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Verfahren zur leistungsmässig gesteuerten Inbetriebnahme bzw. Ab-
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schaltung von Heizkesseln Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur leistungsmässig gesteuerten Inbetriebnahme bzw. Abschaltung von Heizkesseln
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind Verfahren zur Zu- und Abschaltung von Wärmeerzeugern bekannt,
bei denen das nötige Schaltkriterium aus den Abweichungen der Vorlauftemperatur
vom Sollwert abgeleitet wird (DE-PS 31 12 220). Dabei ist keine Gewähr geboten,
dass jeder Heizkessel möglichst nahe seinem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden
kann. Der Heizkesselwirkungsgrad sinkt im allgemeinen mit geringer werdender Kesselbelastung
ab, jedoch gibt es Heizkessel, deren grösster Wirkungsgrad unterhalb ihrer Vollast
erreicht wird, während bei Vollast der Wirkungsgrad wieder kleiner ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
bei dem wenigstens zwei Heizkessel energieoptimal zu- oder abgeschaltet werden können.
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Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 bis 8 gekennzeichnet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
einzigen Zeichnungsfigur näher erläutert.
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Mit HK1 und HK2 sind zwei zueinander hydraulich parallel geschaltete
Heizkessel bezeichnet, die an einen gemeinsamen Sammelvorlauf 1 und einen Sammelrücklauf
2 eines weiter nicht dargestellten Heizungsnetzes angeschlossen sind. In einen Rücklauf
3 des ersten Heizkessels HK1 sind ein erster Dreiwegmischer 4 und eine erste Umwälzpumpe
5 eingebaut. Vom Dreiwegmischer 4 führt eine erste Beipassleitung 6 zu einem Vorlauf
7 des Heizkessels HK1, wobei der Dreiwegmischer 4 hydraulisch so geschaltet ist,
dass er in seiner einen Endstellung den Zufluss vom Sammelrücklauf 2 und in seiner
zweiten Endstellung die Beipassleitung 6 absperrt. Steht der Heizkessel HK1 nicht
in Betrieb, dann ist der Zufluss vom Sammelrücklauf 2 verschlossen und
die
Umwälzpumpe 5 ausgeschaltet.
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Der zweite Heizkessel HK2 ist dem ersten Heizkessel HK1 parallel geschaltet
und die Beschaltung ist der des Heizkessel HK1 entsprechend. In einem Rücklauf 8
des Heizkessels HK2 sind ein zweiter Dreiwegmischer 9 sowie eine zweite Umwälzpumpe
10 eingebaut. Vom zweiten Dreiwegmischer 9 führt eine zweite Beipassleitung 11 zu
einem Vorlauf 12 des Heizkessels HK2, wobei der zweite Dreiwegmischer 9 hydraulisch
analog zum ersten Dreiwegmischer 4 so geschaltet ist, dass er in seiner einen Endstellung
den Zufluss vom Sammelrücklauf 2 und in seiner zweiten Endstellung die Beipassleitung
11 absperrt.
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Steht der Heizkessel HK2 nicht in Betrieb, dann ist der Zufluss vom
Sammelrücklauf 2 verschlossen und die Umwälzpumpe 10 ausgeschaltet.
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Der Vorlauf 7 des Heizkessels HK1 und der Vorlauf 12 des Heizkessels
HK2 münden in den Sammelvorlauf 1; der Sammelrücklauf 2 verzweigt in den Rücklauf
3 des Heizkessels HK1 und den Rücklauf 8 des Heizkessels HK2.
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Am Heizkessel HK1 sind ein erster Brenner 13 sowie ein erster Kesseltemperaturfühler
14 angebaut, am Heizkessel HK2 in analoger Weise ein zweiter Brenner 15 und ein
zweiter Kesseltemperaturfühler 16. Am Rücklauf 3 des Heizkessels HK1 ist ausserdem
ein erster Rücklauftemperaturfühler 17 montiert, am Rücklauf 8 des Heizkessels HK2
ein zweiter Rücklauftemperaturfühler 18.
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Ein Steuergerät 19 enthält einen Rechner 20 sowie die nötigen Ein-und
Ausgänge für die Messwerterfassung und für die Erteilung der nötigen Befehle. Ferner
weist es zwei Anschlüsse 21 für eine Speisespannung auf.
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Mit gestrichelten Linien sind elektrische Verbindungen vom Steuergerät
19 zu den einzelnen Apparaten gezeichnet. Ueber eine erste Steuerleitung 22 lässt
sich die Umwälzpumpe 5 ein- bzw. ausschalten, über eine zweite Steuerleitung 23
die Umwälzpumpe 10. Ueber eine erste Messleitung 24 bzw. eine zweite Messleitung
25 werden die von den Rücklauftemperturfühlern 17 bzw. 18 gemessenen Temperaturen
dem
Steuergerät 19 übermittelt. Eine weitere Steuerleitung 26 übermittelt
die Steuersignale vom Steuergerät 19 an einen ersten Mischerantrieb 27, der den
Dreiwegmischer 4 steuert. Analog dazu übermittelt eine weitere Steuerleitung 28
die Steuersignale vom Steuergerät 19 an einen zweiten, den Dreiwegmischer 9 steuernden
Mischerantrieb 29.
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Weitere Messleitungen 30 und 31 melden die von den Kesseltemperaturfühlern
14 bzw. 16 gemessenen Temperaturen an das Steuergerät 19.
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Ueber eine weitere Steuerleitung 32 übermittelt das Steuergerät 19
Befehle an den Brenner 13; mittels einer ersten Meldeleitung 33 meldet der Brenner
13 an das Steuergerät 19 zurück, ob er in Betrieb ist oder nicht. Entsprechend ist
der Brenner 15 mit dem Steuergerät 19 durch eine weitere Steuerleitung 34 und eine
zweite Meldeleitung 35 verbunden.
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Das hier zu beschreibende Verfahren der leistungsmässig gesteuerten
Inbetriebnahme bzw. Abschaltung von Heizkesseln ist nicht nur für eine Anlage gemäss
der Figur 1 anwendbar, sondern darüber hinaus sowohl für Kessel kaskaden mit mehr
als zwei Heizkesseln, als auch für Anlagen mit abweichender hydraulischer Schaltung.
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Jede Kombination aus Heizkessel und Brenner kann im Dauerbetrieb eine
bestimmte Maximalleistung abgeben. Deren Grösse wird dem Rechner 20 als Parameter,
zum Beispiel in Form einer Potentiometerstellung, eingegeben. Es ist aber auch möglich,
statt der Maximalleistung jedes Kessels das Verhältnis der Maximal leistungen der
installierten Kessel einzugeben. Weiterhin ist es möglich, dass man den Rechner
20 so ausbildet, dass er aufgrund der Zu- und Abschaltungen der einzelnen Heizkessel
und der sich daraus ergebenden Leistungsbilanzen selbstadaptierend in einem Lernverfahren
das Verhältnis der Maximalleistungen der Heizkessel erlernt.
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Bei einer gegebenen Last im Heizkreis wird der Brenner 13 bzw. 15
des in Betrieb stehenden Heizkessels HK1 bzw. HK2 - oder allenfalls auch beide -
vom Steuergerät 19 mit einem der Last entsprechenden Einschaltverhältnis ?, ein-
und ausgeschaltet. Das Steuergerät 19 kann aus den an den Melde leitungen 33 und
35 anstehenden Informationen darüber, ob die Brenner 13 bzw. 15 in Betrieb sind,
für den Brenner 13 das Einschaltverhältnis t1 und für den Brenner 15 das Einschalt-
verhältnis
g 2 ermitteln. Aus dem Produkt der von jedem Heizkessel HK1, HK2 bekannten Maximalleistung
und den laufend ermittelten Einschaltverhältnissen &1 für den Brenner 13 bzw.
& 2 für den Brenner 15 wird periodisch approximativ die momentane Leistung bestimmt.
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Daraus wird eine Gesamtleistungsbilanz erstellt, was so zu verstehen
ist, dass die momentan nötige Leistung mit der Leistungsfähigkeit der einzelnen
Heizkessel verglichen wird. Anhand dieses Vergleichs kann der Rechner 20 unter Berücksichtigung
des energieoptimalen Umschaltpunktes entscheiden, ob ein Heizkessel zu- oder abgeschaltet
werden soll.
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Der energieoptimale Umschaltpunkt berechnet sich in bekannter Weise
aus den Brennstoffbedarfs-Kurven der einzelnen Heizkessel und der Kesselkombination.
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Das Zuschalten eines Heizkessels ist nur dann sinnvoll, wenn die Last
nach dem Zuschalten während längerer Zeit so hoch ist, dass der Energiegewinn durch
den höheren Wirkungsgrad nach dein Zuschalten eines Heizkessels grösser ist als
der Energieaufwand für das Aufheizen des zuzuschaltenden Heizkessels. Um die Wahrscheinlichkeit
zu verringern, dass ein Heizkessel bereits bei einer nur kurzzeitigen Lasterhöhung
zugeschaltet wird, muss eine relativ lange Zuschalt-Wartezeit gewählt werden, während
der die Belastung über dein energieoptimalen Umschaltpunkt gewesen sein muss, ehe
ein weiterer Heizkessel zugeschaltet wird.
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Beim Abschalten eines Heizkessels muss andererseits die Belastung
während einer Abschalt-Wartezeit unter dein energieoptimalen Umschaltpunkt gewesen
sein, ehe der Heizkessel abgeschaltet wird.
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Der Rechner 20 kann das Zu- oder Abschalten der Heizkessel in einer
festgelegten Reihenfolge veranlassen. Es ist aber auch möglich, den Rechner 20 so
zu programmieren, dass er aufgrund der Gesamtleistungsbilanz jenen Heizkessel auswählt,
der den Wärmebedarf langfristig mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad zu erbringen
vermag. Bei Anlagen mit mehr als zwei Heizkesseln kann der Rechner 20 unter Berücksichtigung
des
höchstmöglichen Wirkungsgrades auch mehr als einen Heizkessel zu-oder abschalten.
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Für einen energieoptimalen Betrieb muss der Verlauf des Kesselwirkungsgrades
über der Belastung jedes Heizkessels berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung
des Wirkungsgradverlaufs der einzelnen Heizkessel kann auf verschiedene Art und
Weise erfolgen. Es ist möglich, in einem dem Rechner 20 zugeordneten Speicher den
Verlauf der Wirkungsgradkurven in Funktion der Belastung abzulegen, beispielsweise
derart, dass für jeden Heizkessel eine Anzahl von Wertepaaren abgespeichert wird,
zwischen denen zu interpolieren der Rechner 20 imstande ist. Der Rechner 20 kann
aus den Wirkungsgradkurven der einzelnen Heizkessel die energieoptimalen Umschaltpunkte
selbst berechnen. Eine andere Lösung besteht darin, aus den Daten der installierten
Heizkessel in bekannter Weise die energieoptimalen Umschaltpunkte für die einzelnen
Heizkessel vor Inbetriebnahme der Anlage zu berechnen und dem Rechner 20 beziehungsweise
dessen Speicher diese energieoptimalen Urnschaltpunkte einzugeben.
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Die relativ lange Zuschalt-Wartezeit muss dann als zu lang angesehen
werden, wenn der in Betrieb stehende Heizkessel auf Vollast läuft und den Leistungsbedarf
nicht mehr decken kann. Bei Vollast-Betrieb wird deshalb anstelle der Zuschalt-Wartezeit
eine Sperrfrist vorgesehen, die wesentlich kürzer bemessen ist, um das Einhalten
der geforderten Vorlauftemperatur zu gewährleisten.
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Da in einem Heizkreis vorübergehend grosse Lasten auftreten können,
z.B. dann, wenn von einem Nachtprogramrn mit reduzierter Raumtemperatur auf ein
Tagprogramm mit an der Behaglichkeit orientierter Raumtemperatur umgeschaltet wird,
ist es in vielen Fällen nicht sinnvoll, nur zwecks Deckung dieser kurzzeitigen Lastspitze
einen weiteren Heizkessel, im Fall einer Anlage mit mehr als zwei Kesseln sogar
mehrere, in Betrieb zu nehmen. Eine solche Lastspitze macht sich in einem Unterschreiten
der Soll-Vorlaufteinperatur bemerkbar und kann darüber hinaus auch daran erkannt
werden, dass der im Moment in Betrieb stehende Heizkessel auf Vollast läuft. Für
den Fall, dass die Soll-Vorlauftemperatur unterschritten ist, ist die Sperrfrist
vorgesehen,
die vorerst ein Zuschalten eines weiteren Heizkessels verhindert. Zu diesem Zweck
kann die Kesseltemperatur des in Betrieb stehenden Heizkessel oder auch die Temperatur
am gemeinsamen Vorlauf 1, falls dort ein Temperaturfühler angeordnet ist, gemessen,
und ein Zuschalten eines weiteren Heizkessels nach dem Ablauf der Sperrfrist dann
verhindert werden, wenn der zeitliche Verlauf der Sollwertunterschreitung so ist,
dass innerhalb einer vorgegebenen Zeit der Sollwert vermutlich wieder erreicht sein
wird.
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Vorteilhaft wird der Temperaturverlauf während der Zuschalt-Sperrfrist
periodisch erfasst. Je mehr der Istwert der Vorlauf-bzw. Kesseltemperatur den Sollwert
unterschreitet, desto kürzer wird die Sperrfrist; je geringer die Differenz zwischen
Soll- und Istwert, desto grösser wird die Sperrfrist. Die Sperrfrist wird demnach
variabel.
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Ferner ist es wirtschaftlich von Vorteil, für die Zuschalt-Entscheidung
auch die Temperatur des allenfalls in Betrieb zu setzenden Heizkessels zu berücksichtigen.
Es ist daher sowohl die Sperrfrist als auch die Zuschalt-Wartezeit zusätzlich von
der Temperaturdifferenz zwischen dem in Betrieb stehenden Heizkessel und dem zuzuschaltenden
Heizkessel abhängig. Sperrfrist und Zuschalt-Wartezeit sind umso kleiner, je kleiner
diese Temperaturdifferenz ist. Damit wird erreicht, dass ein noch warmer Heizkessel
rascher wieder zugeschaltet wird als ein gänzlich ausgekühlter.
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Wie vorangehend beschrieben, werden zur Erfassung der Kessel leistung
die Einschaltverhältnisse t 2 der Brenner 13, 15 benötigt. Dabei ist es von Wichtigkeit,
als Berechnungsgrundlage immer die neuesten Werte der Einschaltverhältnisse t 2
zur Verfügung zu haben. Die Einschaltverhältnisse t 2 werden daher laufend aus der
Dauer der beiden zuletzt abgelaufenen Betriebszustände des Brenners bzw.
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der Brenner, das heisst aus einem Ein-Aus-Zyklus, nach der Formel
Zeit(Ein) CI Zeit(Ein) + Zeit(Aus) vermittelt. Die zuletzt ermittelten Werte von
t 1 und 6 2 werden
als Berechnungsgrundlage bis zum nächsten Schaltereignis
beibehalten, doch höchstens so lange, bis die aus der Zeitdauer des momentanen Schaltzustandes
und der Zeitdauer des unmittelbar vorangegangenen Schaltzustandes hervorgegangenen
Einschaltverhältnisse zu 1 und die aus den beiden vorausgegangenen, abgeschlossenen
Schaltzuständen ermittelten Werte wieder erreicht haben. Ist bis dahin kein neues
Schaltereignis eingetreten, werden periodisch neue Einschaltverhältnisse 6 1 und
t 2 aus der Dauer des vorangegangenen Schaltzustandes und der bisherigen Dauer des
momentanen Schaltzustandes errechnet und diese neuen Einschaltverhältnisse £1 und
t 2 für die Berechnung der momentanen Kessel leistung verwendet. Damit ist Gewähr
geboten, dass die momentane Kessel leistung aus den aktuellen Daten bestimmt wird.
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Ferner ist der Rechner 20 im Hinblick auf die Verhütung von Kesselkorrosion
so programmiert, dass ein einmal zugeschalteter Heizkessel mit Sicherheit eine Minimaltemperatur
erreicht und über mindestens einen Schaltzyklus beibehält, bevor der Heizkessel
beispielsweise wegen sehr raschen Abfallens einer Lastspitze wieder ausser Betrieb
gesetzt werden kann.
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Das erläuterte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf zwei oder mehr
Heizkessel mit einstufigen Brennern. Das Verfahren ist aber sinngemäss auch für
Heizkessel mit zweistufigen Brennern anwendbar, wobei sich dann die beschriebenen
Ein- und Ausschaltbefehle des Steuergerätes 19 auf den Betrieb mit nur einer oder
mit beiden Brennerstufen beziehen.
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Auch Heizkessel mit einem modulierenden Brenner können im beschriebenen
Verfahren verwendet werden. Anstelle der Bestimmung der Einschaltverhältnisse erfasst
der Rechner 20 dann die Oeffnungsstellungen jenes Mechanismus, der die Brennstoff/Luft-Menge
entsprechend der Kessel leistung bestimmt. Dazu kann beispielsweise ein Potentiometer
dienen, das vom vorgenannten Mechanismus verstellt wird.
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Das beschriebene Verfahren erlaubt es, mit geringem Aufwand eine Kessel
kaskade zu steuern, bei der neben einem optimalen Wirkungsgrad auch noch die Erfordernisse
zur Verhütung von Kessel korrosion infolge
des Betriebes bei zu
tiefer Kesseltemperatur berücksichtigt werden können.
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Anwendbar ist dieses Verfahren auch beim Betrieb von Kaskaden mit
anderen Wärme- oder Kälteerzeugern, deren Leistung nicht stetig geregelt werden
kann, beispielsweise zwei- oder mehrstufige Wärmepumpen oder Kältemaschinen.