WÜEST, Josef (Hasenbergstrasse 40, Steinhausen, CH-6312, CH)
Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung eines modulierenden Brenners, dessen Leistung zwischen einer Minimalleistung Q m j n und einer Nennleistung Q N variierbar ist, wobei die Leistung proportional zur Differenz zwischen einem Kesselwassertemperatur-Istwert Tκi St und einem Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ So ii regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Brennerstart anstelle der aktuellen Differenz zwischen dem
Kesselwassertemperatur-Istwert Tκi S t und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ S0 n als Bestimmungsgröße für die Brennerleistung ein modifizierter Parameter verwendet wird, der anschließend zeitabhängig so modifiziert wird, dass nach einiger Zeit die Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert Tκi st und dem aktuellen
Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ S0 n als Bestimmungsgröße für die jeweilige aktuelle Brennerleistung wirksam ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter ein korrigierter Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκs o iikorr ist, der beim Brennerstart kleiner ist als der wahre Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ so ii und anschließend steigt, bis er gleich groß ist wie der wahre Kesselwassertemperatur-Sollwert T KSO II-
3. Verfahren nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kesselwassertemperatur-Sollwert Ik so ii koπ - beim Brennerstart gleich groß ist wie ein beim Brennerstart gemessener Kesselwassertemperatur-Istwert Tκi st (Brs ta rt)-
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκsoiikorr anschließend variiert wird nach einer Formel Tκsoiikorr = T K soiikorr(Brstart) + 1 * k, worin T Ks oiikorr(BrStart) der Kesselwassertemperatur- Sollwert Tjc so iik o π- i∞ Moment des Brennerstarts, t die Zeit in Minuten und k ein Faktor ist, der eine änderungskonstante in Grad pro Minute angibt, und dass die Variierung des Kesselwassertemperatur-Sollwerts Iksoiikorr endet, wenn der Kesselwassertemperatur- Sollwert Tjc so iikorr gleich groß ist wie ein Vergleichswert.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichswert der Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκsoii(Brstart) beim Brennerstart ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichswert ein nach dem Brennerstart geänderter Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ so ii neu ist.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor k im Heizbetrieb eine Größe von etwa 2 Grad pro Minute aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor k im Ladebetrieb für einen Brauchwasserspeicher eine Größe von etwa 10 Grad pro Minute aufweist.
9. Verfahren nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor k gemäß einer Formel k = B + f * (T RSO II - TA) variiert wird, wobei B ein Basiswert ist, f ein Multiplikator ist und T RSO II der Sollwert der Raumtemperatur ist.
10. Verfahren nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiswert B den Wert 1 aufweist und dass der Multiplikator f den Wert 0,05 hat. |
Verfahren zur Regelung eines Brenners
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung eines Brenners gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Brenner werden vorteilhaft in Heizkesseln von Wohngebäuden verwendet, wobei mit der Kombination Brenner/Heizkessel Wärme für die Heizung von Räumen und meist auch für die Bereitung von warmem Brauchwasser erzeugt wird. Solche Heizkessel sind vorteilhaft als kondensierende Kessel gestaltet, durch deren Bauart das Abgas kondensiert wird, so dass die Verdampfungswärme nutzbringend mitverwendet wird.
Weil bei jedem Start eines Brenners anfangs erhöhte Schadstoffemissionen auftreten und auch Energie aufgewendet werden muss, um den Brennraum vorzulüften, besteht schon seit langer Zeit das Bedürfnis, die Zahl der Einschaltvorgänge zu reduzieren und eine möglichst lange Brennerlaufzeit zu gewährleisten.
Stand der Technik
Um möglichst lange Brennerlaufzeiten zu erreichen, ist deshalb gemäß DE-C3-25 49 561 vorgesehen worden, die Schaltdifferenz des Thermostaten in Funktion der herrschenden Außentemperatur zu verändern. Gemäß DE-C2-39 32 327 ist darüber hinaus vorgesehen, die Schaltdifferenz auch noch von der Einstellung der Heizkennlinie für den Heizkreis abhängig zu machen.
Aus DE-Cl- 34 26 937 eine Lösung bekannt, bei der ein Hystereseschalter vorgesehen ist, dem ein Integrator vorgschaltet ist. Im Integrator wird die Differenz zwischen einer Bezugstemperatur und einer Messtemperatur integriert.
Aus EP-Al-O 909 922 ist ein gasgefeuerter Brenner bekannt, bei dem mittels eines Mikrocontrollers das Verhältnis von Gas zu Luft geregelt wird.
Zur Regelung der Leistung eines modulierenden Brenners wird üblicherweise die Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert und dem
Kesselwassertemperatur-Sollwert benutzt, wobei der Kesselwassertemperatur-Sollwert für den Heizbetrieb aus der aktuellen Außentemperatur abgeleitet ist, wie dies beispielsweise aus DE-C3-25 49 561 bekannt ist. Ist die Differenz zwischen Ist- und Sollwert groß, so
wird der Brenner mit hoher Leistung betrieben. Ist die Differenz zwischen Ist- und Sollwert klein, so wird der Brenner mit geringer Leistung betrieben. Im Moment des Einschaltens des Brenners hat die Differenz ihren Maximalwert. Der Brenner läuft mit großer Leistung. Erzeugt der Brenner Wärme, so wird das Kesselwasser erwärmt. In der Folge steigt der Kesselwassertemperatur-Istwert fortlaufend an. Damit wird die Differenz zwischen Ist- und Sollwert fortlaufend kleiner, was zur Folge hat, dass die Leistung des Brenners immer weiter reduziert wird.
Es hat sich gezeigt, dass diese Betriebsweise nicht optimal ist, weil durchaus immer wieder sehr kurze Brennerlaufzeiten auftreten.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese kurzen Brennerlaufzeiten zu verhindern.
Beschreibung der Erfindung
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Verwendung der Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert als Bestimmungsgröße für die jeweilige aktuelle Brennerleistung reicht offenbar nicht aus. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Bestimmungsgröße zusätzlich dadurch zu variieren, dass beim Brennerstart zunächst nicht die aktuelle Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert als Bestimmungsgröße für die jeweilige aktuelle Brennerleistung verwendet wird, sondern ein modifizierter Parameter, und dass dann dieser Parameter zeitabhängig so modifiziert wird, dass nach einer bestimmten Zeit die Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert als Bestimmungsgröße für die jeweilige aktuelle Brennerleistung wirksam wird.
Wird die beim Brennerstart die aktuelle Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur- Istwert und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert als Bestirmnungsgröße für die jeweilige aktuelle Brennerleistung verwendet, so startet der Brenner mit einer hohen Leistung. Unabhängig von der aktuellen Differenz zwischen dem
Kesselwassertemperatur-Istwert und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert hängt die Laufzeit der Brenners auch davon ab, wie groß während der Wärmeerzeugung der tatsächliche Energiebedarf ist. Die Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur- Istwert und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert charakterisiert den tatsächlichen Wärmebedarf nur unzureichend, denn es kommt auch noch darauf an, welcher Teil der jeweils produzierten Wärme sogleich vom Heizkreis abgenommen wird. Nimmt der Heizkreis viel Wärme ab, dann steigt die Kesselwassertemperatur bei laufendem Brenner nur langsam. Nimmt der Heizkreis dagegen wenig Wärme ab, dann steigt die Kesselwassertemperatur bei laufendem Brenner sehr schnell. Das führt dann zu einem schnellen Abschalten des Brenners, also zu einer kurzen Brennerlaufzeit.
Um auf diese Weise entstehende kurze Brennerlaufzeiten zu vermeiden, ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Startwert für die Regelung der Brennerleistung eine korrigierte Regeldifferenz Dkorr(Brstart) verwendet wird, die gebildet ist aus einem korrigierten Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκsoiikorr(Brstart) im Moment des Brennerstarts und dem aktuellen Kesselwassertemperatur-Istwert Tκist(BrStart) im Moment des Brennerstarts. Vorteilhaft wird beim Brennerstart der Wert des Kesselwassertemperatur-Sollwerts Tκ s oiikorr(Brstart) niedriger angesetzt als der reale aktuelle Wert des Kesselwassertemperatur-Sollwerts Tκ so ii- Weil somit die korrigierte Regeldifferenz Dkorτ(BrStart) kleiner ist als die reale Regeldifferenz D rea i, die aus dem aktuellen Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ S0 n und dem aktuellen
Kesselwassertemperatur-Istwert Tκi St gebildet wird, startet der Brenner mit kleinerer Leistung.
Vorteilhaft wird der Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ So iikorr beim Brennerstart gleichgesetzt jenem Kesselwassertemperatur-Istwert Tκist(Brstart) > der im Moment des Brennerstarts herrscht. Der Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ So ii korr im Moment des Brennerstarts wird als Kessel wassertemperatur- Sollwert Tκ S oiikorr(Brstart) bezeichnet.
Damit wird die korrigierte Regeldifferenz Dkorr(Brstart) im Moment des Brennerstarts automatisch zu Null. Gleichzeitig wird, wenn der Regler ein PI-Regler ist, der Integral- Anteil auf Null gesetzt. Dadurch startet der Brenner auf jeden Fall mit einer seiner Bauart entsprechenden Minimalleistung Q m ; n . Diese Minimalleistung Q ra j n ist erheblich kleiner als eine Nennleistung QN des Brenners. Das Modulieren des Brenners erfolgt also in den
Grenzen Q m j n und QN. Das Verhältnis QN ZU Q m j n wird üblicherweise als Modulationsgrad bezeichnet. Ein Modulationsgrad vom Wert 3 bedeutet also, dass die Minimalleistung Q m j n ein Drittel der Nennleistung Q N beträgt.
Anschließend wird der Kesselwassertemperarur-Sollwert Tκ so ii korr zeitabhängig verändert und zwar so, dass er sich dem Kesselwassertemperatur-Sollwert TK SO II annähert und diesen schließlich erreicht.
Dies geschieht vorteilhaft in der Weise, dass der Kesselwassertemperatur- Sollwert Tksoiikorr nach einer Formel T Ks oiikorr = T K soiikorr(Brstart) + 1 * k korrigiert wird, worin t die Zeit in Minuten und k ein Faktor ist, der eine änderungskonstante in Grad pro Minute angibt. Sobald dann der Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ S oiikorr gleich groß ist wie der Kesselwassertemperatur-Sollwerts Tκsoii(BrStart) beim Brennerstart, ist die Phase der Sollwertkorrektur beendet und die Regelung erfolgt nun nach dem aktuellen Kesselwassertemperatur-Sollwert TK SO II und dem aktuellen Kesselwassertemperatur- Sollwert Tκi s t-
Weil zu jedem Zeitpunkt gilt, dass die Regeldifferenz D w ; rk der Differenz von Ist- und Sollwert entspricht, ändert sich die Regeldifferenz jeweils mit der änderung von Ist- und Sollwert. Damit startet die Regeldifferenz D W j rk mit dem Wert Null und wird dann variiert.
Die Regeldifferenz D w ; rk ändert sich also automatisch entsprechend den jeweiligen Werten von Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ S oiikorr und Kesselwassertemperatur- Sollwert Tκi st - Damit wird die Brennerleistung geregelt.
Der Kesselwassertemperatur-Istwert Tκi St unterliegt fortlaufenden änderungen. Nachdem der Brenner den Brennraum aufgeheizt hat, steigt dann in der Folge auch der Kesselwassertemperatur-Istwert Tκi S t, dessen aktuelle Größe bei der Regelung berücksichtigt wird.
Vorteilhaft beträgt der Faktor k im Heizbetrieb etwa 2 Grad pro Minute, im Betrieb zum Laden eines Warmwasserspeichers etwa 10 Grad pro Minute.
In vorteilhafter Weise kann im Heizbetrieb der Faktor k variabel sein, indem er als Funktion einer Außentemperatur TA veränderliche Werte annimmt. Ein Beispiel dieser
Art ist die Variation des Faktors k gemäß einer Formel k = B + f * (TR SO H - TA), wobei B ein Basiswert ist, f ein Multiplikator ist und T RSO I I der Sollwert der Raumtemperatur ist.
Vorteilhaft ist dies insbesondere bei der bekannten Nacht-Tag-Umschaltung. Hier wird erreicht, dass der Raum im Anschluss an die Nachtabsenkung schneller die sogenannte Komforttemperatur wieder erreicht.
Der Basiswert B kann beispielsweise 1 betragen, der Multiplikator f 0,05. Mit diesen Werten hat der Faktor k bei -20 Grad Außentemperatur TA einen Wert von 3, bei 0 Grad Außentemperatur TA einen Wert von 2 und bei 10 Grad Außentemperatur T A einen Wert von 1,5. Da der tatsächliche Wärmebedarf mit der Außentemperatur T A zusammenhängt, wird so eine längere Brennerlaufzeit auch dann erreicht, wenn der Wärmebedarf klein ist.
Auch im Falle der Boilerladung kann der Wärmebedarf unterschiedlich sein. Ein variierender Wärmebedarf aufgrund des eingestellten Kesselwassertemperatur- Sollwert TK SO II für die Boilerladung wird ohnehin berücksichtigt. Es kommt aber auch noch auf die Größe der Warmwasserspeichers an. Deshalb kann es vorteilhaft, für die Boilerladung einen von 10 Grad pro Minute abweichenden Wert des Faktors k vorzusehen, nämlich bei kleinerem Boiler einen kleineren Wert als 10.
Nachfolgend wird das Wesen der Erfindung noch anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Kesselwassertemperatur- Sollwertes T KSO II und
Fig. 2 ein solches Diagramm für den Fall, dass sich während der
Korrekturphase der Kesselwassertemperatur-Sollwert TK SO II ändert.
Das Diagramm der Fig. 1 zeigt auf der Abszissenachse die Zeit t in Minuten, auf der Ordinatenachse die Temperatur. Gezeigt ist links der Kesselwassertemperatur- Sollwert T KSO II, wie er beispielsweise durch die Witterungsführung der Heizung vorgegeben wird.
Sobald in bekannter Weise zum Zeitpunkt tl ein Befehl BRENNER EIN gegeben wird, werden der aktuell herrschende Kesselwassertemperatur-Sollwert T KSO II als Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ So ii(Brstart) und der aktuell herrschende
Kesselwassertemperatur-Istwerts Tκi S t als Kesselwassertemperatur-Istwert Tκi st ( Br s tar t) erfasst.
Gezeigt ist der Verlauf eines korrigierten Kesselwassertemperatur-Sollwerts Tκ so ii korr mit durchgezogener Linie, der nach der zuvor genannten Formel zeitabhängig variiert wird.
Eingezeichnet ist auch der Verlauf des Kesselwassertemperatur-Istwerts Tκi St - Vor dem Einschalten des Brenners sinkt dieser so lange, bis der Einschaltbefehl für den Brenner ergeht. Nach dem Einschalten des Brenners steigt dieser Wert aber nicht sofort, weil es eine Weile geht, bis die vom Brenner produzierte Wärme auf das Kesselwasser übergegangen ist.
Zum Zeitpunkt t2 nach der Fig. 1 ist die zeitliche Variation des Kesselwassertemperatur- Sollwerts T KSO II beendet und damit auch die daraus folgende zeitliche Variation der wirksamen Regeldifferenz D W j rk . Nun beginnt die übliche Regelung aufgrund der gemessenen tatsächlichen Regelabweichung.
Angemerkt sei noch, dass die zeitlich befristete Variation durch den korrigierten Kesselwassertemperatur-Sollwert Ttc so iiko π - nur im Rahmen der Leistungsregelung wirksam ist, sich aber nicht auswirkt auf das Schaltverhalten hinsichtlich des Ausschaltens des Brenners. Hier wird weiterhin der wahre Kesselwassertemperatur-Sollwert TK SO II wirksam. Somit wird verhindert, dass der Brenner unnötigerweise abschaltet, solange sich der Regler noch nicht in seinen normalen Regelbetrieb mit der Bildung der Regeldifferenz aus dem wahren Kesselwassertemperatur-Sollwert T KSO II und dem Kesselwassertemperatur- Istwert Tκi s t befindet.
Im Beispiel der Fig. 1 wird von der Annahme ausgegangen, dass sich im Zeitraum von tl bis t2 der Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ S0 n nicht ändert. Das trifft auch in den meisten Fällen zu, weil der Zeitraum tl bis t2 nicht groß ist und sich der Kesselwassertemperatur-Sollwert T KSO II insbesondere dann nicht schnell ändert, wenn er, wie schon erwähnt, eine Funktion der Außentemperatur TA ist, die sich ebenfalls meist nur langsam ändert.
Es gibt aber durchaus Fälle, bei denen sich im Zeitraum tl bis t2 der Kesselwassertemperatur-Sollwert TK SO II ändert. Er kann steigen, beispielsweise dann,
wenn bei einer Heizungsanlage am Morgen vom nächtlichen Absenkbetrieb auf die morgendliche Schnellaufheizung umgeschaltet wird. Meist erfolgt allerdings das Einschalten des Brenners aufgrund dieses Anstiegs des Kesselwassertemperatur- Sollwerts Tκ so ii, SO dass der Sollwertsprung vor dem Einschalten des Brenners erfolgt. Gleichwohl kann es vorkommen, dass sich der Kesselwassertemperatur-Sollwert TK SO II während des Zeitraums tl bis t2 ändert.
Umgekehrt kann es aber auch vorkommen, dass im Zeitraum tl bis t2 der Kesselwassertemperatur-Sollwert T KSO II kleiner wird. Auch dafür gibt es verschiedene Ursachen.
In der Fig. 2 sind nun diese beiden Fälle gezeigt. Diese Fig. 2 entspricht weitgehend der Fig. 1, so dass die Erläuterungen zur Fig. 1 auch für die Fig. 2 gelten.
Rechts sind in Fig. 2 zusätzlich zur Fig. 1 eingezeichnet ein höherer Kesselwassertemperatur-Sollwert ik so iineuA, der irgendwann nach dem Zeitpunkt tl auftritt, sowie ein niedrigerer Kesselwassertemperatur-Sollwert Tjc so iineuB, der ebenfalls nach dem Zeitpunkt tl wirksam wird.
Vorteilhaft ist es in solchen Fällen, dass zur Detektion des Endes der Korrekturphase für den Kesselwassertemperatur-Sollwert T KSO II gemäß der angebenen Formel nicht der Kesselwassertemperatur-Sollwerts Tκ So ii(Brs tart ) beim Brennerstart herangezogen wird, wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist, sondern dass der tatsächliche Kesselwassertemperatur- Sollwert Tκ S0 π, also der Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ so ii neuA im einen Fall und der Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ so ii neu B im anderen Fall, das Ende der Korrekturphase bestimmt. Somit verschiebt sich das Ende der Korrekturphase im Falle des höheren Kesselwassertemperatur-Sollwerts Tksoiineu A zum späteren Zeitpunkt t2A und im Falle des niederigen Kesselwassertemperatur-Sollwerts Tκ So ii neu B zum früheren Zeitpunkt t2B. Auf diese Weise werden durch Sollwertsprünge verursachte Unstetigkeiten beim Betrieb des Brenners vermieden.
Das Ende der Korrekturphase bestimmt also im Falle der Fig. 1 der Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκ S oii(Brsta rt ) beim Brennerstart, während im Falle der Fig. 2 der Vergleichswert ein nach dem Brennerstart geänderter Kesselwassertemperatur- Sollwert Tκsoiineu ist.
Durch die Erfindung wird eine größere Brennerlaufzeit erreicht. Sehr kurze Brennerlaufzeiten werden vermieden. Somit reduziert sich die Zahl der Brenner Starts.