Regelungstechnik in Heiz- und Kühlsystemen: Wie wirken sich die Regelungsarten aus?
Die einzelnen Komponenten eines Regelkreises sind in Heizungs-, Lüftungs- oder Kühlanlagen (HLK-Anlagen) in ihrem thermischen und hydraulischen Verhalten voneinander abhängig. Dabei hat die gewählte Regelungsart – On-off-Regelung, 3-Punkt-Regelung oder stetige Regelung – entscheidende Auswirkungen auf den Komfort für die Nutzer und die Effizienz eines Systems. Um die Auswirkungen der Regelungsart in Bezug auf die Gesamtleistung zu bewerten, ist zunächst eine Analyse des Wärmetauscherverhaltens notwendig.
Leistungsverhalten des Wärmetauschers
Für den definierten Temperaturbereich eines Wärmetauschers ist der Zusammenhang der abgegebenen Leistung zum erforderlichen Durchfluss nicht linear. Wenn der Durchfluss abnimmt, nimmt der Wärmeaustausch zu. Das erklärt die nichtlineare Beziehung zwischen Durchfluss und Leistung (Bild 1, blaue Kurve).
Diese hängt vom thermischen Wirkungsgrad „Φ“ des Wärmetauschers ab. Für eine geplante Vorlauftemperatur von 7 °C und eine Rücklauftemperatur von 12 °C bei einer Raumtemperatur von 24 °C beträgt der Koeffizient Φ = 0,29:
Φ = (12 °C – 7 °C) / (24 °C – 7 °C) = 0,29
Der Kehrwert des Koeffizienten Φ (1/0,29 ~ 3,4) gibt die Steigung der Tangente am Kurvenanfang vor (Bild 1). Im genannten Beispiel ist die Umkehrung des Koeffizienten Φ also etwa gleich 3. Dies bedeutet, dass eine Erhöhung der Durchflussrate von null auf 10 % eine Leistungserhöhung von 3 mal 10 % bzw. 30 % bewirkt.
Das Öffnen des Regelventils von null auf 10 % Durchfluss führt daher zu einem sehr schnellen Anstieg der Leistungsabgabe. Am oberen Kurvenende – in Nähe des Nenndurchflusses – gibt der Koeffizient direkt die Steigung der Kurve an. In diesem Bereich der Kurve bewirkt eine Erhöhung des Durchflusses um 10 % einen Leistungsanstieg um das 0,29-Fache von 10 %, also ~ 3 %.
Dabei ist wichtig zu beachten, dass eine Heizungs- oder Kühlanlage den größten Teil der Betriebszeit (70 bis 80 %) nur im Teillastbetrieb mit einer Leistung von etwa 50 % oder geringer arbeitet. Damit reichen weniger als 20 % des Durchflusses aus, um diese Leistung abzugeben. So arbeitet ein System mit variablem Durchfluss, das mit einem stetigen Stellantrieb (0–10 V) gesteuert wird, die meiste Zeit mit einer relativ geringen Durchflussrate von weniger als 20 % (Bild 2).
Auswirkungen auf die Rücklauftemperatur
Bei einer bestimmten Leistung hängt die Rücklauftemperatur von der Art des Regelventils und der Regelungsart ab. Wenn der Durchfluss mit einem Durchgangsventil geregelt wird (Bild 3), verändert das Öffnen oder Schließen des Ventils den Durchfluss durch den Wärmetauscher genauso wie in der gesamten Anlage. Dies ist in einer Installation mit variablem Durchfluss unvermeidlich.
Das Diagramm in Bild 4 zeigt die Rücklauftemperatur eines Rohrnetzes mit Luftwärmetauschern, die mit Durchgangsventilen (= variabler Durchfluss) im On-off-Modus betrieben werden. Die Betriebstemperaturen sind 6 °C für den Vorlauf und 12 °C im Rücklauf bei 24 °C Raumtemperatur. Werden alle Verbraucher angefordert, beträgt die Durchflussmenge 100 % und die Rücklauftemperatur zu den Kältemaschinen 12 °C.
Angenommen, im Teillastbetrieb von 50 % sind durchschnittlich die Hälfte der Verbraucher mit 100 % Durchfluss geöffnet und die andere Hälfte ist bei 0 % geschlossen, dann entsprechen 50 % der Leistung 50 % des Durchflusses. Die Rücklauftemperatur beträgt dabei 12 °C, da sie nur von den komplett durchflossenen Luftwärmetauschern abhängt.
Im reinen On-off-Betrieb liegt die Rücklauftemperatur unabhängig von der Leistung nahe bei 12 °C. Tatsächlich zeigt die violette Kurve (Bild 4) jedoch eine Rücklauftemperatur von etwa 10,5 °C. Dies ergibt sich automatisch durch die gegenseitige hydraulische Beeinflussung. Denn das Wegschalten von Verbrauchern führt zu einer Erhöhung des Durchflusses an den geöffneten Verbrauchern.
Damit sinkt bei Kühlsystemen in den noch in Betrieb befindlichen Verbrauchern automatisch die Rücklauftemperatur. Die gegenseitige hydraulische Beeinflussung ist hingegen weniger spürbar (orange Kurve), wenn Differenzdruckregler oder druckunabhängige Regelventile zum Einsatz kommen.
Werden die Verbraucher hingegen stetig geregelt, steigt die Rücklauftemperatur in Kühlsystemen an bzw. sinkt im Heizungsbetrieb ab. Dies erfolgt abhängig vom Energieverbrauch. Für 100 % Leistungsbedarf wird das Regelventil vollständig geöffnet, um eine Durchflussrate von 100 % zu erzielen. Unter der Voraussetzung, dass die Anlage korrekt einreguliert ist, beträgt die Rücklauftemperatur 12 °C. Für 50 % Leistung werden wie im vorigen Abschnitt erwähnt nur 20 % Durchfluss benötigt. Somit beträgt die Rücklauftemperatur bei dieser Leistung dann ca. 19 °C (Bild 5).
Im Kühlbetrieb wirkt sich die Anhebung der Rücklauftemperatur positiv auf den Wirkungsgrad der Kältemaschinen aus. Das Beispiel in Bild 6 zeigt, dass der COP (Coefficient of performance) der Kältemaschine bei Rücklauftemperaturen zwischen 12,5 °C und 10,5 °C von 5 auf 4,2 absinkt. Das entspricht einem Wirkungsgradverlust von etwa 15 %.
Mit einer stetigen Regelung kann dieser Wirkungsgradverlust vermieden werden. Auch in Heizungssystemen zeigt sich dieser Vorteil, hier führt eine stetige Regelung zu niedrigeren Rücklauftemperaturen und verbessert so den Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers deutlich.
Zusammenhang von Regelungsmodus und Pumpenkosten
Eine weitere Einflussgröße auf den Energieverbrauch ist der Pumpenbetrieb. Der Stromverbrauch der Umwälzpumpen kann bis zu 15 % des Gesamtenergieverbrauchs eines Kühlsystems ausmachen. Er hängt während der gesamten Betriebsdauer direkt von der Durchflussmenge und der von den Pumpen gelieferten manometrischen Förderhöhe (Hm) ab (Bild 7).
Die Kosten für die Pumpe lassen sich mit der Formel
Pumpenleistungsbedarf =
Verbrauchskonstante bei Nullförderung
+ Förderhöhe
x Fördermenge/Wirkungsgrad
berechnen. In Systemen mit konstantem Durchfluss sind Durchfluss und Förderhöhe gleich 100 %. Der Stromverbrauch beträgt daher unabhängig von der verwendeten Pumpentechnologie (geregelt oder ungeregelt) ebenfalls 100 %.
Die Anwendung von Systemen mit variablem Durchfluss reduziert den Stromverbrauch der Umwälzpumpen erheblich. Allerdings gibt es auch in diesem Bereich Unterschiede zwischen der variablen Durchflussmenge im On-off-Betrieb oder einer stetigen Regelung.
Bei einer On-off-Regelung entspricht eine Durchflussrate von 50 % auch einer Leistung von 50 %. Bei einer drehzahlgeregelten Pumpe, die Hm konstant hält, sinkt der Stromverbrauch proportional zur Durchflussreduktion. Die oben genannte Formel zeigt die Verbrauchskonstante C0, die den Pumpenenergiebedarf bei einer Durchflussrate „0“ widerspiegelt. Diese hängt sehr stark vom verwendeten Pumpentyp ab. Der Energiebedarf bei Nulldurchfluss liegt bei ca. 30 % des maximalen Stromverbrauchs.
Damit sind 70 % des Energiebedarfes abhängig von der Förderhöhe multipliziert mit dem Durchfluss. Bei einer Durchflussrate von 50 % beträgt der Stromverbrauch der Pumpe also 70 % x 50 % = 35 %, zuzüglich der 30 % (C0), das sind in Summe 65 %. Daraus ergibt sich eine Reduktion des Pumpenenergiebedarfs um 35 %.
Bei einer stetigen Regelung hingegen entspricht eine Durchflussmenge von 20 % einer Leistung von 50 %. Der Stromverbrauch der Pumpe liegt in diesem Fall bei 70 % x 20 % = 14 %. Zuzüglich der 30 % des C0 ergibt sich ein Wert von 44 %. Somit sinken der Stromverbrauch und damit verbunden die Kosten für den Pumpenbetrieb mit einer Drehzahlregelung um mehr als die Hälfte.
Vorteile modulierender Regulierventile
Eine stetige Regelung gewährleistet mit niedrigen Pumpenenergiekosten und einem hohen Wirkungsgrad der Kühlgeräte, Wärmepumpen und Brennwertgeräte den wirtschaftlichen Betrieb der Anlage. Um eine qualitativ hochwertige stetige Regelung zu erreichen, muss bei der Auswahl der Regelventile den Regeleigenschaften sowie der Ventilautorität besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.
Beim Anwendungsbeispiel eines Fancoils zum Heizen und Kühlen (Bild 8) ist das druckunabhängige Regel- und Regulierventil TA-Modulator von IMI Hydronic Engineering eine Lösung mit sehr hoher Regelgenauigkeit.
Das Ventil verfügt über einen differenzdruckunabhängigen Regler mit einer gleichprozentigen Ventilkennlinie (EQM-Charakteristik) über den gesamten Regelbereich. Diese EQM-Charakteristik stellt insbesondere auch im unteren Öffnungsbereich – bis 20 % der Durchflussmenge – eine sehr hohe Regelgenauigkeit sicher. Dadurch wird eine präzise Temperaturregelung mit einer hohen Autorität gewährleistet.
Optimal ist die Kombination mit einem passenden Stellantrieb, um eine automatische Begrenzung der maximalen Durchflussbegrenzung zu ermöglichen. So lässt sich ein hydraulischer Abgleich einfach umsetzen, der eine optimale Rücklauftemperatur für den Wärme-/Kälteerzeuger und somit einen effizienten Anlagenbetrieb sichert.
Der Autor Meinolf Rath ist Leiter Anwendungstechnik bei der IMI Hydronic Engineering Deutschland GmbH.
