Thermostate für Fußbodenheizung

[Axel Berger]

Hat jemand eine vernünftige Beschreibung wie handelsübliche
Raumthermostate für Fußbodenheizungen funktionieren, hier "Alre"?

Soweit erkennbar sind es geschlossene Kunststoffgehäuse ohne
Luftzirkulation, die also zum guten Teil die Wand- und nicht die
Raumtemperatur erfassen. Im Inneren ist ein Bimetall mit gigantischer
Hysterese (ca. 4 K). Daneben scheint ein mit geschalteter Heizwiderstand
zu liegen, der das Innere des Thermostaten beheizt und ihn abschaltet,
bevor die träge Raumheizung die ganze Luft erwärmt hat und sie damit
wohl vom Überschießen abhält. Ein Aufkleber im Inneren sagt "4 K/h".

Soweit meine geratene Interpretation. Ich hätte es gern genauer mit
Zahlen, Daten und Meßwerten.

Zusatzfrage: Mein System ist 230 V mit elktrothermischen Ventilen in der
Verteilung. Gibt es bezahlbare Alternativen zu den Einfachthermostaten
mit z.B. Zeitsteuerung? Gibt es Geräte mit mehr als einem Ausgang in
einem Gehäuse? Mein Wohnzimmer hat zwei Kreise, die zusammen geschaltet
werden, aber abends möchte ich nur den in Fensternähe, im Bereich der
Innenwände kommt am Abend keine Strahlungskälte auf.

Danke
Axel

[Volker Staben]

Moin, Axel,

Post by Axel Berger
Soweit erkennbar sind es geschlossene Kunststoffgehäuse ohne
Luftzirkulation, die also zum guten Teil die Wand- und nicht die
Raumtemperatur erfassen. Im Inneren ist ein Bimetall mit gigantischer
Hysterese (ca. 4 K). Daneben scheint ein mit geschalteter Heizwiderstand
zu liegen, der das Innere des Thermostaten beheizt und ihn abschaltet,
bevor die träge Raumheizung die ganze Luft erwärmt hat und sie damit
wohl vom Überschießen abhält. Ein Aufkleber im Inneren sagt "4 K/h".

Lehrbuchmäßig klassischer Fall eines Zweipunktreglers mit Hysterese und
interner Rückführung. Da hat jemand seine Hausaufgaben gemacht :-)

Der Heizwiderstand reagiert zeitlich früher als der Raum. Die Heizung
wird so mit größerer Frequenz getaktet als es der Fall wäre, wenn man
warten würde, bis die Temperatur am Ausgang der Regelstrecke (also die
Raumtemperatur) die jeweilige Schaltgrenze des Bimetalls erreicht. Damit
ergibt sich eine Pulsweitenmodulation der Heizleistung und die Regelung
verhält sich annähernd wie eine stetige Regelung. Die große
Zeitkonstante der Regelstrecke führt zu kleineren Schwankungen der
Raumtemperatur, d.h., die "gigantische Hysterese" schlägt nur minimal
auf die Raumtemperatur durch.

Gruß, V.

[Axel Berger]

Post by Volker Staben
Der Heizwiderstand reagiert zeitlich früher als der Raum.

Danke. Du bestätigst meine aus dem Augenschein hergeleitete Analyse.
Trotzdem hätte ich gern einen Verweis auf Quellen und Daten. Der
Aufkleber "4 K/h" deutet auf mehrere mögliche Ausführungen hin. Hier
scheint in riesigen und in winzigen Räumen immer derselbe verbaut zu
sein. Das kann richtig sein, der Aufbau des Bodens ist überall derselbe
mit Wärmekapazität und Temperaturleitfähigkeit ist überall derselbe.
Zudem stört mich die Wandnähe etwas. Meine eigenen Kontrollthermometer
hängen aus gutem Grund nie an der Wand sondern immer an Möbeln.

Axel

[horst.d.winzler]

Post by Axel Berger

Post by Volker Staben
Der Heizwiderstand reagiert zeitlich früher als der Raum.

Danke. Du bestätigst meine aus dem Augenschein hergeleitete Analyse.
Trotzdem hätte ich gern einen Verweis auf Quellen und Daten.

Heizwiderstand im Raumthermostaten läuft unter "thermischer
Rückführung". Soll die Pendelbewegung einer Zweipunktregelung dämpfen.
Wurde mit Masseneinführung von Ölheizungen notwendig. Muß so ab der
1960ern gewesen sein. Literatur deshalb etwas schwierig.

[Volker Staben]

Post by Axel Berger

Post by Volker Staben
Der Heizwiderstand reagiert zeitlich früher als der Raum.

Danke. Du bestätigst meine aus dem Augenschein hergeleitete Analyse.
Trotzdem hätte ich gern einen Verweis auf Quellen und Daten.

Daten zu Deinem konkreten Thermostat wird nur der Hersteller liefern
können. Quellen: in fast jeder Lehrbuchserie müsste seit mindestens
vierzig Jahren ein Abschnitt zu schaltenden Reglern mit interner
Rückführung stehen. Bei Bedarf schaue ich mal nach konkreten Quellen.

Post by Axel Berger
Der
Aufkleber "4 K/h" deutet auf mehrere mögliche Ausführungen hin. Hier
scheint in riesigen und in winzigen Räumen immer derselbe verbaut zu
sein.

Das ist ja auch durchaus sinnvoll. Letztlich bestimmt die Dynamik der
Rückführung zusammen mit den Eigenschaften der Heizung die
Schalthäufigkeit. Die konkret eingesetzte Version orientiert sich also
eher an der Heizung bzw. an deren gewünschter Betriebsweise
(Schaltfrequenz, Einschaltdauer). Der Raum hat dann nur insofern
Einfluss, als es eben länger oder weniger lange dauert, bis er die zur
mittleren Heizleistung gehörende Temperatur angenommen hat.

Die Dimensionierung dürfte (wie wohl fast immer bei GWS) empirisch nach
Erfahrungsregeln vorgenommen werden - "Das machen wir immer so."

Post by Axel Berger
Das kann richtig sein, der Aufbau des Bodens ist überall derselbe
mit Wärmekapazität und Temperaturleitfähigkeit ist überall derselbe.
Zudem stört mich die Wandnähe etwas. Meine eigenen Kontrollthermometer
hängen aus gutem Grund nie an der Wand sondern immer an Möbeln.

Wandnähe dürfte in diesem Fall kein Problem sein. Wichtig ist nur, dass
der Heizwiderstand mit Verlusten und Wärmekapazität so austariert ist,
dass sich die gewünschte Schalthäufigkeit ergibt. Da kommt es
offensichtlich auf 30% nicht an...

Gruß, V.

[Volker Staben]

Post by Axel Berger
Trotzdem hätte ich gern einen Verweis auf Quellen und Daten.

Quellen: bspw. in

Schulz, G.: Regelungstechnik 1. 4. Auflage, Oldenbourg
Wissenschaftsverlag, München, 2010

ist auf S. 334f genau Deine Anwendung als Beispiel genannt. Dazu dann
der Einsatz dieses Zweipunktreglers mit Hysterese und interner
Rückführung für eine Verzögerungsstrecke höherer Ordnung. Das ist zwar
vermutlich eine andere Anwendung als bei Dir, wo wahrscheinlich die
einzige Rückführung über Heizwiderstand und Bimetall führt (also im
Prinzip zusammen mit dem Raum eine Steuerung vorliegt). Aber die
wesentlichen Erkennnisse kann man übertragen: dass nämlich die interne
Rückführung eine deutliche Erhöhung der Schaltfrequenz und damit
gleichzeitig eine deutliche Abnahme der Welligkeit zur Folge hat.

Ansonsten ist die Literatur tatsächlich mager: es ist halt ein
steinaltes Thema und die Regelungstechnik beschäftigt sich heute eher
mit weichen strukturvariablen Regelungen oder Sliding Mode-Reglern oder
flachheitbasierten Regelungen. Jedes Zeitalter hat seine Themen.

Zeitoptimal ist das natürlich nicht. Das ist aber bei vielen, ähnlich
gestrickten Zweipunktregelungen für Haus und Hof genauso. Meine
Kochfelder im Ceranfeld schalten auch mehrfach, obwohl das Wasser für
die Pasta noch nicht kocht.

Gruß, V.

[Axel Berger]

Post by Volker Staben
Schulz, G.: Regelungstechnik 1. 4. Auflage, Oldenbourg
Wissenschaftsverlag, München, 2010

Danke. Habe mir gerade günstig, da Du ja sagst, es sei ältere Technik,
die Auflage von 2004 geschossen. In einigen Tagen soll sie da sein.

Danke
Axel

[Rolf Bombach]

Post by Volker Staben
Ansonsten ist die Literatur tatsächlich mager: es ist halt ein
steinaltes Thema und die Regelungstechnik beschäftigt sich heute eher
mit weichen strukturvariablen Regelungen oder Sliding Mode-Reglern oder
flachheitbasierten Regelungen. Jedes Zeitalter hat seine Themen.

Nunja, heutige "Regler", auch nicht billige, sind trotzdem billigst
gemacht. Einziger Unterschied scheint zu sein, dass "alles", d.h.
im wesentlichen der Heizwiderstand, auf einer miesen Pertiknax-
Platine drauf ist. Einschlägige Literatur, besonders für Ausbildung,
sollte sich auch mit dem was ist und nicht ausschliesslich mit
dem was sein sollte oder könnte beschäftigen.

BTW, im Moment frag ich mich gerade, ob ich das Thema Glühlampen
aus meinem Kurs rausschmeissen sollte.

[Volker Staben]

Post by Rolf Bombach

Post by Volker Staben
Ansonsten ist die Literatur tatsächlich mager: es ist halt ein
steinaltes Thema und die Regelungstechnik beschäftigt sich heute eher
mit weichen strukturvariablen Regelungen oder Sliding Mode-Reglern oder
flachheitbasierten Regelungen. Jedes Zeitalter hat seine Themen.

Nunja, heutige "Regler", auch nicht billige, sind trotzdem billigst
gemacht. Einziger Unterschied scheint zu sein, dass "alles", d.h.
im wesentlichen der Heizwiderstand, auf einer miesen Pertiknax-
Platine drauf ist.

Ich denke, da kann man deutliche Unterschiede in verschiedenen
Anwendungsfeldern ausmachen. Bei weißer Ware, Haushaltsgeräten etc.
stimme ich Dir zu. In der industriellen Regelungstechnik sieht das aber
völlig anders aus. Dort findet man auch durchaus "höherwertige"
Verfahren, vor allem bei eingebetteten Reglern.

Aber die klassische industrielle Prozesstechnik hat ihre
Verbesserungspotenziale. Es gibt Umfragen, nach denen in bestimmten
Branchen der weitaus überwiegende Anteil industrieller Regelungen mit
P-, PI- und PID-Reglern gefahren werden (1). Ebenso hat der weitaus
überwiegende Teil der Regelungen verbesserungsfähige Performanz (2a).
Viele Regelungen werden im Handbetrieb gefahren, weil sie im
Automatikbetrieb keine vernünftigen Ergebnisse bringen (2b).

Man könnte vielleicht mal auf die Idee kommen, dass zwischen (1) und (2)
ein Zusammenhang besteht.

Wenn man in Bildung und Ausbildung ständig an der Technologie von 1955
klebt, dann lernen die Studierenden und Auszubildenden natürlich auch
genau diese Technologie kennen - und wissen nicht, dass man inzwischen
über deutlich leistungsfähigere Verfahren verfügt.

Gleichzeitig sieht man Schränke voll mit modernsten Busklemmen der
üblichen Verdächtigen - aber der Regler wird dann nach Ziegler/Nichols
eingestellt und alle Welt wundert sich, dass das nicht zufriedenstellt.
Einmal Hirn einschalten, bitte.

Post by Rolf Bombach
Einschlägige Literatur, besonders für Ausbildung,
sollte sich auch mit dem was ist und nicht ausschliesslich mit
dem was sein sollte oder könnte beschäftigen.

Für die Technologie von 1955 hat man ja die Literatur von 1955. Die wird
ja nicht schlecht, sondern nur alt. Wer dann Paläoregelungstechnik
betreiben möchte, soll auch bei den "Alten Meistern" nachsehen. Dann
merkt er jedenfalls an irgendeinem Punkt, dass er im Altertum unterwegs
ist. In der Literatur von 2016 sollte das stehen, was 2016 relevant ist
- und genau das steht ja auch drin.

Post by Rolf Bombach
BTW, im Moment frag ich mich gerade, ob ich das Thema Glühlampen
aus meinem Kurs rausschmeissen sollte.

"Kurs" - für welchen Adressatenkreis (nur mal interessehalber gefragt)?

Gruß, V.

[Axel Berger]

Post by Volker Staben
In der industriellen Regelungstechnik sieht das aber
völlig anders aus. Dort findet man auch durchaus "höherwertige"
Verfahren, vor allem bei eingebetteten Reglern.

"Kann man finden", aber nicht generell "findet man". Im POrojekt an der
RWTH wurde ein teurer "professioneller" Frequenz-Spannungs-Umsetzer
(vulgo Drehzahlmesser, wenn auch hier in einer anderen anwendung, aber
ohne den teuersten Teil, ohne Drehspulinstrument nur mit Analogausgang)
mit zwei Trimmern für Offset und Steigung zur Justage auf 0-10 V für
iirc rund 500 Mark eingesetzt. Innen simpelste Billigtechnik mit
billigen wenig temperaturstabilen Kondensatoren und überall, auch im
zeitbestimmenden Glied, ausnahmslos nur billigste
Kohleschichtwiderstände.

Post by Volker Staben
aber der Regler wird dann nach Ziegler/Nichols
eingestellt und alle Welt wundert sich, dass das nicht zufriedenstellt.

Na ja, bis dahin habe ich es gelernt. Ich glaube immer noch, daß es fast
immer bessere Ergebnisse bringt, wenn Leute das, was sie verstanden
haben, richtig machen, als etwas potentiell weit besseres, das sie nicht
verstanden haben, falsch. Am Gerät nur die "Auto"-Taste drücken kann gut
gehen und befriedigende Ergebnisse bringen, muß aber nicht.

Das soll jetzt nicht heißen, daß ich nicht dazulernen könnte oder
wollte, aber in der Fertigung im laufenden Betrieb fehlt oft die Zeit
und ich ziehe das bewährte und beherrschte gern vor.

Axel

[Volker Staben]

Post by Axel Berger

Post by Volker Staben
In der industriellen Regelungstechnik sieht das aber
völlig anders aus. Dort findet man auch durchaus "höherwertige"
Verfahren, vor allem bei eingebetteten Reglern.

"Kann man finden", aber nicht generell "findet man". Im POrojekt an der
RWTH wurde [...]

das ist nicht gerade Industrie. Und einzelne exemplarische Gegenbeweise
ändern nichts an einem weit verbreiteten Standard.

Post by Axel Berger

Post by Volker Staben
aber der Regler wird dann nach Ziegler/Nichols
eingestellt und alle Welt wundert sich, dass das nicht zufriedenstellt.

Na ja, bis dahin habe ich es gelernt. Ich glaube immer noch, daß es fast
immer bessere Ergebnisse bringt, wenn Leute das, was sie verstanden
haben, richtig machen, als etwas potentiell weit besseres, das sie nicht
verstanden haben, falsch.

Das ist ja trivial. Natürlich ist ein Regler, der nach Methodik von 1942
eingestellt wurde und es tut, besser als jeder Regler, der es nicht tut.
Aber 1942 kann doch nicht wirklich im Jahre 2016 der Stand sein, an dem
wir uns orientieren wollen?

V.

[horst.d.winzler]

Post by Volker Staben
Das ist ja trivial. Natürlich ist ein Regler, der nach Methodik von 1942
eingestellt wurde und es tut, besser als jeder Regler, der es nicht tut.
Aber 1942 kann doch nicht wirklich im Jahre 2016 der Stand sein, an dem
wir uns orientieren wollen?

Dafür war die alte Technik der Kohledruckregler fast unverwüstlich. Ich
wüste nicht, das die jemals gewartet wurden? ;-)

[Rolf Bombach]

Post by Volker Staben

Post by Rolf Bombach

Post by Volker Staben
Ansonsten ist die Literatur tatsächlich mager: es ist halt ein
steinaltes Thema und die Regelungstechnik beschäftigt sich heute eher
mit weichen strukturvariablen Regelungen oder Sliding Mode-Reglern oder
flachheitbasierten Regelungen. Jedes Zeitalter hat seine Themen.

Nunja, heutige "Regler", auch nicht billige, sind trotzdem billigst
gemacht. Einziger Unterschied scheint zu sein, dass "alles", d.h.
im wesentlichen der Heizwiderstand, auf einer miesen Pertiknax-
Platine drauf ist.

Ich denke, da kann man deutliche Unterschiede in verschiedenen
Anwendungsfeldern ausmachen. Bei weißer Ware, Haushaltsgeräten etc.
stimme ich Dir zu. In der industriellen Regelungstechnik sieht das aber
völlig anders aus. Dort findet man auch durchaus "höherwertige"
Verfahren, vor allem bei eingebetteten Reglern.

Ja klar. Ich sprach einen Raumtemperatur-"Regler" an, wie sie in
Millionenstückzahlen an die Wand genagelt werden. Rein technisch
sehe ich da keine Unterschied zu Thermostaten von anno 1950, ausser
dass letztgenannte heute noch funktionieren.
Für industrielle Umgebung und/oder Prozesstechnik nimmt man schon
echte Regler. Für einen externen Prüfstand hatten "wir" (Projekt-
beteiligung sozusagen mit Naturalien bezahlt) 40 PID Regler für
Temperaturen. War gar nicht einfach, 96x96 Kistchen mit 8 Reglern
pro Kiste zu finden, sonst hätte das nie Platz gehabt. Weiterer
Schrank mit Thyristorstellern, dritter Schrank für Thermoelement-
Umformer und "Verschiedenes". So was geht nicht für Hausgebrauch.

Post by Volker Staben
Aber die klassische industrielle Prozesstechnik hat ihre
Verbesserungspotenziale. Es gibt Umfragen, nach denen in bestimmten
Branchen der weitaus überwiegende Anteil industrieller Regelungen mit
P-, PI- und PID-Reglern gefahren werden (1). Ebenso hat der weitaus
überwiegende Teil der Regelungen verbesserungsfähige Performanz (2a).
Viele Regelungen werden im Handbetrieb gefahren, weil sie im
Automatikbetrieb keine vernünftigen Ergebnisse bringen (2b).

Unser Anlagenbauer hat immerhin diesen Handbetrieb automatisiert.
Sollwert-slew-rate-Begrenzung und dergleichen.

Post by Volker Staben
Man könnte vielleicht mal auf die Idee kommen, dass zwischen (1) und (2)
ein Zusammenhang besteht.
Wenn man in Bildung und Ausbildung ständig an der Technologie von 1955
klebt, dann lernen die Studierenden und Auszubildenden natürlich auch
genau diese Technologie kennen - und wissen nicht, dass man inzwischen
über deutlich leistungsfähigere Verfahren verfügt.

Es reicht, mal kurz etwa PI^(3/2) oder so was zu erwähnen, und schon
gibt es nur noch Stirnrunzeln. Wobei man das noch recht einfach in
Analogtechnik mit einigen R und C zusammenlöten kann.

Post by Volker Staben
Gleichzeitig sieht man Schränke voll mit modernsten Busklemmen der
üblichen Verdächtigen - aber der Regler wird dann nach Ziegler/Nichols
eingestellt und alle Welt wundert sich, dass das nicht zufriedenstellt.
Einmal Hirn einschalten, bitte.

Wie wahr. Ich hatte mal einen Elektroniker, der hat immer zuerst Z/N
versucht, so richtig noch mit Millimeterpapier. Hat nie funktioniert,
er meinte dann, er würde es nur probieren, damit sein Vorurteil, es
funktioniere in der Praxis nie, untermauert würde. Er hatte durchaus
eine konkrete Meinung zur Qualität der Ausbildung an gewissen Institutionen.

Post by Volker Staben

Post by Rolf Bombach
BTW, im Moment frag ich mich gerade, ob ich das Thema Glühlampen
aus meinem Kurs rausschmeissen sollte.

"Kurs" - für welchen Adressatenkreis (nur mal interessehalber gefragt)?

Diverse. Glühlampen kommen nur im mini-Kurs für Physiklaboranten-Lernende
vor. Das ist so was wie PhyTA, allerdings 4 Jahre und letztendlich ist
Hochschulreife erreichbar. Der Beruf ist hier recht selten, es gibt nur
etwa 25 Leute pro Jahrgang im gesamten Gebiet unserer Arge: "Deutschweiz
und Liechtenstein" (jawoll, international :-]).
Da die Kandidaten handverlesen sind, ist allerdings ein hohes Niveau angesagt,
Physik und Mathe auf Gymnasiallevel. Etwa 10 haben in den letzten Jahren
die ETH-Eintrittsprüfung geschafft und studieren nun hauptsächlich MaschIng.
Theorie, meinen sie, wäre recht heftig, Praktika hingegen eher wie Ferien.

Heuer hab ich den ersten Jahrgang, der Glühlampen eher einem Museum
zugeordnet hätte. Wenn die Leuchtstofflampen auch noch aussterben, wird
es für mich noch schwieriger, das Thema Lichtquellen zum Einstieg in
andere Themen zu missbrauchen. LED ist nicht für alles gut :-].

Beim Kurs für die ETH Diplomanden zum Thema Messtechnik an Motoren/Turbinen
(so etwa vom Thermoelement bis zum Farbstofflaser) darf ich Elektronik nicht
zu sehr breittreten. Spätestens bei Brummschleifen und dergleichen scheinen
die abzukoppeln. Erwähnt man einen Transistor (am besten noch mit Kennlinie),
macht sich sichtbares Entsetzen breit. Alle unwichtigen und langweiligen Themen,
d.h. alles andere ausser Elektronik und Laser, werden zum Glück von andern
Dozenten übernommen. (Dass ETH-Dozenten bei ETH-Kursen öfter mal in der Unterzahl
sind und die Studenten wohl hauptsächlich wegen der Euroturbo-Sammelpunkte kommen,
scheint ja heutzutage eher normal zu sein.)

Obiges repräsentiert meine private Meinung, die von derjenigen meines Arbeitgebers
und dessen übergeordneten Strukturen abweichen könnte.

[Werner Holtfreter]

Es gibt Umfragen, nach denen in bestimmten Branchen der weitaus
überwiegende Anteil industrieller Regelungen mit P-, PI- und
PID-Reglern gefahren werden

Ich habe mit Reglern nichts zu tun und glaubte, das sei noch
aktuell. Also wirf mal ein paar Stichworte zu modernen
Regelalgorithmen in den Raum, die man im Netz findet.

[Rolf Bombach]

Post by Werner Holtfreter

Es gibt Umfragen, nach denen in bestimmten Branchen der weitaus
überwiegende Anteil industrieller Regelungen mit P-, PI- und
PID-Reglern gefahren werden

Ich habe mit Reglern nichts zu tun und glaubte, das sei noch
aktuell. Also wirf mal ein paar Stichworte zu modernen
Regelalgorithmen in den Raum, die man im Netz findet.

Und bitte nicht fuzzy control.

[Volker Staben]

Post by Werner Holtfreter

Es gibt Umfragen, nach denen in bestimmten Branchen der weitaus
überwiegende Anteil industrieller Regelungen mit P-, PI- und
PID-Reglern gefahren werden

Ich habe mit Reglern nichts zu tun und glaubte, das sei noch
aktuell. Also wirf mal ein paar Stichworte zu modernen
Regelalgorithmen in den Raum, die man im Netz findet.

da fällt mir spontan ein:

moderne Entwurfsverfahren: Youla-Parametrierung, Conditioning Technique, ...
Modellbasierte Regelungen
Modellprädiktive Regelung (MPC)
Regelung im Zustandsraum
Fractional Order Control
Robuste Regelungen
Optimalregler, LQR
Regelungen mit Beobachter, Störgrößenbeobachter
Strukturvariable Regler
Sliding Mode-Regler
Flachheitbasierende Steuerungen und Regelungen

Gruß, V.

[horst.d.winzler]

Post by Volker Staben
moderne Entwurfsverfahren: Youla-Parametrierung, Conditioning Technique, ...
Modellbasierte Regelungen
Modellprädiktive Regelung (MPC)
Regelung im Zustandsraum
Fractional Order Control
Robuste Regelungen
Optimalregler, LQR
Regelungen mit Beobachter, Störgrößenbeobachter
Strukturvariable Regler
Sliding Mode-Regler
Flachheitbasierende Steuerungen und Regelungen

Spontan fällt mir die Sicht von Kunden ein. Ein Gerät soll zuverlässig
den ihm zugedachten Zweck erfüllen. Allein, bei der Auslegung des
Begriffs "Zweck" gewinnt man als Kunde den Eindruck, manche Hersteller
haben Fuzzy im Kopf.