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Die
Erfindung betrifft ein Klimabeeinflussungssystem für Gebäude, insbesondere
ein Temperaturbeeinflussungssystem, mit mehreren unterschiedlichen
Typen von Klimabeeinflussungseinrichtungen, die jeweils mindestens
einen Aktuator aufweisen.
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Die
Beeinflussung der Temperatur oder des Klimas in einem Gebäude gewinnt
eine immer größere Bedeutung.
Im einfachsten Fall weist ein Klimabeeinflussungssystem eine Mehrzahl
von Heizeinrichtungen mit Wärmetauschern
auf, die von einem Wärmeträgermedium
durchflossen sind. Dabei gibt es den klassischen Heizkörper oder
Radiatoren einerseits und eine Fußbodenheizung andererseits.
In gleicher Weise gibt es aber auch Kühldecken oder Kühlanlagen,
die bei einer zu hohen Außentemperatur
die Temperatur in einem Gebäude
niedrig halten sollen. Weiterhin findet man Klimaanlagen oder andere
Systeme, in denen sowohl geheizt als auch gekühlt wird und Systeme, die auf
einen Feuchtegehalt der Luft Einfluss nehmen und die Luft beispielsweise befeuchten
oder trocknen. In einigen Fällen
wird auch eine Luftbewegung zur Beeinflussung des Klimas eingesetzt,
beispielsweise, um einen Luftaustausch in einem Raum zu bewirken
und die Luft innerhalb des Raumes gegen Frischluft auszutauschen.
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In
DE 698 23 271 T2 ist
ein verbesserter adaptierter Durchflussregler beschrieben, der im
Zusammenhang mit einer Luftstromsteuervorrichtung für ein Klimaregelungssystem,
also für
ein Klimabeeinflussungssystem, eingesetzt wird. Dabei weist das System
mehrere Behälter
mit variablem Luftstrom auf. Diese Behälter sind gleich ausgebildet.
Dabei weisen die Behälter
jeweils einen Regler auf, der über
einen Aktuator einen Dämpfer
in Abhängigkeit vom
Luftstrom und einer Temperatur in der Umgebung regelt. Dabei wird
der gleiche Aktuator für
gleiche Typen von Klimabeeinflussungseinrichtungen verwendet.
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Im ”Taschenbuch
für Heizung
und Klimatechnik” von
Recknagel, Sprenger, Schramek, 2005, Oldenbourg Industrieverlag,
München,
Seiten 1331–1380,
werden Mess-, Steuer- und Regelgeräte für die Lüftungs- und Klimatechnik beschrieben.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Klimabeeinflussungssystems
beschrieben, bei dem Heizkörper
und Fußbodenheizungen
miteinander kombiniert sind. Die Erfindung ist aber nicht auf diese
Kombination be schränkt,
sondern kann auch bei anderen Klimabeeinflussungssystemen verwendet
werden.
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Heizkörper und
Fußbodenheizungen
werden von einem Wärmeträgermedium
durchströmt,
beispielsweise heißem
Wasser. Der Durchfluss dieses Wärmeträgermediums
wird in Abhängigkeit
von äußeren Bedingungen,
beispielsweise der aktuellen Temperatur im Raum, der Außentemperatur
und der Temperatur des Wärmeträgermediums,
gesteuert. Hierzu sind Ventile notwendig, die wiederum von einem
Aktuator betätigt
werden. Bei Heizkörpern
hat man bislang üblicherweise
Thermostatventilaufsätze verwendet,
die mit einem Galgenelement versehen sind, während man bei Fußbodenheizungsverteilersystemen üblicherweise
Ventilsteuerungen verwendet, die mit einem Wachs-Aktuator ausgerüstet sind.
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Durch
die Verwendung von unterschiedlichen Typen von Wärmetauschern oder anderen Klimabeeinflussungseinrichtungen,
beispielsweise von Heizkörpern
und Fußbodenhei zungen,
kann man die Klima- oder Temperaturbeeinflussung an die Wünsche der
Benutzer von Räumen
anpassen. Allerdings entstehen durch die Verwendung unterschiedlicher Typen
von Klimabeeinflussungseinrichtungen höhere Kosten bei der Herstellung
und im Betrieb. Dies bildet ein Hindernis für die Einrichtung eines optimierten Klimabeeinflussungssystems.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kosten bei einem Klimabeeinflussungssystem
niedrig zu halten.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Klimabeeinflussungssystem der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
dass die Aktuatoren für
mindestens zwei unterschiedliche Typen von Klimabeeinflussungseinrichtungen
gleich sind.
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Wenn
man für
unterschiedliche Typen von Klimabeeinflussungseinrichtungen die
gleichen Aktuatoren verwenden kann, dann ist es möglich, die
Aktuatoren in einer größeren Stückzahl herzustellen.
Je größer die
Stückzahl
eines Produkt ist, desto geringer sind üblicherweise die Kosten, die
man für
die Herstellung aufbringen muss. Bei hohen Stückzahlen kann man dementsprechend
niedrige Herstellungskosten und damit auch niedrige Verkaufspreise
erzielen. Da die Aktuatoren gleich sind, kann man auch die Kosten
für die
Installation niedrig halten. Ein Installateur, der eine große Zahl
derartiger Aktuatoren montiert, ist nach einer kurzen Einarbeitungszeit
geübt und
benötigt
dementsprechend weniger Zeit, um die Aktuatoren zu montieren. Die
Gefahr von Verwechselungen der Aktuatoren und der daraus resultierende
Aufwand für
Nachbesserungen wird klein gehalten, so dass man auch bei der Installation
mit niedrigen Kosten rechnen kann.
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Vorzugsweise
weist jeder der Aktuatoren einen elektrischen Antrieb auf. Durch
die Verwendung eines elektrischen Antriebs lässt sich ein derartiger Aktuator
an einer Vielzahl von Klimabeeinflussungseinrichtungen verwenden,
ohne dass Änderungen am
Aktuator erforderlich sind. Der elektrische Antrieb kann nämlich in
einer Mehrzahl von möglichen
Betriebsweisen betrieben werden.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass der elektrische Antrieb einen Schrittmotor aufweist.
Ein Schrittmotor hat den Vorteil, dass die Position seines Antriebselements
aus der Anzahl der zurückgelegten
Schritte herleitbar ist. Man benötigt
also keinen Positionssensor und kann dennoch den elektrischen Antrieb
in einem Regelkreis oder zumindest in einer Steuerung betreiben.
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Vorzugsweise
weist der elektrische Antrieb ein linear bewegbares Abtriebselement
auf. Im einfachsten Fall ist der elektrische Antrieb also als Linearmotor
ausgebildet. Er kann aber auch eine Schraubspindel oder dergleichen
aufweisen, die mit einer drehfest gehaltenen Mutter zusammenwirkt,
die dann eben linear bewegt wird. Eine lineare Bewegung ist in vielen
Fällen
ausreichend, um ein Stellelement an der Klimabeeinflussungseinrichtung
zu verstellen.
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Vorzugsweise
ist jeder der Aktuatoren über eine
leitungslose Verbindung mit einer Steuereinheit verbunden. Der Aktuator,
der an allen möglichen
Klimabeeinflus sungseinrichtungen angeordnet sein kann, ist an sich „dumm”, d. h.
er ist nur in der Lage, eine bestimmte Bewegung auszuführen, wenn
er dazu angesteuert wird. Die „Intelligenz” wird daher
in die entsprechende Steuereinheit verlagert. Wenn man die Steuereinheit über eine
leitungslose Verbindung, beispielsweise Funk, Infrarot, Bluetooth, z-waves
oder dergleichen, mit dem Aktuator verbindet, dann benötigt man
keine mechanischen Leitungen, um die Verbindung einzurichten. Dies
wiederum spart Installationsaufwand. Man muss lediglich der Steuereinheit
mitteilen, was sie leisten soll. Die Steuereinheit kann dann beispielsweise
die notwendigen Informationen über
Sensoren gewinnen, beispielsweise über einen Temperatursensor
und den Aktuator so ansteuern, dass die gemessene Temperatur mit
einer vorgegebenen Wunsch- oder Solltemperatur übereinstimmt.
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Auch
ist von Vorteil, wenn die Steuereinheiten für alle Aktuatoren gleich sind.
Auch hier kann man dann die Steuereinheiten mit einer großen Stückzahl herstellen,
was die Produktionskosten niedrig hält.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass die Steuereinheiten eine programmierbare Steuereinrichtung
aufweisen, die mit unterschiedlichen Programmen betreibbar ist.
Durch ein Programm, das über
einen Datenträger,
eine Schnittstelle oder eine Schaltungskarte eingegeben werden kann,
lässt sich
dann bestimmen, wie die Steuereinheit den Aktuator betätigt. Damit
lässt sich
die Betätigung
des Aktuators an die jeweilige Klimabeeinflussungseinrichtung anpassen.
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Bevorzugterweise
sind mehrere gleichartige Klimabeeinflussungseinrichtungen zu einer
Gruppe zusammengefasst, wobei die Gruppe einen Master-Controller
aufweist, der die Aktuatoren einzeln ansteuert. Beispielsweise ist
es üblich,
mehrere Fußbodenheizungskreisläufe mit
einem Verteiler zu verbinden. In diesem Fall kann es günstig sein,
einen Master-Controller zu verwenden, um die Verteilung des Wärmeträgerfluids über den
Verteiler auf alle Fußbodenheizungskreisläufe sicher
zu stellen.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass der Master-Controller mit Steuereinheiten in
Signalverbindung steht. Damit ist es möglich, trotz der Verwendung
eines Master-Controllers jede Klimabeeinflussungseinrichtung individuell
anzusteuern, wobei der Master-Controller nur dafür sorgt, dass eine Ansteuerung
für alle Klimabeeinflussungseinrichtungen
einer Gruppe möglich
ist. Mit anderen Worten werden die Ressourcen in Abhängigkeit
vom Bedarf so verteilt, dass jede Klimabeeinflussungseinrichtung
etwas davon abbekommt, beispielsweise etwas Wärmeträgermedium.
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Vorzugsweise
weist jeder der Aktuatoren eine eigene Quelle elektrischer Energie
auf. Man spart daher beispielsweise eine elektrische Zuleitung und
stellt die Energieversorgung über
eine Batterie oder einen elektrischen Generator sicher, der im Bereich
des Aktuators angeordnet ist. Ein derartiger Generator kann beispielsweise
thermische Energie in elektrische Energie umwandeln.
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Vorzugsweise
umfassen die unterschiedlichen Typen von Klimabeeinflussungseinrichtungen einen
Radiator und ei ne Fußbodenheizung,
wobei der Aktuator mit einem Ventil zur Steuerung eines Wärmeträgermediums
zusammenwirkt. Wie eingangs erwähnt,
ist dies eine einfache Ausgestaltung eines Klimabeeinflussungssystems.
Der Aktuator steuert den Fluss des Wärmeträgermediums, d. h. er öffnet oder
schließt
das entsprechende Ventil. Diese Grundfunktion ist für einen
Radiator, also einen Heizkörper
und einen Fußbodenheizungskreislauf,
gleich. Die Art und Weise, wie der Aktuator das zugeordnete Ventil
ansteuert, kann dann durch die Steuereinheit beeinflusst werden.
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Bei
dieser Ausgestaltung ist es auch möglich, dass der Aktuator mit
einem Rücklauftemperaturbegrenzerventil
zusammenwirkt. In diesem Fall kann der Rücklauftemperaturbegrenzer dann
mit irgendeiner Art von Temperaturfühler kombiniert werden, der
die Rücklauftemperatur
misst, wobei dann eine Steuereinheit unter Umständen entbehrlich ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines Klimabeeinflussungssystems,
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines Klimabeeinflussungssystems und
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3 eine
schematische Darstellung eines Aktuators an einem Ventil.
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1 zeigt
ein Klimabeeinflussungssystem 1 in Form einer Gebäudeheizung.
Das Gebäude weist
mehrere Räume 2–7 auf.
In den Räumen 2–4 ist
jeweils ein Heizkörper 8–10 angeordnet,
wobei die Heizkörper 8 und 10 als
herkömmliche
Plattenradiatoren und der Heizkörper 9 als
Röhrenradiator
ausgebildet ist.
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In
den Räumen 5–7 befinden
sich Fußbodenheizungskreisläufe 11–13,
die mit einem Zulaufverteiler 14 und einem Rücklaufsammler 15 verbunden sind.
Der Zulaufverteiler 14 ist an eine Zulaufleitung 16 angeschlossen,
von der auch die Heizkörper
oder Radiatoren 8–10 versorgt
werden. Der Rücklaufsammler 15 ist
mit einer Rücklaufleitung 17 verbunden,
in die auch das Wärmeträgermedium
zurückfließt, das
die Radiatoren 8–10 durchströmt hat.
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Vielfach
ist in einem oder mehreren Räumen (nicht
dargestellt) auch eine Kombination von Heizkörper und Fußbodenheizung vorgesehen.
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Der
Strom des Wärmeträgermediums
durch die Radiatoren 8–10 bzw.
durch die Fußbodenheizungskreisläufe 11–13 wird
durch Ventile 18–23 gesteuert.
Die Ventile 18–23 können geöffnet oder
geschlossen werden oder Zwischenstellungen zwischen offen und geschlossen
annehmen.
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Mit
jedem der Ventile 18–23 wirkt
ein Aktuator 24–29 zusammen.
Ein derartiger Aktuator ist in 3 dargestellt
und wird weiter unten erläutert.
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Die
Aktuatoren 24–29 sind
alle gleich aufgebaut, d. h. unabhängig davon, ob die Ventile 18–20 für die Heizkör per 8–10 vorgesehen
sind oder die Ventile 21–23 für die Fußbodenheizungskreisläufe 11–13,
wird für
jedes der Ventile 18–23 der
gleiche Aktuator verwendet. Dadurch ist es möglich, die Aktuatoren 24–29 in
großen
Stückzahlen
herzustellen und damit die Kosten für die Produktion niedrig zu halten.
Auch wird die Montage einfach, weil gleiche Aktuatoren 24–29 auch
auf gleiche Art montiert werden können.
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Die
Aktuatoren 24–29 sind „dumm”. Sie können nur
eine Bewegung erzeugen, um die Ihnen zugeordneten Ventile zu 18–23 betätigen. Die
Art und Weise, wie sie arbeiten, wird jedem der Aktuatoren 24–29 durch
eine Steuereinheit 30–35 vorgegeben. Auch
die Steuereinheiten 30–35 sind
für alle
Aktuatoren 24–29 gleich,
so dass man die Steuereinheiten 30–35 ebenfalls mit
großen
Stückzahlen
herstellen kann und dadurch die Herstellungskosten niedrig halten
kann. Die Steuereinheiten 30–35 können mit Steuereinrichtungen,
beispielsweise einem Mikroprozessor, einem Mikro-Controller oder
dergleichen, ausgerüstet
sein, so dass sie programmierbar sind. Die Steuereinheiten 30 haben
Bedienelemente 36 und Anzeigen 37, so dass man
von außen
Einstellungen vornehmen kann, um die Steuereinheiten an die jeweiligen
Aktuatoren anzupassen und die von den jeweiligen Aktuatoren 24–29 zu
erbringenden Funktionen einzustellen.
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Die
Programme können
in den Steuereinheiten 30–35 enthalten sein,
so dass man für
einen bestimmten Aktuator nur ein entsprechendes Programm auswählen muss.
Man kann die Programme auch auf andere Weise zuführen, beispielsweise über einen
Datenträger
oder einen Speicherchip oder über
eine drahtlose Übertragung
oder eine Leitungsverbindung, die man temporär mit einem Computer, beispielsweise
einem PC oder einem Laptop, einrichtet.
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Die
Steuereinheiten 30–35 stehen über leitungslose
Verbindungen 38, 39 mit den entsprechenden Aktuatoren 24–29 in
Verbindung. Hier sind aus Gründen
der Übersicht
lediglich für
zwei Aktuatoren 26, 29 die Verbindungen 38, 39 eingezeichnet.
Tatsächlich
ist für
jeden der Aktuatoren 24–29 eine derartige
leitungslose Verbindung vorhanden. Diese Verbindung kann über Funk,
Infrarot, Ultraschall, Blue tooth, z-waves oder auf andere Weise
realisiert werden.
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3 zeigt
den Aktuator 24 in perspektivischer Darstellung, teilweise
im Aufriss. Die anderen Aktuatoren 25–29 sind identisch
aufgebaut.
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Der
Aktuator 24 ist an dem Ventil 18 montiert, das
einen Betätigungsstift 40 aufweist,
auf den der Aktuator 24 wirkt. Der Betätigungsstift 40 steht
in nicht näher
dargestellter, aber an sich bekannter Weise in Verbindung mit einem
Ventilelement, das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Zwischen
dem Ventilelement und dem Ventilsitz ergibt sich dann eine größere oder
kleinere Öffnung,
durch die ein Wärmeträgermedium
von einem Einlass 41 des Ventils zu einem Auslass 42 fließen kann.
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Der
Aktuator weist eine oder mehrere Batterien 43 auf. Die
Batterie 43 dient als elektrische Energiequelle. Ferner
weist der Aktuator 24 einen elektrischen Motor 44 auf.
Der Motor ist als Schrittmotor ausgebildet. Er treibt eine Spindel 45 an,
die mit einer Gewindemutter 46 in Eingriff steht. Die Gewindemutter 46 weist
eine Drehsicherung 47 auf, ist also drehfest in einem Gehäuse 48 gehalten.
Die Gewindemutter 46 wirkt auf den Betätigungsstift 40 des
Ventils 18. Wenn sich die Spindel 45 dreht, verändert sich die
Höhenlage
der Gewindemutter 46 gegenüber dem Ventil 18.
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Der
Aktuator 24 weist eine Schaltungsplatine 49 auf,
die einen Empfänger 50 für die leitungslose Funkstrecke
enthält
und im Übrigen
einige Bausteine 51, die zum Antrieb des Motors 44 notwendig
sind.
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Da
der Motor 44 als Schrittmotor ausgebildet ist, wird die
Gewindemutter 46 bei jeder Umdrehung um ein vorbestimmtes
Inkrement bewegt. Durch Abzählen
der Schritte des elektrischen Motors 44 lässt sich
also die Position der Gewindemutter 46, die hier ein linear
bewegbares Abtriebselement bildet, genau bestimmen. Ein Positionssensor
kann daher in den meisten Fällen
entbehrlich sein.
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2 zeigt
ein gegenüber 1 abgewandeltes
Ausführungsbeispiel,
bei dem gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen
sind.
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Der
wesentliche Unterschied besteht darin, dass für die Fußbodenheizungskreisläufe 11–13 ein Master-Controller 52 vorgesehen
ist, der die Aktuatoren 27–29 des Rücklaufsammlers 15 gemeinsam steuert.
Die Steuerung des Master-Controllers 52 erfolgt über die
Steuereinheiten 33–35,
die über
eine leitungslose Verbindung 53 (nur eine dargestellt)
mit dem Master-Controller 52 verbunden sind. Der Master-Controller 53 ist über eine
lei tungslose Verbindung 54 mit den Aktuatoren 27–29 verbunden
(nur eine Verbindung dargestellt).
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Der
Master-Controller 52 steuert die einzelnen Aktuatoren 27–29 unter
dem Einfluss der Steuereinheiten 33–35 an. Er sorgt jedoch
gleichzeitig dafür, dass
das zur Verfügung
stehende Wärmeträgermedium
so gleichmäßig auf
die Fußbodenheizungskreisläufe 11–13 verteilt
wird, dass die einzelnen Räume 5–7 ihre
Minimalanforderungen erfüllen
können,
z. B. gegen Frost geschützt
sind.
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In
nicht näher
dargestellter Weise kann der Aktuator 24 auch als Rücklaufbegrenzer
zusammen mit einem Radiator 8–10 verwendet werden,
wobei der Rücklaufbegrenzer
dann mit irgendeiner Art von Temperaturfühler für das Wärmeträgermedium kombiniert werden
kann.
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Aufgrund
der drahtlosen Kommunikation ist es sehr einfach, das System 1 zu
erweitern, z. B. mit einem Außentemperaturfühler, einer
Pumpen- und/oder Kesselregelung. Der Aktuator 24–29 hat darüber hinaus
auch den Vorteil, dass er von der Umgebungstemperatur vollkommen
unabhängig
ist.
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Das
Klimabeeinflussungssystem 1 kann aufgrund von kostengünstigen
Komponenten relativ preisgünstig
hergestellt werden. Darüber
hinaus ist für
die Installation im Grunde nur noch ein Installateur erforderlich,
der die Ventile 18–23 und
die Aktuatoren 24–29 montiert.
Der Installateur kann dann auch die Steuereinheiten 30–35 auf
die jeweiligen Aktuatoren 24–29 einstellen. Ein
zusätzlicher
Elektriker wird in der Regel nicht mehr benötigt.
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Die
Erfindung wurde vorliegend anhand einer Heizungsanlage beschrieben.
Sie ist aber auch bei Kühlanlagen,
bei Klimaanlagen, bei Lüftungsanlagen
oder dergleichen verwendbar, wobei man dann entsprechende Ventile
oder Schieber durch die Aktuatoren 24–29 steuern kann.
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Mit
den beschriebenen Aktuatoren 24–29 und einem dazu
passenden Ventil kann man nicht nur bei den beschriebenen Anlagen
Steuerungen vornehmen. Im Grunde kann eine derartige Aktuator-Ventil-Kombination
auch bei praktisch beliebigen anderen Ventilen und vor allem an
anderen Orten verwendet werden, die schwer zugänglich sind. Auch an Orten,
die fern von einer stationären
Stromversorgung liegen, ist die Verwendung eines derartigen Aktuators
von Vorteil, weil sein Betrieb aufgrund der drahtlosen Verbindung
und der Batterieversorgung möglich
ist.
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Im
Bereich Heizung/Kühlung/Lüftung wird man
mit dem hier beschriebenen Aktuator eine schnellere Art von Regelung
erzielen können,
beispielsweise im Vergleich zu einem Wachs-Aktuator. Bei einem Wachs-Aktuator
muss man außer
dem für die
Regelung erforderlichen Aufwärmen
auch die Erweiterung des Wachses unter Kontrolle haben. Bei den
herkömmlichen
Aktuatoren gibt es auch eine Begrenzung der Schlaglänge. Eine
derartige Begrenzung gibt es bei den hier beschriebenen Aktuatoren nicht
oder nur in einem geringeren Maße.
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Da
der hier beschriebene Aktuator nur dann Strom verbraucht, wenn er
betätigt
wird, beispielsweise indem die Spindel 45 gedreht wird,
ergibt sich ein großer Vorteil
beispielsweise bei Fußbodenheizungssystemen.
Bei einem Wachs-Aktuator wird während
der gesamten Aktivierungszeit Strom verbraucht. Bei dem beschriebenen
Aktuator könnte man
auch eine Ausführungsform
verwenden, in der man ohne jegliche Art von Elektronik auskommt.
Dies würde
die Kosten weiter senken. Die einzelnen Aktuatoren könnten dann
mit einer zentralen Einheit verbunden werden, die sowohl die Stromversorgung
als auch die Signal- oder Datenübertragung
vorsieht. Diese zentrale Einheit kann sehr viel kleiner gemacht werden
als die heute bekannten Einheiten und im Prinzip kann eine Stromversorgung
verwendet werden, die beispielsweise aus einem tragbaren Telefon bekannt
ist, weil die Aktuatoren nicht so viel Strom verbrauchen.