Aufgabenstellung
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Projekt Steuerung einer Heizungsanlage Gegeben ist eine Heizungsanlage für ein Einfamilienhaus mit Einliegerwohnung. Die Übersichtspläne finden Sie im Anhang. Als Verbraucher sind folgende Heizkreise vorgesehen: Fußbodenheizung Erdgeschoss Fußbodenheizung Dachgeschoss Radiatorenheizung Erdgeschoss Radiatorenheizung Dachgeschoss Brauchwassererwärmung Der Bedarf für die einzelnen Heizkreise wird sowohl durch Raumthermostate als auch durch eine Regelung der Vorlauftemperatur als Funktion der Außentemperatur gesteuert. Die Raumthermostate liefern folgendes Signal: Temperatur zu niedrig: Schalter geschlossen Temperatur reicht: Schalter geöffnet Die Energie für die Heizkreise liefert ein Wärmespeicher der gleichzeitig noch die Trennstelle in der Regelung zwischen Verbraucher und Erzeuger darstellt. Als Wärmeerzeuger gibt es drei Quellen: Gasbrenner Sonnenkollektoren Kachelofen Hierbei ist zu beachten, dass nur der Gasbrenner genügend Wärme für den Extrembedarf liefert. Der mit einem Wasserregister ausgestattete Kachelofen liefert etwa nur ein fünftel der maximal benötigten Wärmeenergie, die Sonnenkollektoren liefern die Energie abhängig von der Sonneneinstrahlung. Als Speichermedium wird in der Anlage Wasser verwendet. Um jedoch Frostschäden zu verhindern, wird das Wasser in der Sonnenkollektoranlage mit einem Frostschutzmittel versetzt. Um eine Trennung der Flüssigkeiten zu erhalten, ist für die Sonnenkollektoranlage ein eigener Flüssigkeitskreislauf, der seine Wärme an den Hauptkreis über einen Wärmetauscher übergibt. Die einzelnen Aufgaben sind: Gasbrenner: Der Gasbrenner heizt Wasser, das ihm über eine Umwälzpumpe aus dem Speicher zugeführt wird, auf eine bestimmte Temperatur auf. Es ist davon 1 auszugehen, dass der Gasbrenner immer als die im Heizungsfall verbrauchte Energie erzeugt. Sonnenkollektoren Bei Sonneneinstrahlung erhitzt sich die Flüssigkeit in diesen Kollektoren. Ist diese höher als die Temperatur im Kessel, so wird über eine Umwälzpumpe die Flüssigkeit zum Wärmetauscher geführt. Der zweite Anschluss des Wärmetauschers ist der Wasserkreislauf der Heizung. Dies geschieht in einem geschlossenen Kreislauf, so dass die abgekühlte Flüssigkeit wieder den Kollektoren zugeleitet wird. Wärmetauscher Da die Sonnenkollektoren aus Frostschutzgründen mit einer Frostschutzlösung befüllt sein müssen, kann diese Flüssigkeit nicht direkt dem normalen Kreislauf zugeführt werden. Der Wärmetauscher isoliert die beiden Flüssigkeiten voneinander und gibt die Wärme vom Medium mit höherer Temperatur an das Medium mit niedriger Temperatur ab. Wärmespeicher Als Wärmespeicher dient ein großer Kessel, dessen Inhalt, das Speichermedium Wasser, eine vorgegebene Temperatur aufweist. Die Regelung des Wärmespeichers besteht aus einer Abfrage des Temperaturprofils im Kessel bei drei gegebenen Messstellen, der Ermittlung des Mittelwertes und der Fixierung auf einen festzulegenden Wertes. Mischer Die Mischer besitzen vier Anschlüsse: Vorlauf Heizung Rücklauf Heizung Vorlauf Heizkreis Rücklauf Heizkreis Die Heizung ist hierbei der Kreis, in dem die Energie vom Wärmespeicher oder vom Wärmeerzeuger für die Fußbodenregister oder die Radiatoren bereitgestellt wird. Der Vorlauf Heizung ist damit der Anschluss vom wärmsten Teil des Speichers, aufgrund der Physik, warmes Wasser ist leichter als kaltes und steigt somit nach oben, also vom oberen Teil des Wärmespeichers. 2 Der Rücklauf Heizung wird analog zum Vorlauf dem unteren Teil des Speichers zugeführt. Um die Vorlauftemperatur richtig einzustellen, wird nun das Wasser, das über den Vorlauf bereitgestellt wird, mit dem Wasser das über den Rücklauf Heizkreis kommt, vermischt. Somit lässt sich über eine Einstellung des Mischers eine definierte Vorlauftemperatur oder eine festgelegte Temperaturdifferenz zwischen Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf einstellen. Temperaturmessung Die Temperaturmessung erfolgt über Sensoren, die ein Analogsignal für einen Analog-Digital-Converter (ADC) liefern. Hierbei wird eine Temperaturspanne von 0°C bis 127,5°C anhand eines 8-Bit-Wertes ausgegeben. Eine Ausnahme bildet die Messung der Außentemperatur. Hier wird zwischen den Werten 60°C bis 63,5°C bei gleicher Auflösung gemessen. Funktionsweise der Heizung Wärmerzeugung, Wärmespeicherung Zunächst muss überprüft werden, ob Wärmeenergie über die Sonnenkollektoren bereitgestellt wird. Ist dies der Fall, so schaltet sich die Umwälzpumpe zu den Sonnenkollektoren ein und heizt über den Wärmetauscher den Kessel auf. Wird über die Sonnenkollektoren keine Wärme bereit gestellt, so wird abgefragt, ob der Kachelofen Wärme liefert. Ist dies der Fall, so wird hier ebenfalls über eine Umwälzpumpe der Kreislauf des Kachelofens über eine Umwälzpumpe aktiviert. Sollten weder Sonnenkollektoren noch Kachelofen Wärme liefern, so wird der Brenner eingeschaltet. Der Wärmespeicher (Kessel) muss immer eine genügend hohe Temperatur aufweisen. Da er auch für die Warmwasserbereitung verwendet wird, sind hier als untere Grenztemperatur 60°C festzulegen. Als obere Grenztemperatur sind, um ein Kochen zu vermeiden, 85°C festzulegen. Reicht die Wärmezufuhr von Sonnenkollektoren und/oder Kachelofen nicht aus, so muss der Brenner dazu geschalten werden. Das Signal hierfür ist, falls der Speicher trotz Kachelofen- oder Sonnenkollektorbetrieb auf 55°C absinkt. Funktionsweise Sonnenkollektoren Für diese Steuerung stehen zwei Fühler zur Verfügung: 3 Temperatur Kollektorausgang (TKA) Temperatur kältester Punkt Wärmespeicher (KPS) Ist TKA um mindestens 5°C größer als KPS, so wird die Kollektorpumpe eingeschalten. Ist die Differenz kleiner 4°C, so wird die Pumpe wieder ausgeschalten. Ferner ist eine Steuerung der Umwälzpumpe vorzusehen. Hierbei handelt es sich um eine Phasenanschnittssteuerung. Bei dieser wird ein Teil der Sinusschwingung des 230V-Netzes abgeschnitten, so dass nur während des durchgesteuerten Bereiches Energie der Pumpe zugeführt wird. Hierzu ist abhängig von einem Eingangsimpuls, der den Nulldurchgang der Sinusschwingung spezifiziert, ein davon zeitversetztes Signal (Taktimpuls) zu erzeugen. Die gesamte Sinusschwingung beträgt 20 ms, eine Halbwelle somit 10 ms. Bei einer Pumpenleistung von 50% ist somit die Hälfte einer jeden Halbwelle abzuschneiden, bei einer höheren Prozentzahl entsprechend weniger. Tsolar- Tspeicher <5° % Umwälzpumpe 0,0% Verzögerung ms 20 5 4,65 4,3 3,95 3,6 3,25 2,9 Tsolar- Tspeicher 21° 23° 25° 27° 29° 31° 33° 35° % Umwälzpumpe Verzögerung ms 5° 7° 9° 11° 13° 15° 19° 50,0% 53,5% 57,0% 60,5% 64,0% 67,5% 71,0% 74,5% 78,0% 81,5% 85,0% 88,5% 92,0% 95,5% 99,0% 2,2 17° 1,85 1,5 1,15 0,8 0,45 0,1 2,55 100% 0 Der zweite Teil der Steuerung ist die Funktionsweise Kachelofen Im Kachelofen ist ein Register integriert, in dem Wasser erhitzt werden kann. Somit ist die Regelung der Wärmeabfuhr vom Kachelofen identisch mit der der Sonnenkollektoren. Steuerung Fußbodenheizung Die Fußbodenheizung wird über die Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur geregelt. Als Stellglied kommt ein Mischer zum Einsatz. Dieser besitzt vier Anschlüsse mit folgender Wirkung: VTH Vorlauftemperatur höher VTN Vorlauftemperatur niedriger 4 AMAX AMIN Anschlag maximale Temperatur Anschlag minimale Temperatur Liegt an VTH ein Signal an, so wird der Mischer mithilfe eines Motors geöffnet. Der Öffnungswinkel ist dabei abhängig von der Dauer des anliegenden Impulses. Hierbei ist eine Totzeit von ca. 2 Sekunden zu berücksichtigen. Die Einstellzeit der Vorlauftemperatur beträgt ca. 1,5 Minuten für den maximalen Einstellwinkel von 90°. Um nun die Vorlauftemperatur zu regeln, ist ein Iterationsverfahren zu entwickeln, dass den Mischer je nach Bedarf öffnet oder schließt. Der Bezug zwischen Außentemperatur und Vorlauftemperatur ist durch eine Formel gegeben. Tvor = Tvormax – ((Tvormax – Tsoll) * (Tvormax / (Tsoll – Taus)) *K) Hierbei bedeuten: Tvor: Vorlauftemperatur Heizung Tvormax: Maximale Vorlauftemperatur (hier 33°C) Tsoll: Sollraumtemperatur Taus: Außentemperatur K: Heizkurvenkonstante (Werte 1/8, 1/16, 1/32) K ist eine Gebäude- und Anlagenkonstante, die fest eingestellt wird. Regelung der Radiatoren Da bei der Fußbodenheizung auf eine möglichst niedrige Temperatur geachtet werden soll, außerdem diese in der Übergangszeit nicht betrieben wird, ist als Ergänzung eine Radiatorenheizung vorgesehen. Für die Radiatorenheizung wird aus Effizienzgründen auf eine Mischersteuerung verzichtet. Der eingezeichnete Mischer wird nur dazu verwendet, die Heizkreise komplett abzuschalten. Um nun eine möglichst niedrige Temperatur im Gesamtheizkreis Radiatoren zu erhalten, werden die einzelnen Pumpen periodisch eingeschalten. Da hierbei die Vorlauftemperatur immer der maximalen Kesseltemperatur entspricht, ist als Maß für den Wärmeverbrauch die Differenz zwischen Vor- und Rücklauf zu nehmen. Ist diese größer als ein vorgegebener Wert, so sind die Pumpen einzuschalten, andernfalls abzuschalten. 5 Hierbei ergibt sich folgende Zuordnung zwischen Temperaturdifferenz und Pumpenansteuerung: Tvor - Trück <5° 5° 7° 9° 11° 13° 15° 17° 19° Laufzeit in s 0 60 120 180 240 300 360 420 480 Tvor - Trück 21° 23° 25° 27° 29° 31° 33° 35° Laufzeit in s 540 600 660 720 780 840 900 960 Steuerung der Wärmespeicherung Diese Steuerung besteht aus der Abfrage des Wärmeprofils im Speicherkessel. Ist dies zu niedrig (<60°C), so wird überprüft, ob Sonnekollektoren oder Kachelofen in Betrieb ist. Ist dies der Fall, so wird der Brenner noch nicht dazugeschaltet. Sinkt die Temperatur allerdings unter den minimalen Wert von 57°C, so reicht die über Kachelofen und Sonnenkollektoren bereit gestellte Energie nicht aus und muss durch den Brenner solange unterstützt werden, bis der Speicher wieder auf 60°C erwärmt ist. Steuerung des Brauchwassers Für die Brauchwassererzeugung steht ein eigener Kessel zur Verfügung. Somit reduziert sich die Regelung auf eine Abfrage der Kesseltemperatur und der Ansteuerung einer Ladepumpe. Ist die Temperatur zu niedrig, so wird die Ladepumpe eingeschaltet, ist sie erreicht, so wird sie wieder ausgeschaltet. Die Hysterese beträgt 3°C. 6 Anlage Übersichtspläne der Heizungsanlage Verwendete Symbole Mischer Rückflussverhinderer mit Richtungsangabe Zirkulationspumpe, Eingang breite Öffnung, Ausgang schmale Öffnung Funktionsweise Mischer Vorlauf Heizung Vorlauf Heizung Rücklauf Heizung Rücklauf Heizung Vorlauf Speicher Vorlauf Speicher Mischerstellung links Rücklauf Speicher Rücklauf Speicher Vorlauf Heizung Vorlauf Speicher Rücklauf Heizung Rücklauf Speicher Mischerstellung rechts 7 Mischerstellung Mitte Temperatur abhängig von Stellung Flussrichtung bei Speicherbetrieb Mischeranschlag rechts Pumpe aus Speicher Radiatoren Brenner Fußboden Warmwasserspeicher Flussrichtung bei Brennerbetrieb Mischeranschlag links Pumpe ein Vorlauf Speicher Radiatoren Brenner Fußboden Warmwasserspeicher Rücklauf 8 Fußbodenkreise Hauptwohnung EG Hauptwohnung DG Einliegerwohnung Vorlauf Rücklauf Radiatorenkreise Hauptwohnung EG Hauptwohnung DG Einliegerwohnung Keller Vorlauf Rücklauf 9
