DE4444322A1 - Verfahren zum Steuern eines elektrisch beheizten Warmwasserbereiters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines elektrisch beheizten Warmwasserbereiters gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solches Verfahren wurde zum Beispiel durch die DE-PS 37 12 648 vorgeschlagen, bei dem aus einzelnen Störgrößen ge­ sonderte kompensierende Zusatzleistungen ermittelt werden, mit denen einer der abströmseitigen Heizkörper zeitverzögert beauf­ schlagt wird. Die Wirkung einer jeden Störgröße wird dabei se­ parat betrachtet und als Kompensationsvorschrift in einer Steuerung abgelegt. Nach dem bekannten Verfahren soll durch Überlagerung aller Kompensationsleistungen ein schwankungs­ freier Verlauf der Auslauftemperatur erreicht werden. Aller­ dings ist bei diesem bekannten Verfahren nicht klar, nach wel­ chem Algorithmus diese Kompensationsvorschriften errechnet wer­ den sollen. Außerdem ist unklar, wie die Kompensationsleistun­ gen und die Verzögerungszeiten zu ändern sind, wenn sich wäh­ rend der Kompensationsphase eine Eingangsgröße ändert. Dadurch ist es aber nicht möglich, die Auslauftemperatur bei sich än­ dernden Eingangsgrößen in ausreichendem Ausmaß konstant zu hal­ ten.

Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei dem ein hohes Maß an Konstanthaltung der gewünschten Auslauftemperatur auch bei einer Änderung der Eingangsparameter, wie Wasserdurch­ fluß und Einlauftemperatur sichergestellt ist.

Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Idee zugrunde, die aktuellen Temperaturen in den einzelnen Stufen des Heizblockes innerhalb der Leistungssteuerung zu berechnen. Dazu werden die wesentlichen thermischen Eigenschaften des Heizblockes rechne­ risch innerhalb einer Leistungssteuerung nachgebildet, um den Verlauf der Ist-Temperaturen im gesamten Heizblock zu erhalten.

Während der Übergangszeit von durch Änderungen der Eingangs­ größen, wie Einlauftemperatur und Durchfluß, bedingten Lei­ stungsänderungen kann dann anhand eines Vergleiches der be­ rechneten Ist-Temperaturen mit dem vorgesehenen Soll-Wert in­ nerhalb der letzten Stufe des Heizblocks die Leistung dieser Stufe so gesteuert werden, daß die gewünschte Temperatur am Auslauf des Warmwasserbereiters möglichst schnell erreicht und konstant gehalten werden kann.

Dies wird durch die ständige Berechnung der Temperaturen aller Teilvolumina ermöglicht, wobei aufgrund der vorgegebenen Soll- Auslauftemperatur und der Temperatur im dem Auslauf unmittelbar vorgeordneten Teilvolumen die dem Steuerheizkörper zuzuführende Leistung errechnet werden kann. Auf diese Weise kann bei Ände­ rungen der Eingangsparameter sehr rasch die Leistung der Steu­ erstufe angepaßt und die Auslauftemperatur auf ihren vorgesehe­ nen Wert gebracht werden, wobei es auch zu einem Umschalten der der Steuerstufe vorgeordneten schaltbaren Heizkörper kommen kann, ohne daß die Wirksamkeit der Kompensationsmaßnahme da­ durch vermindert wird.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ist es möglich, die Genau­ igkeit der Berechnung der Temperaturen der einzelnen Teilvolu­ mina zu erhöhen, wodurch im Falle einer Änderung der Eingangs­ parameter die vorgesehene Auslauftemperatur rasch wieder er­ reicht werden kann.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ist ein rasches Reagieren auf eine Verminderung der Durchflußgeschwindigkeit und dem da­ durch bedingten verminderten Energiebedarf möglich, wodurch eine stärkere Überschreitung der vorgesehenen Auslauftemperatur vermieden wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch einen elektrisch beheizten Warmwasserberei­ ter und

Fig. 2 schematisch die Anordnung der Teilvolumina.

Der Warmwasserbereiter nach der Fig. 1 weist drei schaltbare Heizkörper H1, H2, H3 auf, die in einem von Wasser durchström­ baren Rohr 2 angeordnet sind, wobei vor dem Auslauf des Rohres 2 ein Steuerheizkörper H4 angeordnet ist. Die einzelnen Heiz­ körper H1, H2, H3, H4 sind über eine Leistungssteuerung 1 mit Spannung versorgbar. Dabei sind die Heizkörper H1, H2 und H3 über Ein-Aus-Schalter gesteuert, wogegen der Steuerheizkörper H4 stufenlos steuerbar ist.

Weiters ist die Leistungssteuerung 1 mit einem der Soll-Aus­ lauftemperatur T_soll entsprechenden Signal und einem dem aktu­ ellen Volumenstrom durch das Rohr 2 entsprechenden Signal V versorgt. Die Leistungssteuerung 1 ist an ein Drehstromnetz L₁, L₂, L₃ angeschlossen.

Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, ist das Volumen des Rohres 2 zwischen dem Einlauf und dem Auslauf in eine Reihe von Teilvo­ lumina V_i aufgeteilt, die mit V₀, in dem die Einlauftemperatur T_ein herrscht, bis V_N, in dem die Auslauftemperatur herrscht, bezeichnet sind.

Aus der Einlauftemperatur und der den einzelnen Heizkörpern H₁, H₂, H₃ und H₄ zugeführten Leistung wird die Temperatur des Was­ sers in jedem der Teilvolumina berechnet, wie dies bereits er­ läutert wurde.

Aufgrund des ermittelten Volumenstromes V, der Einlauftempera­ tur T_ein und der vorgewählten Soll-Auslauftemperatur T_soll wird der Leistungsbedarf ermittelt, wobei über die schaltbaren Heiz­ körper H₁, H₂ und H₃ eine geringere als die errechnete Leistung zugeführt wird und die Leistung P₄ des Steuerheizkörpers H₄ während einer Kompensationsphase nach der Beziehung

P₄ = (T_soll · T_N-1) · V_S · c/tr

errechnet wird, wobei T_N-1 die Temperatur im Teilvolumen V_N-1, welches das letzte im Bereich des Steuerheizkörpers H₄ ist, V_S das Schrittvolumen, das dem Volumen eines jeden Teilvolumens V_i (V₀ bis V_N) entspricht, c die volumenspezifische Wärmekapazität des Wassers und tr die Restzeit bedeuten, die das Teilvolumen T_N-1 noch innerhalb des Steuerheizkörpers H₄ verbleibt.

Im Fall, daß im Teilvolumen V_N-1 eine über der Soll-Auslauftem­ peratur T_soll liegende Temperatur errechnet wird, wird die Lei­ stung des Steuerheizkörpers H₄ auf Null reduziert.

Claims (3)

1. Verfahren zum Steuern eines elektrisch be­ heizten Warmwasserbereiters, der neben mehre­ ren schaltbaren Heizkörpern einen am Auslaufende des Wasserbereiters angeordneten stufenlos steuerbaren Steuerheizkörper auf­ weist und bei dem zur Einhaltung einer be­ stimmten Auslauftemperatur in Abhängigkeit von Änderungen bestimmter Parameter die Heizkörper geschaltet und der Steuerheizkör­ per gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des gesamten Heizblocks in äquidistante Wasserteilvolumina V_i, bzw. V₀ bis V_N aufgeteilt wird, die längs des Strö­ mungsweges hintereinander angeordnet sind und jeweils ein Schrittvolumen V_S aufweisen, wo­ bei das erste Teilvolumen (V₀) vor dem ersten Heizkörper vorgesehen und der Einlauftempera­ tur T₀ zugerechnet ist, das letzte Teilvolu­ men V_N nach dem Steuerheizkörper vorgesehen und der Auslauftemperatur T_N zugeordnet ist und die Temperaturerhöhung T_i eines jeden Teilvolumens V_i nach der Beziehung T_i = P_i · t_V · (V_S · c)^-1berechnet wird, wobei P_i die dem Element i während einer Verweilzeit t_V elektrisch zuge­ führte Leistung [W] ist, t_V die Verweilzeit [s] innerhalb eines Teilvolumens (V_i), das heißt, jene Zeit ist, die bei dem aktuellen Volumenstrom V des Wassers benötigt wird, um ein Teilvolumen V_i zu durchströmen, V_S das Schrittvolumen [ml] und c die volumenspezifi­ sche Wärmekapazität von Wasser unter Nor­ malbedingungen [4,176 Ws/(K·ml)^-1] bedeuten, wonach in einem zweiten Schritt alle Teilvo­ lumina V_i um eine Position weitergeschoben und erneut die Temperaturerhöhung T_i aller Teilvolumina V_i für die nächste Verweilzeit t_V berechnet wird, die nach der Beziehung:t_v = V_S · V^-1errechnet wird, wobei V den aktuellen Volu­ menstrom [l/s] des Wassers bedeutet und die Leistung P_St der Steuerstufe nach der Bezie­ hung:P_St = (T_soll - T_N-1) · V_S · c/t_rerrechnet wird, wobei T_soll die Soll-Auslauf­ temperatur, T_N-1 die Temperatur des letzten Teilvolumens der Steuerstufe und t_r die Rest­ zeit [s], die das Teilvolumen V_N-1 noch in­ nerhalb der Steuerstufe verweilt, bedeuten, wobei im Fall, daß T_N-1 < T_soll ist, die Lei­ stung der Steuerstufe auf Null zurückgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei der Berechnung der Tempera­ tur der einzelnen Teilvolumina der Wärmeüber­ gang zwischen dem Wasser einzelner Teilvolu­ mina und dem zugehörigen Heizblock berück­ sichtigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Temperatur aller Teil­ volumina berücksichtigt und bei Überschreiten der Soll-Auslauftemperatur T_soll in einem Teilvolumen V_i die Leistung des Steuerheiz­ körpers vermindert wird.