DE1295160C2

DE1295160C2 - Vorrichtung zum steuern der aufladung von waermespeicher-raumheizoefen, insbesondere solchen mit elektrischen strom als energietraeger, mit waermeenergie in billigzeitperioden

Info

Publication number: DE1295160C2
Application number: DE1963F0041313
Authority: DE
Inventors: Helmut 4300 Essen Freundlieb
Original assignee: Tekmar Angewandte Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Tekmar Angewandte Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 1963-11-19
Filing date: 1963-11-19
Publication date: 1976-04-22
Also published as: DE1295160B

Description

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Vorrichtung zum Steuern der Aufladung von Wärmespeicher-Raumheizöfen, insbesondere solchen mit elektrischem Strom als Energieträger, mit Wärmeenergie in Billigzeitperioden.

Beim Aufladen von Wärmespeicher-Raumheizöfen, welche durch elektrischen Strom oder von einem anderen Wärmeträger aufgeladen werden, sind nicht nur die vom Energielieferanten freigegebenen Ladezeiten zu berücksichtigen, sondern es ist für eine wirtschaftliche Heizung auch notwendig, die Speicherofen in der Ladezeit — die Hauptladezeit liegt in der Regel zwischen 22 and 6 Uhr — nur so weit aufzuladen, wie die am nächsten Tage voraussichtlich benötigte Wärmemenge beträgt. Ferner ist es vorteilhaft, den Ladevorgang so zu steuern, daß die Aufladung erst am Ende der freigegebenen Ladezeit, d. h. zu Beginn der Entladezeit, in voller Höhe vorhanden ist. In allen anderen Fällen würde ein unnötiger Energieverbrauch durch kaum zu vermeidende Wärmeabgabe zur unrechten Zeit eintreten.

Auf eine Vorrichtung zum Steuern einer solchen Aufladung bezieht sich die Erfindung.

Es ist bereits durch die deutsche Patentschrift 11 28 105 ein Verfahren zum Steuern der Aufladung von Wärmespeichern bekannt, welches diesen für eine wirtschaftliche Heizung als notwendig genannten Maßnahmen entspricht. Bei ihm wird als Steuergröße die Außenlufttemperatur herangezogen. Der Zeitpunkt des Aufladebeginns stellt sich so ein, daß die Ladung erst am Ende der jeweiligen Billigzeitperiode beendet ist.

Dieses Verfahren hat den schwerwiegenoen Nachteil, daß die im Speicherofen von der vorhergehenden Heizperiode z. B. infolge Erhöhung der Außenluft! smperatur verbliebene Restwärme unberücksichtigt bleibt, so daß es zu unwirtschaftlichen Überladungen kommen kann. Nachteilig ist ferner, daß die Außenlufttemperatur mittels eines Wärmeausdehnungselementes festgestellt und über ein mechanisches Gestänge auf einen Schaltzylinder übertragen wird. Derartige gemischt mechanisch-elektrische Elemente sind naturgemäß sehr empfindlich und einem stetigen Verschleiß unterworfen, so daß eine ständige Wartung erforderlich ist.

Ein Vorschlag, die eingangs genannte Aufgabe auf rein elektrischem Wege zu lösen, findet sich in dem älteren Patent 12 50 027, welches ein Aufladegerät für Speicherheizungen betrifft, bei dem die Außenlufitemperatur durch einen elektrischen, temperaturabhängigen Widerstand dargestellt wird, der derart arbeitet, daß niedrigeren Meßtemperaturen zunehmende Widerstandswerte zugeordnet sind, und der mit einem vorgegebenen konstanten Widerstand und mit einem durch eine Uhr oder ein elektromotorisches Zeitwerk angetriebenen Drehwiderstand (Potentiometer) mit wachsender oder je nach der Schaltung auch fallender Widerstandscharakteristik zu einer Wheatstoneschen Brücke zusammengeschaltet ist, in der die Widerstandswerte miteinander verglichen und durch die bei Veränderung des Brückengleichgewichtes Steuervorgänge ausgelöst werden, die das Einschalten des Ladestromes bewirken.

Bei dieser Vorrichtung, die mit für sich bekannten Einzelelementen arbeitet, bleibt die im Speicher eventuell verbliebene Restwärme unberücksichtigt, so daß es auch hier am Ende der Ladeperiode zu unwirtschaftlichen Überladungen kommen kann. Ein weiterer Nachteil dieses Gerätes besteht darin, daß sich dort auf Grund der Brückenschaltung gekrümmte Kurvenscharen für die Regelung ergeben, die nur im mittleren Bereich einen einigermaßen geraden Verlauf haben, während der Anfang- und Endbereich ziemlich gekrümmt sind und Anlaß zu Ungenauigkeiten bei der Aufladung geben.

Durch die DT-PS 6 39 252 ist eine Steuervorrichtung für ein Speichergerät bekannt, die die vom Vortage im Speicher verbliebene Restwärme erfaßt und als Steuergröße bei der Aufladung berücksichtigt. Das Speichergerät wird bei verbliebener Restwärme

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entsprechend später eingeschaltet, so daß das Ende der Ladezeit etwa mit dem Ende der Billigzeitperiode zusammenfällt. Die Außentemperatur wird aber bei dieser Vorrichtung nicht erfaßt. Die Steuerung erfolgt zudem über mechanische, auf Quecksilberschalter einwirkende Elemente. Hierdurch ergeben sich nicht nur die oben angeführten, bei gemischt mechanisch-elektrischer Bauweise zwangsläufig auftretenden Nachteile, sondern die Steuerung selbst wird ungenau, weil die Quecksilberschalter" stufenweise arbeiten und nur wenige Schaltstufen aufweisen.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, bei einer rein elektrisch arbeitenden Vorrichtung, wie sie dem Gegenstand des älteren Patents zugrunde liegt, die Genauigkeit der Steuerung zu erhöhen, wobei insbesondere das Ende des Ladevorganges auch dann mit dem Ende der Billigzeitperiode zusammenfallen soll, wenn bei Ladebeginn noch eine mehr oder weniger große Restwärmemenge im Speicherkern vorhanden ist.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß außer der Außenlufttemperatur auch die von der vorangegangenen Lade-Entlade-Periode im Wärmespeicher verbliebene Restwärme als Steuergröße erfaßt und durch einen elektrischen, temperaturabhängigen Widerstand dargestellt wird, der ebenfalls so arbeitet, daß niedrigeren Meßtemperaturen zunehmende Widerstandswerte zugeordnet sind, und daß die temperaturabhängigen Widerstände und der Drehwiderstand in Reihe geschaltet sind, wobei die Steuervorgänge dann ausgelöst werden, wenn die Summe der Widerstandswerte der veränderlichen Widerstände mit dem Widerstandswert des vorgegebenen konstanten Widerstandes übereinstimmt.

Auch im Falle der Erfindung werden die Nachteile

mechanisch oder mechanisch-elektrisch arbeitender Elemente vermieden. Es werden aber auf Grund der Reihenschaltung der Widerstände (Summierung) Kurvenscharen mit geradlinigem Verlauf erzielt, die ein genaueres Arbeiten der Aufladevorrichtung auch in den extremen Bereichen ergeben. Durch die Heranziehung der Restwärme als Steuergröße wird die im Speicher eventuell verbliebene Restwärme bei der Aufladung mit berücksichtigt, so daß es zu keiner

ίο unerwünschten Überladung mehr kommen kann.

Eine Ausführungsform des Gegenstandes der Er findung sieht vor, die Außenlufttemperatur mittelbar über die Temperatur der der Außenluft zugekehrten Wandoberfläche des zu beheizenden Objekts zu messen. Diese Maßnahme führt dazu, daß bei der Feststellung des Wärmebedarfs die in der Wand des zu beheizenden Objekts vorhandene Wärme Berücksichtigung findet; nur von der Außenlufttemperatur auszugehen, kann insbesondere dann, wenn diese

sich schnell ändert, zu Fehleinschätzungen des Wärmebedarfs führen. Eine weitere Ausführungsform sieht die Verwendung von Halbleitern für die temperaturabhängigen Widerstände vor. Hierdurch wird die Wartungsfreiheit der Vorrichtung noch gesteigert.

Im folgenden werden zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung die theoretischen Grundlagen mitgeteilt, wobei darauf hingewiesen sei, daß bei den veränderlichen Widerständen an Stelle von solchen mit wachsender Wider-Standscharakteristik selbstverständlich auch solche mit fallender Widerstandscharakteristik, und zwar bei allen gleichzeitig, in Anwendung kommen können.

Die erwähnten Widerstandswerte werden, wie dargestellt wurde, in einer Meßschaltung summiert. Dies läßt sich in folgender Gleichung erfassen:

Witterung

Restwärme

Ladezeit Konstante

Die einzelnen Summanden setzen sich wie folgt zusammen:

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1. Der Witterungswiderstandswert besteht aus dem

a) Festwiderstand R_wo, z. B. bezogen auf 20° C Gebäudewandtemperatur,

b) variablen Wert Δ t_w ■ <x„, in dem Δ t_w die Temperaturdifierenz gegenüber 20° C = t„ — 20 "C, a_w der Temperaturkoeffizient (Ω/° C) ist.

2. Der Restwärmewiderstandswert besteht aus dem

a) Festwiderstandswert R₀₀, z.B. bezogen auf 20° C Speicheroberflächentemperatur (an Stelle der Ofenkerntemperatur, die schlecht meßbar ist),

b) variablen Wert Δ t„ ■ t\_q, in dem A t_q die Temperaturdifierenz gegenüber 20° C = f, - 20° C,

a_Q der Temperaturkoeffizient (Q/°C) bedeutet.

3. Der Ladezeitwiderstandswert besteht aus dem

a) Festwiderstandswert R_h0 des Potentiometers zum Zeitpunkt der Ladezeitfreigabe, z. B. 22 Uhr.

b) variablen Wert Z₁, ■ &_h, in dem Z_h Zeitabstand in Stunden (Sperrzeit) nach der Freigabe der tariflich begünstigten Ladezeit, z. B. nach 22 Uhr, und α_Λ die Widerstandsänderung je Stunde bedeutet.

4. K ist ein vorgegebener Festwiderstand.

Je nachdem die variablen Anteile der beiden ersten Summanden größer oder kleiner entsprechend einer kleineren oder größeren Witterungs- bzw. Ofenrestwärmetemperatur sind, fällt der Wert Z_h (Einschaltzeitraum nach 22 Uhr) kleiner oder größer aus; d. h., die Ladung des Wärmespeichers beginnt entsprechend früher oder später.

Setzt man die obengenannte Gleichung für die Werte R_w0 bis K die durch die Meßwiderstände vorgegebenen und für die übrigen Widerstände entsprechend gewählten Zahlenwerte ein und löst sie nach Z_1x auf, so erhält man für den Beginn der Ladezeit nach 22 Uhr die Gleichung

Z„ = 1,320 + 0,200^

wobei nur noch t_w (die Gebäudeoberflächentemperatur) und t_q (die Speicheroberflächentemperatur) einzusetzen sind.

Beispiele

1. Bei einem t_w = +20° C und einem t_q von 20° C (Übergangsjahreszeit) würde Z_h = 8 Stunden betragen, also die Aufladung um 6 Uhr früh zum Ende der freigegebenen Ladezeit erst beginnen können, d. h., es findet gar keine Speicherung statt.

2. Bei einem t_w = 0° C und einem /, von 20° C (mittlere Winterverhältnisse) würde·Ζ_Λ = 4 Stunden betragen, d. h., die Aufladung würde um

2 Uhr beginnen.

3. Bei einem t_w = — 20⁰C und einem /„ von 2O⁰C (starker Frost) würde Z_n = 0 Stunden betragen, d. h., die Aufladung würde sofort um 22 Uhr zum Zeitpunkt der Freigabe beginnen.

4. Bei einem t_w = — 20⁰C und einem t„ von 4O⁰C (starker Frost, jedoch Restwärme im Ofen) würde Z_h = 2,7 Stunden betragen, d. h., die Auf- ^ao ladung würde um 0,42 Uhr beginnen.

Tritt nach dem Beginn der Ladung eine Erhöhung der Außenlufttemperatur ein, so wird im Falle der Erfindung sofort die Ladung unterbrochen. Die erfindungsgemäße Regelung wirkt daher gleichzeitig al; Überladcsicherung.

Ein nach der vorstehenden Gleichung arbeitendes Oerat ist schematisch in der Figur dargestellt

Darin bezeichnet 1 den Widerstand des unmittelbar an der Gebäudewand gelegenen Witterungsfühlers, 2 den Widerstand des am Speicherofen 9 gelegenen Restwärmefühlers, und 3 den Widerstand des durchdrehbaren Potentiometers, welches über die Achse 4« von einer Uhr oder einem sonstigen elektromotorischen Zeitwerk 4 verstellt wird.

Die genannten Widerstände sind in Reihe geschaltet. Ihre Summe wird innerhalb der Meßschaltung 5 die von einer Konstant-Spannungsquelle 7 gespeist wird, mit einem vorgegebenen konstanten Widerstand Π verglichen. Im Falle der Übereinstimmung beider werte werden Steuervcirgänge ausgelöst, die das Einschalten des Ladeschalters 6 bewirken, der das Netz 10 an den Speicherofen 9 legt.

λ-⁰⁰W ^Patentschutz umfaßt jeweils nur die Merkmale eines jeden Anspruchs in ihrer Gesamtheit einschließlich der Rückoeziehungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Steuern der Aufladung von Wärmespeicher-Raumheizöfen, insbesondere von solchen mit elektrischem Strom als Energieträger, mit Wärmeenergie in Billigzeitperioden, bei der als Steuergröße fortlaufend die Außenlufttemperatur herangezogen wird und bei der der Zeltpunkt des Aufladebeginns sich selbsttätig so einstellt, daß erst am Ende der jeweiligen Billigzeitperiode die Ladung beendet ist, bei der ferner die Außenlufttemperatur durch einen elektrischen, temperaturabhängigen Widerstand dargestellt ist, der derart arbeitet, daß niedrigeren Meßtemperatüren zunehmende Widerstandswerte zugeordnet sind, und der mit einem vorgegebenen konstanten Widerstand und einem durch eine Uhr oder ein elektromotorisches Zeitwerk angetriebenen Drehwiderstand (Potentiometer) mit wachsender Wi- ao derstandscharakteristik zu einer Meßschaltung zusammengeschaltet ist, in der die Widerstände elektrisch miteinander verglichen werden und durch die bei Erreichen eines bestimmten Vergleichswertes Steuervorgänge ausgelöst werden, die das Betätigen des den Zutritt des Energieträgers zum Wärmespeicher freigebenden Organs bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Außenlufttemperatur auch die von der vorangegangenen Lade-Entlade-Periode im Wärmespeicher verbliebene Restwärme als Steuergröße erfaßt und durch einen elektrischen, temperaturabhängigen Widerstand (2) dargestellt wird, der ebenfalls so arbeitet, daß niedrigeren Meßtemperaturen zunehmende Widerstandswerte zugeordnet sind, und daß die temperaturabhängigen Widerstände (1, 2) und der Drehwiderstand (3) in Reihe geschaltet sind, wobei die Steuervorgänge dann ausgelöst werden, wenn die Summe der Widerstandswerte der veränderlichen Widerstände mit dem Widerstandswert des vorgegebenen konstanten Widerstandes (11) übereinstimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Außenlufttemperatur in an sich bekannter Weise mittelbar über die Temperatur der der Außenluft zugekehrten Wandoberfläche des zu beheizenden Objekts erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Widerstände in an sich bekannter Weise aus Halbleitern bestehen.