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Steuerung für eine Heizungsanlage
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung für eine
Heizungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Es sind von einem Kessel über einen Mischer betriebene Heizungsanlagen
bekanntgeworden, bei denen im Kesselkreis eine relativ hohe Kesseltemperatur gefahren
wird, während der Verbraueherzweig über den Mischer mit einer niedrigeren Vorlauftemperatur
beaufschlagt wird. Die Verbindung beider Kreise geschieht über die mischergesteuerte
Beimischstrecke. Die Pumpe ist bei einer solchen Anlage regelmäßig im Verbraucherzweig
angeordnet.
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Diese an und für sich befriedigend arbeitende Konstruktion führt zu
nicht mehr tragbarem Wärmeverlust im Kesselkreis, wenn bei niedrigen
Vorlauftemperaturen
mit hoher Kesselter,lperabur gefahren wird. Es ist andererseits aber notwendig,
die Kesseltemperatur auf einem bestimmten Mindestwert zu halten, um Taupunktskorrosion
im Kessel oder einer anderen Wärmequelle zu vermeiden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kesseltemperatur
oder allgemeiner die Wärmequellentemperatur bei Beibehaltung eines Mischers im Mischbetrieb
so niedrig wie irgend möglich zu halten, ohne in den Taupunktkorrosionsbereich zu
gelangen.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der im kennzeichnenden Teil
des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahme.
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Als technischer. Vorteil tritt hierbei in Erscheinung, daß unter Beibehaltung
der im Mischer liegenden Regelvorteile für die Heizungsanlage, die Verluste im Kesselkreis
aufgrund der niedrigen Kesseltemperatur minimiert werden.
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Weitere Ausgestaltungen besonders vorteilhafter Weiterbildungen der
Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Anhand der Figuren eins bis drei der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert. Es bedeuten Figur eins ein Diagramm bei dem die Kesseltemperatur
und die Heizungsvorlauftemperatur in Abängigkeit von der Außentemperatur dargestellt
ist, Figur zwei eine schematische Darstellung einer Heizungsanlage mit Meßfühlern,
Regler und Kessel und Figur drei ein Schaltdiagramm-des Reglers.
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In allen drei Figuren bedeuten gLeiche Bezugszeichen jeweils die gleichen
Einzelheiten.
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In Figur eins sind zwei verschiedene Heizkurven 1 und 2 dargestellt,
die unterschiedliche Steilheiten aufweisen. Die Steilheiten der Heizkurven 1 und
2 können an einem Sollwertgeber, nämlich dem Widerstand 3 in Figur drei, eingestellt
werden. Es besteht neben einer Steilheitsänderung (Winkeländerung um den Punkt beispielsweise
200 C bei ifrA) auch die Möglichkeit einer Parallelverschiebung der Heizkurve, dies
kann über die Widerstände 4 und 5 für Tag- und Nachtbetrieb geschehen.
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Der jeweils einstellbaren Heizkurve 1 oder 2 ist eine bestimmte Kesseltemperatur
zu K1 oder > K2 zugehörig, die als entsprechende Kurven 6 oder 7 eingezeichnet
sind. Die Kurven 6 oder 7 verlaufen parallel, d.h. im konstanten Abstand und oberhalb
zur jeweils vorgegebenen Heizkurve 1 oder 2. Bei einer Steilheitsänderung der jeweiligen
Heizkurve ändert sich die Steilheit der Kurven 6 oder 7 ebenso, auch bei einer Parallelverschiebung
der Heizkurven 1 oder 2 ändert sich die Lage der Heizkurven 6 oder 7 um den gleichen
Betrag und in gleicher Richtung.
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Es ist vorgesehen, daß die Wärmequelle, sei es gas- oder ölbetriebener
Kessel oder Speicher, in der Betriebsweise nicht unter eine Millimaltemperatur von
beispielsweise 450 C gebracht werden darf, die als Kurve 8 eingezeichnet ist. Das
bedeutet, daß man mit der Kesselvorlauftemperatur der Heizkurve nur soweit folgen
kann, bis die Kesselvorlauftemperatur die Minimalbegrenzungstemperatur gemäß der
Kurve 8 erreicht.
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Es ist hervorzuheben, daß sich die Kesselvorlauftemperatur, beispielsweise
nach der Kurve 7 aus der Heizkurve, hier nach der Kurve 2 unter Addition eines Festwertsignals
9 ergibt. Die Vorlauftemperatur des Verbrauches JV ergibt sich somit aus der Kesseltemperatur
abzüglich des Festwertes a J .
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Die Heizungsanlage gemäß Figur 2 weist eine brennstoffbeheizte Wärmequelle
12 in allgemeiner Form auf, für die baulich keine Beschränkung besteht.
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Die Wärmequelle 12 besitzt eine Kesselvorlaufleitung 13, die an einen
Anschluß eines von einem Motor 14 angesteuerten Mischers 15 mündet. Vom Mischer
15 geht eine Beimischleitung 16 zur Rücklaufleitung 17, die einerseits über eine
Leitung 18 als Kesselrücklaufleitung an die Wärmequelle 12 angeschlossen ist, andererseits
an einen Verbraucher 19 geführt ist, der in an sich bekannter Weise aus einer Vielzahl
parallel oder in Serie geschalteter Heizkörper und/oder einem Brauchwasserwärmetauscher
bestehen kann.
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Der Mischer 15 ist über eine Heizungsvorlaufleitung 20, in die eine
Pumpe 21 eingeschaltet ist, gleichfalls mit dem oder den Verbrauchern 19 verbunden.
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Statt eines 3-Wege-Mischers kann ebenso ein 4-Wege-Mischer verwendet
werden, die Pumpe könnte auch rücklaufseitig, aber immer im Verbraucherkreis angeordnet
sein.
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Ein Regler 22 besitzt Meßstelleneingänge für einen AuRentemperaturfühler
23, der über Verbindungsleitungen 24 angeschlossen ist, für einen Raumtemperaturfühler
25, der über Verbindungsleitungen 26 angeschlossen ist, einen Vorlauftemperaturfühler
27, der über Verbindungsleitungen 28 angeschlossen ist und einen Kesseltemperaturfühler
29, der über Leitungen 30 angeschlossen ist. Die Fühler können insgesamt aus NTC-Widerständen
aufgebaut sein.
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Auf den Regler wirkt ein Sollwertgeber 31 ein, dem die drei Widerstände
3, 4 und 5 gemäß Figur drei zugeordnet sind.
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Ein Stellglied des Reglers besteht aus einem Magnetventil 32, das
im Zuge einer Brennstoffzuleitung 33 zu einem Brenner 34 angeordnet ist. Das Magnetventil
32 ist von einer Spule 35 beaufschlagt, die über eine Leitung 36 direkt mit MP und
mittels einer Leitung 37, die über Ruhekontakte 38, 39 und den Arbeitskontkakt 40
führt, mit dem Anschluß R eines Netzes verbunden. Der Kontakt 38 gehört zu einem
Sicherheitstemperaturbegrenzer für den Kessel, und der Kontakt 39 gehört zu einem
Kesselthermostat. Der eben beschriebene Stellkreis ist also bei entsprechender Einstellung
des Kesselthermostaten im wesentlichen abhängig von dem Kontakt 40 des eigentlichen
Reglers 22.
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Der Regler 22 ist über zwei Leitungen 41 mit dem speisenden Netz gleichermaßen
verbunden.
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Der Motor 14 des Mischers 15 ist über drei Leitungen 42 ansteuerbar,
von denen der mittlere Anschluß an den Anschluß MP des Netzes gelegt
ist,
während die beiden äußeren Anschlüsse je nach gewünschter Drehrichtung des Motors
14 vom Regler angesteuert werden.
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Gemäß Figur drei führen die Leitungen 41 Zu einem Netzteil 43, das
Gleichspannung auf zwei Leitungen 44 und 45 gibt. Die Leitung 44 ist mit einer Brücke
46, bestehend aus vier parallelen Zweigen 47, 48, 49 und 50, verbunden, die an ihrem
anderen Ende jeweils mit der Leitung 45 verbunden sind. Der Brückenast 47 besteht
aus einer Serienschaltung dreier Widerstände 51, 52 und 53, von denen der Widerstand
52 einstellbar ist, sein Schleiferanschluß 54 führt über einen Widerstand 55 zum
nicht invertierenden Eingang 56 eines Operationsverstärkers 57.
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Im Brückenzweig 48 ist eine Serienschaltung des Vorlauftemperaturfühlers
27 (NTC-Widerstand) mit einem Festwiderstand 58 vorgesehen, der gemeinsame Punkt
59 beider Widerstände 27 und 58 ist über eine Leitung 60, in die ein Festwertwiderstand
61 eingefügt ist, mit dem invertierenden Eingang 62 des Operationsverstärkers 57
verbunden.
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Der Brückenzweig 49 weist in seinem der Leitung 44 zugewandten Teil
den Außentemperaturfühler 23 (NTC-Widerstand) auf, der mit der'Wurzel eines Umschalters
63 verbunden ist, dessen Gegenkontakt 64 mit einer Reihenschaltung des Sollwertgeberwiderstandes
4 und eines Festwiderstandes 65 verbunden ist. Der andere Kontakt 66 ist mit der
Serienschaltung des anderen Sollwertgeberwiderstandes 5 mit einem weiteren Festwertwiderstand
67 verbunden. Die Festwertwiderstände 65 und 67 sind anderen Endes mit der Leitung
45 verbunden. Zwischen der Wurzel des Umschalters 63 und dem Außentemperaturfühler
23 ist über eine
Leitung 68 ein Festwertwiderstand 69 angeschlossen,
dessen andere Seite mit dem invertierenden Eingang 62 des Operationsverstärkers
57 verbunden ist. Die Leitung 68 ist weiterhin mit einer Leitung 70 verbunden, die
zu einem Widerstand 71 führt. Die Leitungen 70 und 68 sind schließlich noch mit
dem Sollwertgeberwiderstand 3 verbunden, dessen anderes Ende mit dem Brückenzweig
50 verbunden ist, und zwar zwischen Widerständen 72 und 73, die insgesamt diesen
Brückenzweig ergeben.
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Der Operationsverstärker 57 wird über die Leitungen 44 und 45 mit
Betriebsspannung versorgt, sein Ausgang 74 ist auf die Eingänge 75 und 76 zweier
Schmitt-Trigger 77 und 78 geschaltet. Diese Schmitt-Trigger sind Schaltelemente,
die erst ab einer gewissen einstellbaren Schwellenspannung an ihrem Eingang am Ausgang
ein bestimmtes Signal liefern. Sie schalten aber erst zurück, wenn das Eingangssignal
bei Rückläufigkeit einen kleineren Wert annimmt als beim Verlauf in der eben beschriebenen
Charakteristik. Die Ausgänge 79 und 80 der Schmitt-Trigger sind mit je einer Spule
81 bzw. 82 verbunden, deren Verbindung auf einem Bezugspunkt 83 liegt. Die Spulen
81 und 82 betätigen Kontakte 84 und 85, an denen die bereits erwähnten Leitungen
42 angeschlossen sind.
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Vom invertierenden Eingang 62 des Operationsverstärkers 57 zu seinem
Ausgang 74 ist ein Festwertwiderstand 86 geschaltet, der von einem Kondensator 87
überbrückt ist.
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Der Widerstand 71 ist über eine Leitung 88, in die noch ein Widerstand
89 eingefügt, ist mit einem invertierenden Eingang 90 eines
weiteren
Operationsverstärkers 91 verbunden, dessen nicht invertierender Eingang 92 über
einen Widerstand 93 mit einem Brückenast 94 verbunden ist. Der Brückenast 94 besteht
aus der Serienschaltung eines Festwertwiderstandes 96 in einem Brückenzweig und
aus einer Serienschaltung eines Trimmpotentiometers 97 mit dem als NTC-Widerstand
ausgebildeten Kesselteperaturfühler 29, dieser Brückenzweig 94 ist gleichermaßen
mit den Leitungen 44 und 45 verbunden. Parallel zu dem Brückenzweig 94 liegt der
weitere Brückenast 98, der aus der Serienschaltung eines Festwertwiderstandes 99
und eines Trimmpotentiometers 100 mit einem weiteren Festwertwiderstand 101 besteht.
Der Abgriffanschluß 102 des Trimmpotentiometers ist über eine Leitung 103 mit der
Basis 104 eines Transistors 105 verbunden, dessen Emitter 106 mit der Leitung 88
und dessen Kollektor 107 mit der Leitung 45 verbunden ist.
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Der Ausgang 108 des Operationsverstärkers 91, der im übrigen über
einen Widerstand 109 mit dem invertierenden Eingang 90 verbunden und über Leitungen
110 bzw. 111 an Betriebsspannung der Leitungen 44 und 45 angeschlossen ist, führt
zu einem weiteren hysteresebehafteten Schmitt-Trigger 112. Der Ausgang 113 des Schmitt-Triggers
112 ist mit einer Spule 114 eines Relais verbunden, dessen Kontakt 40 im Zuge der
Leitung 37 angeordnet ist. Die Spule liegt an ihrem anderen Ende auf dem Bezugspotential
83.
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Es wird davon ausgegangen, daß die Heizungsanlage in einem betriebsmäßigen
Ruhezustand ist, d.h., die Wärmequelle abgeschaltet, die gesamte Heizungsanlage
aber warm ist. Das bedeutet, daß zu irgendeinem Zeitpunkt der Vorlauftemperaturfühler
27 so weit abgekühlt
ist, daß auf der Leitung 60 ein Signal erscheint,
das um eine bestimmte Differenz negativer ist als das Signal am Vergleichszweig,
gegeben durch den Punkt 54. Als Folge dieser Spannungsdifferenz wird der Kondensator
87 aufgeladen, so daß der Ausgang 74 von der Spannungshöhe gemäß dem Bezugspotential
83 in Richtung des Spannungsniveaus geht, das der Leitung 44 entspricht. Der Widerstand
86 dient der Proportionalbereichseinstellung. Bei Erreichen der Durchschaltschwelle
des Schmitt-Triggers 78 schaltet der Schmitt-Trigger durch, wodruch die Spule 81
unter Strom gesetzt wird, d.h., der Kontakt 84 schließt. Damit läuft der Mischer
15 in Richtung einer stärkeren Verbindung der Kesselvorlaufleitung 13 mit der Heizungsvorlaufleitung
20 an. Die Pumpe 21 ist hiervon unberührt, sie liegt permanent an Betriebsspannung.
Gleichzeitig werden auch die Widerstände 115 und 116, die die Ausgänge der Schmitt-Trigger
miteinander verbinden, vom Ausgangsstrom des Schmitt-Triggers 78 durchflossen, womit
für den Kondensator 87 ein Entladestromkreis über die Leitung 117, den Widerstand
118 und die Leitung 119 entsteht..Die Spannung am Kondensator 87 sinkt wieder. Sowie
diese Spannung unter die niedriger liegende Rückschaltschwelle des Schmitt-Triggers
78 geht, schaltet der Schmitt-Trigger zurück. Damit wird die Spule 81 stromlos und
durch das öffnen des Arbeitskontaktes 84 wird der Mischermotor 14 stromlos. Das
bedeutet, daß auf diese Art und Weise ein taktende Angleichung der Mischerstellung
an eine geforderte höhere Vorlauftemperatur der Leitung 20 erreicht werden kann.
Sollte im umgekehrten Falle infolge mangelnder Wärmeabnahmç in dem oder den Verbrauchern
19 die Vorlauftemperatur den eingestellten Referenzwert am Sollwert-Widerstand 52
überschreiten, so schaltet hierbei der Schmitt-Trigger 77 durch, was zu einer Beaufschlagung
der
Spule 82 und zu einem Schließen des Arbeitskontaktes 85 führt. Ein Schließen des
Kontaktes 85 bewirkt eine taktende Verstellung des Mischers 15 in Richtung einer
Absperrung der Wärmequellenvorluafleitung 13 von der Heizungsvorlaufleitung 20.
Der Kondensator 87 wird hierbei gleichermaßen aufgeladen, nur in anderer Richtung.
über die nunmehr in entgegengesetzter Richtung stromdurchflossenen Widerstände 116
und 115 wird auch die Kondensatorspannung wieder abgebaut, so daß der Schmitt-Trigger
77 zurückschaltet.
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Während die Funktion des Reglers bislang ausgehend von dem Sollwert-Widerstand
52 betrachtet wurde, wird dieselbe Wirkung auch über den Außentemperaturfühler 23
erzielt. Je nach dem, ob die an ihm abfallende Spannung, die auf die Leitung 68
gegeben wird, größer oder kleiner als der Istwert am Vorlauftemperaturfühler 27
ist, wird über den Operationsverstärker 57 entweder der eine oder andere Schmitt-Trigger
77 oder 78 angesteuert und der Mischermotor 14 in die eine oder andere Richtung
taktend bewegt. Das bedeutet,daß einer steigenden Außemtemperatur, d.h., ein abnehmender
Widerstandswert des Fühlerwiderstandes 23, ein Schließen des Mischers 15 über den
Schmitt-Trigger 77 zugeordnet ist, während bei sinkender Außentemperatur ein Beaufschlagen
des Mischers über den Schmitt-Trigger 78 stattfindet.
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über die an den Sollwert-Widerständen 4 und 5 bei Tagbetrieb (Widerstand
4) bzw. Nachtabsenkung (Widerstand 5) abgegriffenen Spannungen kann der Mischer
15 im Sinne einer Nachtabsenkung so betrieben werden, daß zu gewissen Zeiten der
Temperaturwert der Vorlaufleitung 20 kleiner gehalten wird Hierzu ist es möglich,
den Kontakt 63 von einer Schaltuhr zu steuern.
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Der einstellbare Sollwertgeber-Widerstand 3 dient der Veränderung
der Steilheit, das bedeutet, daß je nach Stellung dieses Widerstandes der Außentemperaturfühler
23 über die Widerstände 72 und 73 mehr oder weniger gedämpft wird.
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Das erfindungsgemäße Festwertsignal, das zu der Heizkurve 1 und 2
addiet wird, kommt dadurch zustande, daß der Kontakt 40 der Wärmequelle in bestimmter
Weise geöffnet oder geschlossen wird.
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Hierzu wird in dem Brückenast 94 der jeweilige Wert der Kesseltemperatur,
der einem Widerstandswert des Widerstandes 29 entspricht, verglichen mit der Außentemperatur
und der Einstellung der Steilheit und Parallelverschiebung, entsprechend einem bestimmten
Widerstandswert der Widerstände 23, 3, 4 und 5. Eine Abweichung zwischen den Spannungen
auf der Leitung 88 und'dem Abgriff des Astes 94 führt zu einem Durchschalten des
Operationsverstärkers 91, so daß in vorhin beschriebener Art und Weise der Schmitt-Trigger
112 durchschaltet, die Spule 114 unter Strom setzt und den Kontakt 40 im Sinne einer
Beaufschlagung der Wärmequelle betätigt. Das bedeutet, daß die Kesseltemperatur
stets das Bestreben hat, sich der Vorlauftemperatur anzupassen. Da aber in'dem Brückenast
94 noch der einstellbare Festwiderstand 97 vorgesehen ist, müssen beide Spannungen
um einen einstellbaren aber konstanten Wert auseinander liegen, da der Spannungsabfall
im Brückenast 94 in der-Schaltung des jeweils eingestellten Anteils am Widerstand
97 zuzüglich dem Widerstandswert des Fühlers 29 besteht, die entsprechende Spannung
im Brückenast 49 aber lediglich aus dem Widerstandswert des Widerstandes 23.
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Der Brückenast 98 dient einer Begrenzung, da hier die jeweilige Kurve
6 und 7 entsprechend der Wärmequellentemperatur nicht unter den Minimalwert entsprechend
der Kurve 8 gehen darf.
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Hierzu ist der Transistor 105 vorgesehen, der je nach der am Widerstand
100 abgegriffenen Spannung den Spannungswert auf der Leitung 88 nicht unter einen
bestimmten Betrag absinken läßt, so daß dem Operationsverstärker 91 ein zu hoher
Vorlauftemperatursollwert vorgetäuscht wird. Der Widerstand 71 dient lediglich als
Entkopplungswiderstand.