VERFAHREN ZUR REGELUNG EINES BRENNERS

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung eines Brenners gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] 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.

[0003] 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

[0004] 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.

[0005] Aus DE-C1- 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.

[0006] 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.

[0007] Aus EP-A1-0 781 965 sind eine gasbeheizte Brauchwasserheizanlage und ein Verfahren zur Regelung der Brauchwassertemperatur in einer solchen Anlage bekannt. Hier geht es darum, auf eine schwankende Warmwasser-Zapfmenge regeltechnisch so zu reagieren, dass die Auslauftemperatur möglichst konstant bleibt. Deshalb ist eine Einrichtung zur Messung des Durchflusses des entnommenen Warmwassers vorhanden. Es ist nicht erkennbar, dass dabei eine Leistungsbegrenzung für den Brenner vorgesehen ist, durch die kurze Brennerlaufzeiten verhindert werden könnten.

[0008] Weiterer relevanter Stand der Technik ist aus DE 198 41 256 A1 und JP 2 601110 B2 bekannt.

[0009] Es hat sich gezeigt, dass diese Betriebsweise nicht optimal ist, weil durchaus immer wieder sehr kurze Brennerlaufzeiten auftreten.

Aufgabe der Erfindung

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese kurzen Brennerlaufzeiten zu verhindern.

Beschreibung der Erfindung

[0011] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[0012] 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 mittels eines zusätzlichen Parameters die aktuelle Brennerleistung begrenzt wird.

[0013] 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.

[0014] Nach der Erfindung erfolgt eine Begrenzung der für den Regelbetrieb des Brenners erlaubten maximalen Brennerleistung durch den Sollwert der Kesselwassertemperatur als weitere Führungsgröße für den Wärmebedarf. Die effektiv wirksame Brennerleistung wird also nicht nur durch die Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert allein bestimmt, sondern zusätzlich noch durch den Kesselwassertemperatur-Sollwert.

[0015] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

[0016] Die einzige Figur zeigt ein Diagramm für die Brennerleistung in Funktion des Kesselwassertemperatur-Sollwerts. Auf der Abszissenachse ist der Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll aufgetragen. Für den Heizbetrieb entspricht der kleinste mögliche Wert der Raumtemperatur T_Rsoll von 20 °C. Der größte mögliche Wert ist der Kesselwassertemperatur-Maximal-Sollwert T_KsollMax. Dieser ist durch die Bauart des Heizkessels und durch die Art der Heizungsanlage vorgegeben und beträgt beispielsweise 70 °C. Der Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll ist dabei in bekannter Weise eine Funktion der Außentemperatur.

[0017] Auf der Ordinatenachse ist die Brennerleistung Q aufgetragen. Ein modulierender Brenner hat eine maximale Betriebsleistung, bezeichnet als Nennleistung Q_N. Ein Brenner kann nun nicht mit einer Leistung nahe Null betrieben werden, sondern er hat bauartbedingt eine bestimmte Minimalleistung Q_min. Das Modulieren des Brenners erfolgt also in den Grenzen Q_min und Q_N. Das Verhältnis Q_N zu Q_min wird üblicherweise als Modulationsgrad bezeichnet. Ein Modulationsgrad vom Wert 3 bedeutet also, dass die Minimalleistung Q_min ein Drittel der Nennleistung Q_N beträgt.

[0018] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird hier ein relativer Modulationsgrad M_rel eingeführt. Dieser relative Modulationsgrad M_rel ist 0 %, wenn der Brenner mit einer Leistung läuft, die der Minimalleistung Q_min entspricht, und er ist 100 %, wenn der Brenner mit seiner Nennleistung Q_N läuft.

[0019] Erfindungsgemäß ist nun dem Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll = 20 °C die Minimalleistung Q_min zugeordnet und dem Kesselwassertemperatur-Maximal-Sollwert T_KsollMax die Nennleistung Q_N. Diese beiden Punkte, im Diagramm mit A bzw. B bezeichnet, sind durch eine Gerade verbunden. Somit besteht zwischen diesen beiden Grenzen eine lineare Beziehung. Diese Gerade ist der erfindungsgemäß maximal zulässige Modulationsgrad M_rel.

[0020] Aus dem Diagramm lässt sich ablesen, dass bei einem Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll = 45 °C der maximal zulässig relative Modulationsgrad M_rel 50 % beträgt. Damit beträgt die im Regelbetrieb maximal zulässige Brennerleistung für einen Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll = 45 °C, nämlich

Üblicherweise ist ein Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll = 20 °C einem Raumtemperatur-Sollwert T_Rsoll = 20 °C zugeordnet. Somit lässt sich die Gerade AB auch beschreiben als Funktion, mit deren Hilfe der Modulationsgrad M_rel in Prozent berechenbar ist:

[0021] Dass dies dazu führt, kurze Brennerlaufzeiten zu verhindern, wird anhand von Beispielen erläutert.

[0022] Üblicherweise wird die Brennerleistung, wie eingangs erwähnt, aus der Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert T_Kist und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll abgeleitet. Angenommen sei, dass bei einem Brennerstart diese Differenz 20 °C betrage. Bei Brennerregelungen nach dem Stand der Technik wird allein dieser Wert für die Festlegung der momentanen Leistung des Brenners benutzt. Nun seien aber zwei mögliche Fälle unterschieden:
Im ersten Fall sei der Kesselwassertemperatur-Istwert T_Kist = 50 °C und der Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll = 70 °C. Es ist leicht erkennbar, dass dieser Fall auftritt, wenn sehr kalte Witterung herrscht. Aus dem Diagramm lässt sich nun ablesen, dass bei einem Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll = 70 °C der zulässige Modulationsgrad M_rel = 100 % beträgt. Der Brenner wird also mit voller Leistung starten. Wenn dann Wärme erzeugt wird, wird in der Folge die Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert T_Kist und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert T_ksoll abnehmen, was dann zu einer Reduktion der Brennerleistung führt.

[0023] Im zweiten Fall sei der Kesselwassertemperatur-Istwert T_Kist = 20 °C und der Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll = 40 °C, so dass auch hier die zur Regelung der Brennerleistung üblicherweise herangezogene Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert T_Kist und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll 20 °C beträgt. Es ist aber klar, dass dieser Fall auftritt, wenn keine sehr kalte Witterung herrscht. Erfindungsgemäß wird nun aber nicht die Differenz von 20 °C zur Regelung der Brennerleistung benützt, sondern es erfolgt eine Leistungsbegrenzung gemäß dem Diagramm der Figur. Bei einem Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll = 40 °C wird die Brennerleistung auf 40 % begrenzt. Daraus folgt nun, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Leistungsbegrenzung die Laufzeit des Brenners verlängert wird.

[0024] Die Temperaturdifferenz von 20 °C wurde zur Verdeutlichung der Wirkung der Erfindung als Beispiel angenommen. In der Praxis kommt es natürlich auf die Schaltdifferenz an, die im Regler wirksam ist. Das können beispielsweise Werte in der Größenordnung von 8 oder 10 °C sein. Sehr viel höhere Differenzen treten aber regelmäßig auf, beispielsweise beim Übergang von einer im Heizkreis wirkenden Nachtabsenkung auf den Normalbetrieb, bei dem oftmals eine sogenannte Schnellaufheizung vorgenommen wird, damit erreicht wird, dass die über Nacht aufgetretene Abkühlung von Räumen und Wänden möglichst schnell ausgeglichen wird. Gerade bei einer solchen Schnellaufheizung verhindert die erfindungsgemäße Begrenzung der Brennerleistung ein häufiges Ein- und Ausschalten des Brenners mit all seinen nachteiligen Wirkungen.

[0025] Je geringer der effektive Wärmebedarf, desto stärker wirkt sich die Leistungsbegrenzung hinsichtlich Verlängerung der Brennerlaufzeit aus. Somit wird auch die Zahl der Brennerstarts vermindert. Insbesondere bei Verdampferbrennern wirkt sich das auch in der Weise aus, dass der zusätzliche Energiebedarf für den Brennerstart durch Vorlüften P407EPw, Dezember 08
des Brennraums und durch elektrische Aufheizung der Verdampferkammer insgesamt deutlich kleiner wird.

[0026] Die Verbindungslinie zwischen den Punkten A und B im Diagramm muss nicht notwendigerweise eine Gerade sein. Möglich ist auch eine hyperbelartige Linie, die im Diagramm punktiert eingezeichnet ist. Hierdurch kommt es zu einer stärkeren Leistungsbegrenzung, die insbesondere bei geringerem als dem maximalen Wärmebedarf stark wirkt.

[0027] Der der wahren Brennerleistung entsprechende effektive Modulationsgrad M_abs in Prozent lässt sich aus dem relativen Modulationsgrad M_rel mit Hilfe der Beziehung Q_N zu Q_min wie folgt berechnen:

[0028] Die Leistungsregelung für den Brenner erfolgt in der bekannten Weise durch einen Verhältnisregler für das Gemisch Brennstoff/Luft. Es wird also die Brennstoffmenge pro Zeiteinheit geregelt und die Luftmenge nachgeführt.

[0029] Da üblicherweise der Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll nur im Heizbetrieb variiert wird, während bei der Ladung des Warmwasserspeichers grundsätzlich der Kesselwassertemperatur-Maximal-Sollwert T_KsollMax wirksam ist, bedarf es für die Steuerung der Brennerleistung keines Umschalters zwischen Heizbetrieb und Warmwasserspeicherladung.

Ansprüche

1. Verfahren zur Regelung eines modulierenden Brenners in einem Heizkessel, dessen Leistung zwischen einer Minimalleistung Q_min und einer Nennleistung Q_N variierbar ist, wobei die im Regelbetrieb des Brenners wirksame Leistung aus der Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert T_Kist und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Leistung des Brenners gegen oben begrenzt wird auf einen Wert Q, der aus dem Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll abgeleitet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert Q mit abnehmendem Kesselwassertemperatur-Sollwert T_Ksoll sinkt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein relativer Modulationsgrad M_rel berechnet wird nach der Formel

in der T_Rsoll der Sollwert der Raumtemperatur und T_Ksollmax ein der Nennleistung Q_N des Brenners zugeordneter Kesselwassertemperatur-Maximal-Sollwert ist, und dass der Wert Q kleiner als oder gleich dem Wert Q' ist, der gemäß der Formel

berechnet wird.

Claims

1. Method for controlling a modulating burner in a boiler whose power can be varied between a minimum power Q_min and a rated power Q_N, wherein the effective power during normal burner operation is derived from the difference between the actual value TK_ist of the boiler water temperature and the setpoint TK_soll of the boiler water temperature, characterized in that the effective power of the burner is capped to a value Q, which is derived from the set point TK_soll of the boiler water temperature.

2. Method according to claim 1, characterized in that the value Q decreases with decreasing set point TK_soll of the boiler water temperature.

3. Method according to claim 2, characterized in that a relative modulation degree M_rel is calculated according to the formula

in which T_Rsoll is the setpoint of the room temperature and T_Ksollmax is a maximum setpoint of the boiler water temperature assigned to the rated power Q_N of the burner and that the value Q is less than or equal to the value Q' calculated according to the formula

Revendications

1. Procédé pour la régulation d'un brûleur à modulation dans une chaudière de chauffage dont la puissance peut varier entre une puissance minimale Q_min et une puissance nominale Q_N, dans lequel la puissance effective en fonctionnement de régulation du brûleur est dérivée de la différence entre la valeur réelle de la température de l'eau dans la chaudière de chauffage TK_ist et la valeur de consigne de la température de l'eau dans la chaudière de chauffage TK_soll, caractérisé en ce que la puissance effective du brûleur est plafonnée à une valeur Q, qui est dérivée de la valeur de consigne de la température de l'eau dans la chaudière de chauffage TK_soll.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur Q diminue avec la diminution de la valeur de consigne de la température de l'eau dans la chaudière de chauffage TK_soll.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un degré de modulation relative M_rel est calculé selon la formule

dans laquelle T_Rsoll est la valeur de consigne de la température ambiante et T_Ksollmax est une valeur de consigne maximale de la température de l'eau dans la chaudière de chauffage associée à la puissance nominale Q_N du brûleur, et en ce que la valeur Q est inférieure ou égale à la valeur Q' calculée selon la formule

Zeichnung