vierwegemischventil (10) über einen Lastbereich von 7 bis 70 0/0 die Überschussleistung derart begrenzt wird, dass die überschwingweite der Regelgrösse Heizkreistemperatur annähernd konstant gehalten werden kann. 2.

   Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei auftretenden Laststössen der Drehschieber (10a) des Vierwegemisch- ventils (10) in Richtung zu läuft und entsprechend dem Verhältnis der verfügbaren Kesselleistung zum Laststoss die Stellgrösse verstellt. 3. Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Stellgrösse des Vierwegemischventils eine Rückführung auf den Zweipunkt-Regler (16) erfolgt. 4.

   Verfahren nach Patentanspruch I, und den Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsbegrenzer (22) eine überlastung des Leistungskreises (6) durch Abstellen des Heizungskreises (1) mittels des Zweipunkt-Stellgliedes (16) verhindert. PATENTANSPRUCH II Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass zur Mischung des Kesselvor- und Rücklaufwassers mit dem Heizungsvor- und Rücklaufwasser ein selbsttätiges Vierwegemischventil (10) dient. UNTERANSPRÜCHE 5.

   Einrichtung nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (10a) des selbsttätigen Vierwegemischventils (10) aus zwei um 180 versetzt auf den gegenüberliegenden Seiten einer Scheibe (10d) angeordneten zylindrischen Halbschalen (10c) besteht, wobei die Scheibe (10d) senkrecht zur Drehachse (10b) steht und fest mit dieser verbunden ist. 6. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bimetallspirale (18), die einerseits im Gehäuse des Vierwegemischventils (10) befestigt ist, andererseits die damit verbundene Drehachse (10b) antreibt, im Einlass des Vierwegemischventils (10) für den Heizungsrücklauf (5) angebracht ist. 7.

   Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass im Einlass des Vierwegemischventils (10) für den Kesselvorlauf (7) eine Stellklappe (11) als Zweipunkt-Stellglied am Vierwegemischventil (10) angeordnet ist.