Regelungstechnik in Heiz- und Kühlsystemen: Welche Regelungsarten wofür?
Eine gute Heiz- oder Kühlanlage zeichnet sich durch drei Aspekte aus: Sie gewährleistet Komfort für die Gebäudenutzer, minimiert den Energieverbrauch und hat eine lange Lebensdauer weitgehend ohne Fehlfunktionen. Moderne Technologien machen es heute leichter, diese Ziele zu erreichen. Mit einer wirksamen Regelung wird sichergestellt, dass eine Anlage nur so viel Energie verbraucht, wie tatsächlich erforderlich ist. In Abhängigkeit von den äußeren klimatischen Bedingungen sorgt die Regelung für stabile Raumtemperaturen.
Doch welche Regelungsarten für die Heizung gibt es und welchen Einfluss haben sie auf die Heizungssteuerung?
Diese Regelungsarten gibt es
- On-off-Regelung,
- Pulsweitenmodulation
- 3-Punkt-Regelung
- stetige Regelung
Die Wahl der jeweils passenden Lösung zur Steuerung der Heizung hängt im Wesentlichen von der Reaktionszeit des Systems bzw. der Trägheit des Verbrauchers ab, aber auch von der gewünschten Genauigkeit und Stabilität der Raumtemperatur.
Neben diesen Faktoren sollte die Gesamtleistung – sprich der Energieverbrauch – der Anlage in Abhängigkeit von der empfohlenen Regelungsart der Verbraucher bzw. Endgeräte beachtet werden. Eine HLK-Anlage lässt sich in drei Hauptabschnitte (Bild 1) unterteilen.
Die drei Hauptabschnitte einer HLK-Anlage
Der erste Abschnitt umfasst die Energieerzeugung, d. h. Kältemaschinen, Wärmepumpen, Heizkessel oder primäre Wärmetauscher. Der zweite Abschnitt ist die Verteilung der Wärme oder Kälte. Zu diesem Abschnitt zählen Umwälzpumpen mit konstanter oder variabler Drehzahl, Unterstationen, Rohrleitungen und Strangregulierventile sowie alle Arten von Armaturen. Und schließlich gehören in die dritte Gruppe die Verbraucher zum Wärmeaustausch mit Gebläsekonvektoren, Kühldecken, Heizkörpern, Fußbodenheizung usw.
Wie sich die drei Abschnitte thermisch und hydraulisch verhalten, hängt unter anderem vom gewählten Ventiltyp (2- oder 3-Wege-Ventil) sowie von der Regelungsart ab, die bei der Planung und Installation festgelegt wurde. Denn die variablen Durchflussraten in der Anlage und damit die Kosten der Pumpenenergie stehen in direktem Zusammenhang mit dem Öffnen und Schließen der Regelventile – also der Regelung.
Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad von Kühlgeräten, Wärmepumpen und Brennwertkesseln abhängig von der Rücklauftemperatur, die von der gewählten Regelungsart der Ventile an den Verbrauchern bestimmt wird.
Vor- und Nachteile der Regelungsarten
Regelkreisläufe, wie etwa bei einer Heizung, bestehen aus einer Reihe von Komponenten, die in einer festgelegten Abfolge wirken (Bild 2) und die Energieversorgung am Verbraucher und damit die gewünschte Temperatur in einem Raum regulieren.
Ausschlaggebende Faktoren für die Genauigkeit einer Regelung sind zum einen die Übertragungszeiten zwischen dem Senden und Empfangen von Informationen im Regelkreis sowie zum anderen die Fähigkeit der Regelventil-Stellantrieb-Kombination, die in den Raum abgegebene Leistung möglichst exakt anzupassen.
Die Übertragungszeiten werden auch „Totzeiten“ genannt. Sie sind hauptsächlich von der Positionierung und der Reaktionsfähigkeit der Temperaturfühler abhängig sowie von der Reaktion bzw. Geschwindigkeit des Stellantriebs. Die Totzeit kann zwischen wenigen Sekunden bis hin zu mehreren Minuten dauern. Darüber hinaus spielt das Reaktionsverhalten des Wärmetauschers in diesen Zeitraum eine wichtige Rolle (Bild 3).
On-off-Regelung
Bei einer On-off-Regelung mit den beiden Zuständen „ein“ und „aus“ öffnet im Heizungsfall das Regelventil zu 100 %, solange die Raumtemperatur unter dem Sollwert liegt. Sobald die Umgebungstemperatur diesen Wert überschreitet, schließt das Ventil der Heizung vollständig.
Im Kühlfall verhalten sich Öffnungs- und Schließvorgang entsprechend umgekehrt. Um ein ständiges Öffnen und Schließen zu vermeiden, nimmt man in der Praxis eine Abweichung von +/- 0,5°C um den Sollwert in Kauf (Bild 4).
Mit viel Erfahrung und dem Einsatz der richtigen Technologie ist es möglich, mit dieser Regelungsart den eingestellten Sollwert und damit ein für den Nutzerkomfort zufriedenstellendes Ergebnis zu erreichen, wie etwa eine optimierte Raumtemperatur.
Eine On-off-Regelung führt jedoch aufgrund ihres negativen Einflusses auf die Durchflussmengen und die Rücklauftemperatur zu einem relativ hohen Energieverbrauch.
Pulsweitenmodulation
Eine Regelungsart für elektrische Verbraucher ist die Pulsweitenmodulation. Sie verbessert beispielsweise die Leistungsabgabe von elektrischen Konvektoren.
Bei der Pulsweitenmodulation (PWM) wird die Differenz zwischen der Raumtemperatur und dem Sollwert (z.B. 20°C) innerhalb einer Zykluszeit tC dargestellt. Während dieser Zykluszeit wird die elektrische Leistung zum Konvektor für einen bestimmten Zeitraum eingeschaltet, der proportional zur gemessenen Abweichung ist (Bild 5).
Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto länger bleibt die Stromzufuhr eingeschaltet und umgekehrt. Diese vorausschauende Funktion kann Schwankungen der Raumtemperatur abflachen und dadurch den Komfort für die Bewohner verbessern.
Wenn man dieses Verhalten auf wassergebundene Systeme überträgt, liegt die Schwierigkeit allerdings in der Bestimmung des genauen Zyklus.
Wird tC zu klein gewählt (< 5 Minuten), so ist die Reaktionszeit für das System bis zur erneuten Messung der Temperaturdifferenz zu kurz. Das liegt im Wesentlichen an der Laufzeit des Stellmotors und am thermischen Verhalten des Wärmeabgabesystems.
Wird tC zu groß bemessen (> 20 Minuten), geht mit der Mittelwertsbildung ein wesentlicher Vorteil der Pulsweitenmodulation-Regelung verloren.
Üblicherweise werden Regelgeräte mit Pulsweitenmodulation mit einer vordefinierten Zykluszeit justiert, die dem zu regelnden System nicht immer entspricht, sodass es zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit kommen kann.
Generell eignet sich eine PWM-Regelung eher für elektrische Verbraucher, die unmittelbar reagieren wie z.B. Glühlampen mit Dimmerfunktion. Verbraucher mit einer Flüssigkeit als Wärme- bzw. Kälteträger reagieren hingegen wesentlich langsamer. Dafür sind die Laufzeit des Stellantriebs mit dem Regelventil und die Reaktionszeit des Wärmeüberganges an den zu regelnden Raum verantwortlich. Deswegen ist hier eine empfindlichere Regelungsart erforderlich. Die Pulsweitenmodulation-Regelung bietet in diesem Fall nur eine geringfügige Verbesserung der Situation im Vergleich zur On-off-Regelung.
3-Punkt-Regelung
Die 3-Punkt-Regelung wird typischerweise in Heizungsanlagen zur Regelung der Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur verwendet. Zum Einsatz kommen dabei in der Regel 3-Wege-Mischventile (Bild 6). Ist die Vorlauftemperatur zu niedrig, gibt die Regelung ein entsprechendes Signal an den Stellantrieb, um das Ventil schrittweise zu öffnen (Bild 7).
Bei zu hoher Vorlauftemperatur wird das Regelventil schrittweise wieder geschlossen. Wenn die Vorlauftemperatur den richtigen Wert erreicht hat, bleibt das Regelsignal in der neutralen Stellung (weder ein Signal „auf“ oder „zu“). Solange keine Änderung der Temperatur eintritt, bleibt das Ventil der Heizung in dieser neutralen Stellung.
Eine 3-Punkt-Regelung eignet sich deshalb sehr gut zur Regulierung der Vorlauftemperatur in Beimischkreisen. Denn die Reaktionsgeschwindigkeit von Stellantrieb und Ventil passt zur Geschwindigkeit der Wassertemperaturänderungen, wenn sich Heizungswasser aus dem Vor- und Rücklauf vermischen.
Allerdings sollte die 3-Punkt-Regelung möglichst nicht zur reinen Regelung der Raumtemperatur verwendet werden, weil die Änderung der Temperatur im Vergleich zur Öffnungs- oder Schließzeit der Regelventile länger dauert. Dadurch muss das Regelventil von einer Extremposition zur anderen wechseln, dies führt zu einem unerwünschten On-off-Verhalten des Regelkreises.
Stetige Regelung
Die stetige Regelung – auch bekannt als Proportionalregelung – ist die hochwertigste Regelungsart, die sowohl Präzision als auch Stabilität der angestrebten Temperatur liefert. Um die Funktionsweise einer stetigen Regelung zu veranschaulichen, ist ein Vergleich mit der Wasserstandsregelung in einem Tank möglich (Bild 8). Dabei entspricht der Wasserstand der Raumtemperatur, die stabil gehalten werden soll.
Die Wasserentnahme oder -leckage („E“ in Bild 8) stellt den Wärmeverlust im Raum dar. Der Schwimmer misst den Wasserstand und bewirkt, dass das Ventil langsam und stetig (proportional) öffnet, um Wasser nachlaufen zu lassen – genau wie der Temperaturfühler und Stellantrieb auf einem Regelventil. Der Wasserstand stabilisiert sich daraufhin zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert (Hmin, Hmax).
Die Differenz zwischen Minimum und Maximum entspricht dem Proportionalbereich eines Reglers. Sie lässt sich verringern, indem der Verstärkungsfaktor erhöht wird (= Verschieben des Schwimmers nach links). Dadurch nähert sich der tatsächliche Wasserstand dem Sollwert. Allerdings ist es wichtig, die Verstärkung nicht zu groß zu wählen, da dies zu einer Instabilität des
Regelkreises führt.
In HLK-Anlagen werden heute fast ausschließlich Regler mit zusätzlicher Integralfunktion verwendet, um die bleibende Regelabweichung des Proportionalreglers zu kompensieren. Damit kann das Regelventil gestellt bzw. nachgestellt werden, solange eine Regelabweichung vorhanden ist. Moderne Proportional-/Integralregler ermöglichen so präzise und stabile Raumtemperaturen. Dabei muss sichergestellt sein, dass der Stellantrieb mit dem Ventil auch die vom Regler angeforderte Durchflussmenge liefern kann.
Fazit und Ausblick
Die beschriebenen Regelungsarten haben bestimmte Eigenschaften sowie Grenzen (Bild 9). Dabei hat jede Methode Auswirkungen auf das Verhalten der anderen Komponenten im Regelkreis.
Der zweite Teil dieser Serie erscheint in der SBZ 9-22 und erläutert detailliert, wie die gewählte Regelungsart das Verhalten des Wärmetauschers, die Rücklauftemperatur und somit den Wirkungsgrad von Brennwertgeräten und Kältemaschinen sowie die Pumpenkosten beeinflusst.
Dieser Artikel von Meinolf Rath erschien zuerst in SBZ-Ausgabe 08/2022. Meinolf Rath ist Leiter Anwendungstechnik bei der IMI Hydronic Engineering Deutschland GmbH.
