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Dokumentenidentifikation DE102007018725B4 22.01.2009
Titel Regelverfahren, Heizverfahren, Heizsystem mit mobilen Sensoren und Verwendung von mobilen Sensoren zur Messung von Zuständen eines Mediums
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Fritz, Udo, 73207 Plochingen, DE
DE-Anmeldedatum 20.04.2007
DE-Aktenzeichen 102007018725
Offenlegungstag 30.10.2008
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.01.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2009
IPC-Hauptklasse G01D 21/02  (2006.01)  A,  F,  I,  20070420,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse G05D 27/00  (2006.01)  A,  L,  I,  20070420,  B,  H,  DE
F24C 3/12  (2006.01)  A,  L,  I,  20070420,  B,  H,  DE
F24D 19/10  (2006.01)  A,  L,  I,  20070420,  B,  H,  DE
G05D 23/00  (2006.01)  A,  L,  I,  20070420,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren zur Regelung eines Heizsystems (1, 101) mit einem entlang einer Zirkulationsstrecke (2, 102) zirkulierenden Medium und ein Heizverfahren zum Heizen, insbesondere zum Heizen mittels eines Heizsystems (1, 101) wie einem Gasbrenner.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren zu schaffen, mit welchen bei Heizsystemen Zustände eines Mediums an verschiedenen Orten, insbesondere auch Zustandsänderungen des Mediums, erfasst werden können und entsprechend ein Heizsystem geregelt und/oder geheizt werden kann.
Das Regelverfahren umfasst die Schritte:
· Messen mindestens eines Zustands des zirkulierenden Mediums an mindestens zwei unterschiedlichen Orten der Zirkulationsstrecke (2, 102),
· Regeln mindestens einer Stellgröße zur Einstellung einer Heiz- oder Kühlleistung des Heizsystems (1, 101) anhand des gemessenen Zustands an den mindestens zwei unterschiedlichen Orten.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren zur Regelung eines Heizsystems mit einem entlang einer Zirkulationsstrecke zirkulierenden Medium nach Patentanspruch 1 und ein Heizverfahren zum Heizen, insbesondere zum Heizen mittels eines Heizsystems wie einem Gasbrenner nach Anspruch 2.

Zudem betrifft die Erfindung die Verwendung von mobilen Sensoren zur Messung mindestens eines Zustands des Mediums an mindestens zwei unterschiedlichen Orten innerhalb der Zirkulationsstrecke nach Anspruch 4.

Allgemein bekannt sind Vorrichtungen und Verfahren für Heizsysteme, bei denen statische Sensoren verwendet werden, um mindestens einen Zustand eines zirkulierenden Mediums zu erfassen. Mittels statischer Sensoren lassen sich nur Aussagen zu Systemzuständen des Mediums an dem jeweiligen Ort des entsprechenden Sensors treffen. Aussagen über Systemzustandsänderungen oder über Zustände an unterschiedlichen Orten lassen sich mittels eines statischen Sensoren nicht treffen. Sollen Zustände an unterschiedlichen Orten erfasst werden, so sind hier mehrere Sensoren vorzusehen.

Aus der US 6 745 833 B2 ist ein Messverfahren zur Erfassung mindestens eines Zustands eines zirkulierenden Mediums bekannt, bei dem ein mobiler Sensor an einem ersten Ort innerhalb der Zirkulationsstrecke eingebracht wird und mindestens ein Zustand des zirkulierenden Mediums an dem ersten Ort erfasst wird. Danach wird der mobile Sensor an einen zweiten Ort innerhalb der Zirkulationsstrecke bewegt und erfasst mindestens einen Zustands des zirkulierenden Mediums an dem zweiten Ort oder nach Umlauf wieder am ersten Ort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren zu schaffen, mit welchen bei Heizsystemen Zustände eines Mediums an verschiedenen Orten, insbesondere auch Zustandsänderungen des Mediums, erfasst werden können und entsprechend ein Heizsystem geregelt und/oder geheizt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 2, 3 und 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Regelverfahren zur Regelung eines Heizsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung eines Heizsystems mit einem entlang einer Zirkulationsstrecke zirkulierenden Medium die Schritte umfasst sind: Messen mindestens eines Zustands des zirkulierenden Mediums an mindestens zwei unterschiedlichen Orten der Zirkulationsstrecke und Regeln mindestens einer Stellgröße zur Einstellung einer Heiz- oder Kühlleistung des Heizsystems anhand des gemessenen Zustands an den mindestens zwei unterschiedlichen Orten. Durch das verbesserte Regelverfahren lässt sich eine optimierte Systemauslegung und Systemparametrisierung realisieren.

Somit werden in die Zirkulationsstrecke mehrere mobile Sensoren, die sich bevorzugt mit dem zirkulierenden Medium mitbewegen, eingebracht. Die Sensoren speichern mehrere Zustände des Mediums und kommunizieren diese gespeicherten Zustände an eine Kommunikationseinrichtung. Durch die mobilen Sensoren lassen sich insbesondere Zustandsänderungen über eine Veränderung des Ortes und/oder der Zeit aufzeichnen und übermitteln. Zum Beispiel können die Verteilung und die Geschwindigkeit in unterschiedlichen Zirkulationsstrecken bedeutend sein. Auf diese Weise lassen sich eine optimierte Regelung und/oder ein optimiertes Heizen des Heizsystems realisieren.

Unter Einbringen eines Sensors an einen ersten Ort wird im Sinne der Erfindung sowohl ein erstmaliges Einsetzen des Sensors in die Zirkulationsstrecke, als auch ein Bewegen des bereits eingesetzten Sensors an den ersten Ort verstanden. Ein Bewegen des Sensors kann sowohl aktiv als auch passiv erfolgen.

Das Heizverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Heizen, insbesondere zum Heizen mittels eines Heizsystems wie zum Beispiel mit einem fossil befeuerten und/oder mit regenerativer Energie betriebenen Heizgerät, die Schritte umfasst sind: Regeln des Heizsystems nach dem erfindungsgemäßen Regelverfahren und geregeltes Heizen, basierend auf der Einstellung mindestens einer Stellgröße. Aufgrund der verbesserten Regelung lässt sich ein optimiertes Heizen insbesondere in Abhängigkeit von Zustandsänderungen des zirkulierenden Mediums realisieren. Durch die optimierte Regelung lassen sich Heizkosten senken.

Der Sensor kann ein aktiver oder passiver Sensor sein, insbesondere in Bezug auf Bewegung, Kommunikation und/oder Speicherverhalten. Dabei weist der Sensor bevorzugt eine Speichereinheit auf oder fungiert direkt durch Material- oder Eigenschaftsänderung als Speicher, um mindestens einen Zustand, bevorzugt mehrere Zustände des zirkulierenden Mediums an unterschiedlichen Orten zu speichern. Unter einem aktiven Sensor versteht man einen Sensor, der eine Kommunikationseinheit zum Übertragen von Daten oder Informationen aufweist. Unter einem passiven Sensor versteht man einen Sensor, der keine eigene Kommunikationseinheit zum aktiven Übertragen von Daten aufweist, sondern dessen Daten mittels externer Kommunikationseinheiten ausgelesen werden können. Weiter umfasst der Sensor eine Kommunikationseinheit, um den gespeicherten Zustand oder die gespeicherten Zustände zu kommunizieren. Bevorzugt ist der Sensor als Multi-Sensor ausgebildet, um mehrere unterschiedliche Zustände des Mediums zu erfassen, insbesondere physikalische, chemische und/oder biologische Zustände es Mediums. Diese können bevorzugt sein: Fließgeschwindigkeit, Fließbeschleunigung, Druck, Temperatur, Sauerstoffgehalt, pH-Wert, Bakteriengehalt, Magnetfeld(-stärke), Ionisierung, Lumineszenz und dergleichen. Der Sensor selbst kann veränderbar ausgebildet sein, insbesondere hinsichtlich Position, Menge, Geschwindigkeit, physikalischem Zustand, chemischem Zustand und/oder biologischem Zustand. Zum Beispiel ist es denkbar, dass sich durch chemische Reaktionen und/oder Anlagerungen das Molekulargewicht des Sensors ändert. Vorteilhafterweise gehört ein Sensor in die Gruppe der Mikromechanik und -elektronik sowie der Nanomechanik und -elektronik. Bevorzugt ist der aktive Sensor ein Nanobot, ein Micro-PCB, ein Micro-Flash(-Drive), ein RFID-tag und/oder dergleichen. Passive Sensoren können dagegen bevorzugt chemische Elemente, zum Beispiel Eisenpartikel, sein. Auch kommen dafür Bakterien als biologische Sensoren in Frage.

Das Heizsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein erfindungsgemäßes Regel- und/oder Heizverfahren umfasst. Mit dem verbesserten Regelverfahren lässt sich ein optimiertes Heizen realisieren.

Verwendet werden vorteilhafterweise als mobile Sensoren insbesondere aktive und/oder passive mobile Sensoren wie dynamische Sensoren, physikalische Sensoren, biologische Sensoren, chemische Sensoren, Nanobots, Micro-PCBs, Micro-Flash(-Drives), RFID tags und dergleichen, innerhalb einer von einem Medium, insbesondere einem Wärme speichernden Medium wie Heizungswasser, Warmwasser, Kaltwasser, Brauchwasser, Sole, Luft und dergleichen, durchströmten Zirkulationsstrecke, wie Leitungen, Rohren, Mantelrohren, Wärmetauscher und dergleichen, eines Heizsystems, zur Messung mindestens eines Zustands des Mediums an mindestens zwei unterschiedlichen Orten innerhalb der Zirkulationsstrecke.

Mit den erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen sowie der erfindungsgemäßen Verwendung wird eine verbesserte Erfassung von Zuständen des zirkulierenden Mediums innerhalb der Zirkulationsstrecke ermöglicht. Insbesondere lassen sich Zustandsänderungen über unterschiedliche Orte der Zirkulationsstrecke erfassen. Auf diese Weise ist eine dynamische Messung, Regelung und Heizung möglich. Das Heizen lässt sich optimiert an die jeweiligen Bedürfnisse anpassen und es lässt sich durch die verbesserte Leistung Energie sparen. Auch der biologische Zustand kann verbessert werden, zum Beispiel im Hinblick auf mögliche Legionellenbildung. Weiterhin ist eine Optimierung von Service und Wartung mit den erfindungsgemäßen Mitteln und Maßnahmen genauere Aussagen als mit bisher bekannten Messverfahren möglich.

Die Zeichnungen stellen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:

1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Heizsystems mit einer Zirkulationsstrecke mit aktiven mobilen Sensoren,

2 zeigt schematisch einen Abschnitt der Zirkulationsstrecke nach 1, in welchem sich aktive, mobile Sensoren mit einem zirkulierenden Medium mitbewegen,

3 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Heizsystem mit einer Zirkulationsstrecke mit passiven Sensoren als Marker und

4 zeigt schematisch einen Abschnitt der Zirkulationsstrecke nach 3, in welchem sich passive Sensoren als Marker mit einem zirkulierendem Medium mitbewegen.

1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Heizsystems 1 mit einer Zirkulationsstrecke 2 mit aktiven mobilen Sensoren 3. Durch die Zirkulationsstrecke 2, die aus Rohrleitungen gebildet ist, zirkuliert ein Medium, beispielsweise Wasser. Die aktiven, mobilen Sensoren 3 sind schwimmend in dem zirkulierendem Medium angeordnet und strömen mit dem Medium mit. Die dargestellte Zirkulationsstrecke 2 durchläuft unter anderem drei Abschnitte des Heizsystems 1: einen Wärmeerzeuger 4, einen ersten Heizkreis 5 und einen zweiten Heizkreis 6 (betrachtet von links nach rechts). Der untere Zuführ-Leitungsabschnitt 7 der Zirkulationsstrecke 2 führt das Medium mit den Sensoren 3 zu dem Wärmeerzeuger 4. Dort durchläuft die Zirkulationsstrecke 2 in Strömungsrichtung ein Sende- und/oder Empfangsgerät bzw. Auslesegerät 8, welches mit den vorbeiströmenden Sensoren 3, genauer mit der Kommunikationseinheit 9 der Sensoren 3, kommuniziert. Dabei werden die in einem Speicher des Sensors gespeicherten Daten, welche die erfassten Zustände des Mediums repräsentieren, kommuniziert, insbesondere ausgelesen. Auslesegerät 8 und Kommunikationseinheit 9 bilden zusammen die Kommunikationseinrichtung 10. Die Kommunikationseinrichtung 10 umfasst weiter die dem Auslesegerät 8 nachgeschaltete Datenverarbeitungseinrichtung 11, in welcher die kommunizierten Daten verarbeitete werden. Nach Durchlauf durch den Wärmeerzeuger 4 führt die Zirkulationsstrecke 2 zu dem ersten und dem zweiten Heizkreis 5, 6, welche jeweils von der Zirkulationsstrecke 2 abzweigen. Der erste Heizkreis 5 mündet in dem Zuführ-Leitungsabschnitt 7 der Zirkulationsstrecke 2, der zweite Heizkreis 6 mündet in einem Rückfluss-Leitungsabschnitt 12 der Zirkulationsstrecke. Entsprechend verzweigen auch die Sensoren 3. In dem ersten Heizkreis 5 bewegen sich die Sensoren 3 durch den Heizkreis und erfassen entsprechende Zustände in dem ersten Heizkreis 5. In dem zweiten Heizkreis 6 bewegen sich die Sensoren 3 analog durch den zweiten Heizkreis 6 und erfassen dort Zustände des Mediums. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Sensoren 3 passiv durch das strömende Medium bewegt. Insbesondere sind hier die Sensoren 3 als aktive Sensoren 3 ausgebildet, welche Daten über die Temperatur, den pH-Wert, die Durchflussgeschwindigkeit, die Durchflussmenge, das Druckverhältnis etc. des Mediums entlang der Zirkulationsstrecke 2 sammeln und speichern. Die erfassten Daten werden durch die Kommunikationseinheit 9 der aktiven Sensoren 3 entweder direkt an eine hier nicht dargestellte Regelungseinrichtung oder an das Auslesegerät 8 übertragen. Die Kommunikation kann insbesondere drahtlos erfolgen.

2 zeigt schematisch einen Abschnitt der Zirkulationsstrecke 2 nach 1, in welchem sich aktive, mobile Sensoren 3 mit einem zirkulierenden Medium mitbewegen. Dargestellt sind vier aktive Sensoren 3, die sich jedoch hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft unterscheiden. Die vier Sensoren 3a3d sind je nach Einsatzweck ausgebildet und können hinsichtlich ihrer Eigenschaften, der zu messenden Zustände und dergleichen unterschiedlich ausgebildet sein. Die Zirkulationsstrecke 2 ist bevorzugt als kreisrohrförmige Leitung ausgebildet. In den Sensoren ist jeweils eine Kommunikationseinheit 9 untergebracht, um die erfassten Daten zu kommunizieren. Der ebenfalls in den Sensoren 3 untergebrachte Speicher ist nicht dargestellt.

3 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Heizsystem 101 mit einer Zirkulationsstrecke 102 mit passiven Markern 103 (oder auch passiven Sensoren 103). Die Zirkulationsstrecke 102 ist im Wesentlichen gleich zu der Zirkulationsstrecke 2 gemäß 1 ausgebildet. Das Heizsystem 101 weist im Wesentlichen die drei gleichen Abschnitte wie das Heizsystem 1 in 1 auf, nämlich einen Wärmeerzeuger 104, einen ersten Heizkreis 105 und einen zweiten Heizkreis 106 (betrachtet von links nach rechts). Die Marker 103 sind als Mikroelemente mit physikalischen und/oder chemischen und/oder biologischen Eigenschaften ausgebildet, zum Beispiel als Magnet, als Metall, als Katalysator, als Lichtelement, als RFID etc., also allgemein als passiver Sensor. Die Marker 103 senden selbst keine Daten aus. Stattdessen sind Auslesegeräte 108 bzw. Kommunikationseinheiten 109 entlang der Zirkulationsstrecke 102 vorgesehen, welche die Daten aus dem Speicher der Sensoren 103 auslesen. Falls die Sensoren selbst keine Zustandsänderungen aufweisen, können deren Menge und/oder Geschwindigkeit ausgewertet werden. Die Kommunikationseinheit 109 befindet sich anders als in 1 nicht in dem Sensor 3, sondern ist extern an diskreten Orten entlang der Zirkulationsstrecke 103 angeordnet. Eine erste Kommunikationseinrichtung 109a befindet sich eingangs des Wärmeerzeugers 104 und eine zweite Kommunikationseinrichtung 109b ausgangs der Wärmeerzeugers 104. Verbunden sind die beiden Kommunikationseinrichtung 109a und 109b mit einer dazwischen geschalteten Datenverarbeitungseinrichtung 111. Die Datenverarbeitungseinrichtung 111 verarbeitet die ausgelesenen Daten und/oder überträgt diese an eine zentrale Regeleinrichtung (hier nicht dargestellt). Weitere Kommunikationseinheiten 109c109h befinden sich vor und hinter jeder Abzweigung der Zirkulationsstrecke 102, um dort entsprechende Daten auszulesen. Die einzelnen Kommunikationseinheiten 109 können miteinander kommunizieren. Hierzu sind entweder Datenübermittlungsleitungen 112 zwischen unterschiedlichen Kommunikationseinheiten 109 vorgesehen oder die Kommunikation erfolgt drahtlos, zum Beispiel per Funk, Infrarotlicht, etc. Die Kommunikationseinheiten 109 lesen insbesondere physikalische oder chemische Veränderungen der Marker wie zum Beispiel Veränderungen in dem Magnetfeld, der Ionisation, dem pH-Wert, der Lumineszenz etc. der Marker 103 aus. Sie bestimmen Masse, Anzahl und/oder Geschwindigkeit der Marker 103.

4 zeigt schematisch einen Abschnitt der Zirkulationsstrecke 102 nach 3, in welchem sich passive Marker 103 mit einem zirkulierendem Medium mitbewegen. Dargestellt sind sechs Marker 103 welche sich entlang der dargestellten Pfeile mit dem Medium mitbewegen und die Zirkulationsstrecke 102 durchströmen. Umfänglich um die hier kreisrohrförmig dargestellte Zirkulationsstrecke 102 ist eine Kommunikationseinheit 109 angeordnet, welche die Daten der an der Kommunikationseinheit 109 vorbeiströmenden Marker 103 ausliest.

Zusammenfassend kann die Erfindung wie folgt beschrieben werden: Mobile Sensoren werden dem sich im System befindenden Medium (Heizungswasser/Warmwasser/Luft) zentral zugeführt und zirkulieren dann darin. Es sind zwei grundsätzliche Arten von Sensoren verwendbar: aktive und/oder passive Sensoren. Passive Sensoren (bzw. Marker) fungieren wie folgt: Während die passiven Sensoren im System zirkulieren erfahren Sie, bedingt durch physikalische, chemische oder biologische Systemparameter (wie z. B. Fließgeschwindigkeit, -beschleunigung, Druck, Temperatur, Sauerstoffgehalt, pH-Wert, Bakteriengehalt wie z. B. von Legionellen, Magnetfeld, Ionisierung, Lumineszenz etc.) eine Änderung ihrer Position, Menge, Geschwindigkeit oder Ihres physikalischen, chemischen oder biologischen Ausgangszustandes. Passive Sensoren können entweder im gesamten System von außen detektiert werden oder ihr Zustand bzw. ihre Daten können an einer oder mehreren stationären Messstellen ausgelesen werden, wenn Sie daran vorbeikommen.

Aktive Sensoren fungieren wie folgt: Aktive Sensoren können physikalische, chemische oder biologische Daten im System sammeln und diese entweder von ihrer jeweiligen Position aktiv senden oder beim Passieren einer Kommunikationseinheit ihre Daten aktiv oder passiv auslesen lassen.

Die erfassten und übertragenen Daten können beispielsweise in einem Service-Tool für Installateure und Heizungsbauer verwendet werden, um aktuelle Systemzustände zu diagnostizieren und darzustellen. Diese können zur Optimierung der Systemauslegung und -parameter eingesetzt werden. Die Daten können auch im Heizgerät oder Regler verwendet werden, um Regelungsalgorythmen anzupassen, z. B. auch selbstlernend. Der Einsatz mobiler, sich im Heizungsnetz befindlicher Sensoren hat weiterhin den Vorteil, dass keine Rohre und Wände mehr aufgetrennt werden müssen, um Aussagen über dezentrale Systemorte erhalten zu können.


Anspruch[de]
Regelverfahren zur Regelung eines Heizsystems (1, 101) mit einem entlang einer Zirkulationsstrecke (2, 102) zirkulierenden Medium und mit den Schritten:

– Messen mindestens eines Zustands des zirkulierenden Mediums an mindestens zwei unterschiedlichen Orten der Zirkulationsstrecke (2, 102), mit einem Messverfahren umfassend die Schritte

– Einbringen eines mobilen Sensors (3, 103) an einen ersten Ort innerhalb der Zirkulationsstrecke (2, 102),

– Erfassen mindestens eines Zustands des zirkulierenden Mediums an dem ersten Ort,

– Bewegen des mobilen Sensors (3, 103) an einen zweiten Ort innerhalb der Zirkulationsstrecke (2, 102) und

– Erfassen mindestens eines Zustands des zirkulierenden Mediums an dem zweiten Ort oder nach Umlauf wieder am ersten Ort,

– Regeln mindestens einer Stellgröße zur Einstellung einer Heiz- oder Kühlleistung des Heizsystems (1, 101) anhand des gemessenen Zustands an den mindestens zwei unterschiedlichen Orten.
Heizverfahren zum Heizen, insbesondere zum Heizen mittels eines Heizsystems (1, 101), umfassend die Schritte:

Regeln des Heizsystems (1, 101) nach dem Regelverfahren gemäß Anspruch 1 und geregeltes Heizen basierend auf der Einstellung mindestens einer Stellgröße.
Heizsystem (1, 101), umfassend ein Regel- und/oder Heizverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche. Verwendung von mobilen Sensoren (3, 103), insbesondere von aktiven und/oder passiven mobilen Sensoren (3, 103) wie dynamischen Sensoren, physikalischen Sensoren, biologischen Sensoren, chemischen Sensoren, Nanobots, Micro-PCBs, Micro-Flash(-Drives), RFID tags und dergleichen, innerhalb einer von einem Medium, insbesondere einem Wärme speichernden Medium wie Heizungswasser, Warmwasser, Kaltwasser, Brauchwasser, Sole, Luft und dergleichen, durchströmten Zirkulationsstrecke (2, 102), wie Leitungen, Rohren, Mantelrohren, Wärmetauscher und dergleichen, eines Heizsystems (1, 101), zur Messung mindestens eines Zustands des Mediums an mindestens zwei unterschiedlichen Orten innerhalb der Zirkulationsstrecke (2, 102).






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