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Dokumentenidentifikation DE202006008512U1 02.11.2006
Titel Busgesteuertes Heizkörperventil
Anmelder Hidde, Axel R., Dr., 57076 Siegen, DE;
Klose, Odo, Prof., 42285 Wuppertal, DE
DE-Aktenzeichen 202006008512
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 02.11.2006
Registration date 28.09.2006
Application date from patent application 30.05.2006
IPC-Hauptklasse H04L 12/10(2006.01)A, F, I, 20060530, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H04L 12/28(2006.01)A, L, I, 20060530, B, H, DE   H02J 15/00(2006.01)A, L, I, 20060530, B, H, DE   F24D 19/10(2006.01)A, L, I, 20060530, B, H, DE   F16K 31/02(2006.01)A, L, I, 20060530, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Teilnehmern von Bussystemen steht immer nur ein bestimmter Anteil an elektrischer Energie zur Verfügung, die pro Teilnehmer aus dem Kommunikationsnetz entnommen werden darf. Insbesondere gilt dies für Teilnehmer eines Funk-Bussystems, die für den Eigenverbrauch eine zusätzliche Energiequelle benötigen. Die 230 V-Netzversorgung befindet sich äußerst selten in der Nähe von Heizkörpern; Heizkörper werden nach thermischen Gegebenheiten installiert.

Weiterhin sind keine besonderen Anforderungen an die Schnelligkeit der Schalthandlungen gefordert; Heizungssysteme sind zeitlich träge. Störend würden sich jedoch alle Art von Geräuschentwicklung auswirken.

Unterschieden werden aktive und passive Ventilsteuerungen im Sinne der Rückmeldung von Steuerinformationen; die passiven Ventilsteuerungen dienen nicht modernen Raum- und Gebäudeheizungskonzepten und sollen hier nicht weiter betrachtet werden.

Herkömmlich elektrisch gesteuerte Heizkörperventile bewirken eine Änderung der Ventilstellung durch die Ausdehnung eines elektrisch geheizten Ausdehnungsgefässes. Bei dieser Anordnung muß für die Aufrechterhaltung des aktiven Zustands stetig Energie zugeführt werden, um durch eine gezielte Übertemperatur die gewünschte Ausdehnung zu erreichen. Wird die elektrische Heizung des Ausdehnungsgefäßes abgeschaltet, zieht sich das Gefäß bei Abkühlung zusammen und das Ventil geht in einen passiven Schaltzustand über. Die Zuordnung des Schaltzustands 'Offen'/'Geschlossen' zu der Ventilstellung ist durch den konstruktiven Aufbau der Anordnung gegeben.

Die Anordnung zeichnet sich vorteilhaft dadurch aus, daß die Ventilverstellung einfach, verschleißarm, zuverlässig und wartungsfrei durchgeführt wird; nachteilig wirkt sich insbesondere der elektrische Energieverbrauch zur Aufrechterhaltung des aktiven Zustands aus.

Eine Alternative stellen auf elektromagnetischen Wirkungen beruhende Ventilsteuerungen dar. Hierbei kann es sich einerseits um ein elektromagnetisches Ventil – schnelle Schalthandlung bei hohem Stromverbrauch – oder um ein elektromotorisch angesteuertes Ventil – auch durch Getriebe unterstützt – handeln. Vorteilhaft wirkt sich aus, daß – aufgrund der Selbsthaltung durch das Getriebe – keine Halteenergie benötigt wird. Die benötigte elektrische Antriebsenergie sowohl für das elektromagnetische Ventil als auch für den Getriebemotor übersteigt jedoch bei weitem den zulässigen Teilnehmerstrom verdrahteter Bussysteme – beim Funk-Bussystem ist der Teilnehmerstrom gleich Null – so daß die Anordnung ohne elektrische Zusatzversorgung nicht betreibbar ist; die vielen beweglichen Teile des Getriebemotors sind verschleißbehaftet; dasselbe gilt für das Magnetventil. Darüber hinaus arbeiten derartige Getriebemotoren zu laut; beim Magnetventil wird zum schnellen Schalten ein Schieber gegen einen Anschlag gefahren und verursacht Geräusche.

Die vorgestellten Lösungen von elektrischen Antrieben eignen sich nicht für busgesteuerte Heizkörperventile von Heizungsanlagen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen zu schaffen unter Vernachlässigung obiger Nachteile.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen zeigen die Figuren und nehmen die Unteransprüche Bezug.

Ziel ist der Aufbau einer Heizkörper-Ventilsteuerung, die mit einem minimalen Aufwand an elektrischer Energie auskommt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher vorgeschlagen, das busgesteuerte Heizkörperventil für Heizungsanlagen mit elektrochemischem Aktor, Energierückgewinnung und Solarmodul auszurüsten.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands sind in den Figuren dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

1 Aufbau des busgesteuerten Heizungsventils mit elektrochemischem Aktor, Energierückgewinnung und Solarmodul in der Perspektive

2 Draufsicht des busgesteuerten Heizungsventils

3 Seitenansicht des busgesteuerten Heizungsventils

4 Vorderansicht des busgesteuerten Heizungsventils.

Gleiche und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele sind in den Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

1 zeigt in einer Konzeptstudie den Aufbau des busgesteuerten Heizkörperventils – hier als Eckventil ausgebildet – bestehend aus Ventileinheit 1 mit Ventilkörper 11, elektrochemischem Aktor 12 (nicht dargestellt), Energierückgewinnung/Elektronik 13 (nicht dargestellt) mit Übertragungs und Regelungstechnik, ggfs. Bedientableau 14 (nicht dargestellt) in einer Verkleidung 15 und Solarmodul 2. Der Aufbau der Ventileinheit ist als universell einsetzbares Durchgangs- oder Eckventil – auch mit unterschiedlichen Anschlägen – gestaltet. Der nicht benötigte Anschluß 3 – Überwurfmutter 16 – wird mit einem Blindstopfen 17 verschlossen. Das vereinfacht die Lagerhaltung und die Montage vor Ort und erlaubt eine kostengünstige Fertigung in Serie. Die Verkleidung besteht aus einem mehrstückigen Gehäuse ggfs. auch mit Bedientableau.

Da Heizkörper und deren Ventile sich zwar auf Grund thermischer Sachzwänge in Fensternähe befinden, jedoch nicht unbedingt direkter Lichteinstrahlung ausgesetzt sind, bietet die Einstellbarkeit der die Solarzelle 21 aufnehmenden Solarmodul-Konsole 22 mancherorts Vorteile. Das busgesteuerte Heizkörperventil kann als kompakte Einheit mit Ventilkörper und Anschlüssen aufgebaut werden, dem Ventil vorgelagert wird der elektrochemische Aktor montiert, neben dem die Meß-, Kalibrier- und Schnittstellen-Elektronik – ggfs. mit Anschußtechnik und Bedienoberfläche – positioniert wird. Diese Einheit wird von einem ansprechenden Gehäuse umgeben, welches auch das Drehgelenk 18 in Verbindung mit dem Dreh- und Verschiebegelenk 23 für die Solarmodul-Konsole – vielleicht auch rastbar – aufnimmt.

Die Bilder 23 zeigen die drei Ansichten des busgesteuerten Heizungsventils.

Eine weitere Ausprägung der erfinderischen Neuheit besteht darin, daß das Bedientableau im rückwärtigen Teil der Solarmodul-Konsole angeordnet wird.

Eine gute Antriebs-Alternative bietet der Einsatz des elektrochemischen Aktors, wie er – gemäß dem Stand der Technik – aus den Patentschriften DE 43 31 764, DE 43 31 763, DE 41 16 739 oder DE 33 16 258 bekannt geworden ist. Der gleichstrombetriebene elektrochemische Aktor ist als pneumatischer Antrieb mit integrierter Gasquelle und -senke zu verstehen; das Gas wird in einer reversiblen elektrochemischen Reaktion umgesetzt.

Beim elektrochemischen Aktor wird die negative Elektrode – an der sich Wasserstoff bildet – zur Gaserzeugung genutzt. Als Wasserstoffelektrode dient eine katalytisch wirksame Kohlenstoffelektrode, aktiviert durch eine aufgetragene Edelmetallschicht. Als positive Elektrode wird eine Nickelhydroxid-Elektrode – bekannt aus Nickel-Cadmium (NiCd)-Gerätebatterien – verwendet.

Der elektrochemische Aktor arbeitet nach dem Funktionsprinzip der bekannten Nickel-/Wasserstoffzelle zur Energiespeicherung. Durch Aufbringen von Ladung wird Wasserstoff erzeugt, die Volumenzunahme verrichtet mechanische Arbeit und führt zur Ausdehnung des als Federbalg gestalteten Gehäuses. Durch Entladen wird Wasserstoff abgebaut, elektrische Arbeit wird in Volumenarbeit umgewandelt und die Abnahme führt zur Schrumpfung des Federbalg-Gehäuses.

Mehrere Wasserstoffzellen werden in Reihe geschaltet in einem Edelstahlbecher elektrolytisch getrennt verbaut und bilden den Antrieb, der seinerseits in einen als Ausdehnungsgefäß dienenden Edelstahlbalg eingelassen und mit Boden und Deckel dicht verschweißt wird. Der elektrische Anschluß für den positiven Pol befindet sich isoliert im Boden; Balg und Deckel bilden – über den Zellenbecher mit der negativen Elektrode verbunden – den Minuspol.

Die Eigenschaften des elektrochemischen Aktors, wie Stellgeschwindigkeit, Verfahrweg und Kraft, werden durch die entwickelbare Gasmenge und die geometrischen Abmessungen des Ausdehnungsgefäßes, wie Durchmesser und Länge, bestimmt. Die entwickelbare Gasmenge ist von der Elektrodenoberfläche und der Zellenzahl des Aktors abhängig. Ein für die Anwendung vorgesehener Aktor weist auf einen Verfahrweg > 0 mm ... 5 mm, eine Ladung > 0 mAh ... 15 mAh, eine Zeit/Weg 10 s/mm ... 100 s/mm, eine Gegenkraft 30 N ... 300 N und einen Betriebsstrom 50 mA ... 200 mA.

Nach einer Stromunterbrechung verharrt der elektrochemische Aktor – bis auf seine Selbstentladung – in seiner Position; für die Rückstellung wird keine Energie benötigt, also ist auch eine Rückstellung bei Stromausfall möglich. Es gibt die Betriebszustände 'Auffahren'/'Halten'/'Zufahren'. Die Bewegungsabläufe geschehen absolut lautlos. Die gespeicherte Energie kann – zeitlich begrenzt – auch zur Stromversorgung für die Meß-, Kalibrier- und Schnittstellen-Elektronik genutzt werden.

Gemäß des Gesamtaufbaus der Anordnung besteht das busgesteuerte Heizkörperventil aus einem mechanischen Stellventil zur Zu-/Abflußregulierung, dem elektrochemischen Aktor als Antrieb, einem Hochleistungs-Ladekondensator als Energiespeicher, einem Solarmodul als Energiequelle, einem DC-DC-Wandler als Energiemanager und einer programmierbaren Meß-, Kalibrier- und Schnittstellen-Elektronik als Steuerung für die Betriebsabläufe.

Die mit einer Raumtemperatur-Erfassung verdrahtet oder drahtlos kommunizierende Schnittstellen-Elektronik vergleicht Soll- und Istwerte und steuert über den elektrochemischen Aktor das Stellventil zwecks Anpassung der Raumtemperatur. Soll das Stellventil mittels des elektrochemischen Antriebs zugefahren werden, wird die dazu benötigte Energie dem Hochleistungs-Ladekondensator entnommen und über den Gleichstrom (DC-DC)-Wandler dem Aktor zugeführt. Das Auffahren des Stellventils erfolgt über einen Entladevorgang des elektromechanischen Aktors ebenfalls über den Gleichstrom-Wandler und die vom Aktor abgegebene Energie wird im Hochleistungs-Ladekondensator gespeichert. Die Eigenverbräuche von Energie durch DC-DC-Wandler und Meß-, Kalibrier- und Schnittstellen-Elektronik sowie sonstige Verluste werden – durch ein Solarmodul kompensiert – von dieser dem Ladekondensator zugeführt. Die Anordnung weist einen sich ausgleichenden Energiehaushalt auf und benötigt keine weiteren Energiequellen, was besonders in der Betriebsweise als Funk-Bussystem von Wichtigkeit ist. Die Dimensionierung des Solarmoduls folgt der Definition des Gesamt-Energiehaushalts.

Die Meß- und Kalibrier-Elektronik ermöglicht die selbsttätige Kalibrierung von Stellventilen verschiedener Bauart oder unterschiedlicher Hersteller oder auch die Nachkalibrierung in Wartungszyklen bereits installierter Ventile. Dabei wird die Position der Extremwerte 'Offenes Ventil' und 'Geschlossenes Ventil' gespeichert. Ein Vergleich mit vorangegangenen Messungen gibt Auskunft über notwendige Wartungsintervalle. Auch läßt sich das Stellventil mit Hilfe des Aktors zwischen den beiden Extremstellungen beliebig dauerhaft positionieren und entsprechend der Sollwertvorgabe ohne Energiezuführung in dieser Position halten – bis auf die Kompensation der Selbstentladung des Aktors. Ebenfalls ist eine meßtechnische und softwaremäßige End-of-Life (EOL)-Erkennung des elektrochemischen Aktors gegeben.

Mit Hilfe der Schnittstellen-Elektronik können unterschiedliche Kommunikationssysteme, wie verdrahtete oder drahtlose Bussysteme, externe Aktorik oder Sensorik, mit der Gesamtanordnung verbunden werden. Die Kommunikation kann sowohl uniwie auch bidirektional erfolgen und kann für unterschiedliche Telegramme und Protokolle eingerichtet werden. Neben einfachen Kopplungen mit einem Raumthermostaten ermöglichen vernetzte Verbindungen mit Raum- oder Gebäudekontrollern ein jederzeit handhabbares Gebäude-Energiemanagement, dessen Effizienz sich kurzfristig in Umwelt und Kosten rechnen läßt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die zahlreichen Möglichkeiten und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der Anzahl der Schutzrechtsansprüche wider.

1
Ventileineit
11
Ventilkörper
12
Elektrochemischer Aktor (nicht dargestellt)
13
Energierückgewinnung/Elektronik (nicht dargestellt)
14
Bedientableau (nicht dargestellt)
15
Verkleidung/Gehäuse, zweistückig
16
Überwurfmutter
17
Blindstopfen
18
Gelenk 1 mit Tragarm, drehbar
2
Solarmodul
21
Solarzelle
22
Solarmodul-Konsole
23
Gelenk 2, dreh- und verschiebbar
24
Bedientableau (nicht dargestellt)
3
Anschluß


Anspruch[de]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen mit elektrochemischem Aktor, Energierückgewinnung/Elektronik und Solarmodul, dadurch gekennzeichnet, daß dem angeschlossenen Kommunikationsnetz keine elektrische Energie für den Eigenverbrauch der Gesamtanordnung entnommen wird. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gesamtanordnung selbst mit elektrischer Energie versorgt. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energierückgewinnung aus einem Hochleistungs-Ladekondensator als Energiespeicher, einem Solarmodul als Energiequelle und einem Gleichstrom (DC-DC)-Wandler als Energiemanager besteht. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Betriebsabläufe aus einer programmierbaren Meß-, Kalibrier- und Schnittstellen-Elektronik besteht. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochleistungs-Ladekondensator seine Energie aus dem sich entladenden elektrochemischen Aktor und/oder dem Solarmodul erhält. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der sich ladende elektrochemische Aktor seine Energie aus dem Hochleistungs-Ladekondensator erhält. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Gleichstrom-Wandler und Meß-, Kalibrier- und Schnittstellen-Elektronik ihre Energie aus dem Hochleistungs-Ladekondensator beziehen. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Kalibrier-Einrichtung Stellventile selbsttätig kalibriert, wartet und funktionsüberprüft. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die programmierbare Schnittstellen-Elektronik unterschiedlichste interne und externe, verdrahtete und drahtlose, uni- und bidirektionale Kommunikation zuläßt. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilaufbau universell als Durchgangs- oder Eckventil gestaltet ist. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gehäuste Ventileinheit aus Ventil, Aktor und Elektronik das Solarmodul über mindestens ein Gelenk aufnimmt. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk drehbar, verschiebbar und/oder rastbar ausgebildet ist. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gehäuste Ventileinheit aus Ventil, Aktor, Elektronik und Solarmodul über eine elektrische Anschluß- und Verbindungstechnik verfügt. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gehäuste Ventileinheit ein Bedientableau besitzt. Busgesteuertes Heizkörperventil für Heizungsanlagen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarmodul-Konsole rückwärtig das Bedientableau aufnimmt.






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