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Heizungsregelung - energiesparend und umweltschonend - delta-q

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Dieter Wolff, Wolfenbüttel
Heizungsregelung - energiesparend und umweltschonend
Der umweitschonende und energetisch optimale Betrieb heiztechnischer Anlagen
erfordert, bereits in der Planungs- und Auslegungsphase eine große Zahl von Auswahl und Anwendungskriterien für Mess-, Regel- und Überwachungseinrichtungen zu
beachten. Gerätehersteller, Planer und ausfahrendes Handwerk sind hierdurch verstärkt gefordert.
Die vorliegende Veröffentlichung basiert auf den Ergebnissen der Richtlinienarbeit an
der voraussichtlich bis zum Ende dieses Jahres erscheinenden VDI-Richtlinie 2068
"Mess-, Überwachungs- und Regelgeräte in heiztechnischen Anlagen mit Wasser als
Wärmeträger".
Der Autor, Obmann des Richtlinienausschusses VDI 2068, dankt an dieser Stelle
allen Kollegen für die geleistete Arbeit.
Abb. 1 zeigt als Übersicht die gegenseitigem Abhängigkeiten in einer Heizungsanlage zur Auslegung und Planung regeltechnischer Einrichtungen und der Hydraulik.
Das nachfolgende Kapitel ist zum Verständnis der weiteren Ausführungen nur z. T.
erforderlich und kann deshalb vom "Schnellleser" auch überschlagen werden. Es
gibt jedoch einen kurzen Überblick der wichtigsten Begriffe in der Regelungstechnik.
Abb. 1 Abhängigkeiten in einer Heizungsanlage zur Auslegung der Regeltechnik und Hydraulik
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 1
Begriffe
Wie jedes andere technische Fachgebiet benötigt auch die Regelungs- und Steuerungstechnik einen "Grundstock" von Begriffen, die in der DIN 19 226 festgelegt sind.
Am Beispiel einer Einzelraumregelung (Abb. 2) werden die wichtigsten Begriffe und
Benennungen, wie sie in der DIN 19 226 genormt sind, erläutert.
Abb. 2 Grundbegriffe der Regelungstechnik – Beispiel Einzelraumregelung.
Die Größe, die geregelt werden soll, ist die Raumtemperatur als Regelgröße X. Der
Teil der Anlage, in dem die Regelgröße konstant gehalten werden soll - in unserem
Beispiel der Raum - wird als Regelstrecke RS bezeichnet. Ziel der Regelung ist, die
Regelgröße X auf dem fest vorgegebenen Sollwert Xs, bzw. auf einen veränderlichen
Wert der Führungsgröße W zu halten. Anders ausgedruckt, die Regelabweichung xw
als Differenz von Regelgröße (Istwert) und Führungsgröße (Sollwert) soll möglichst
klein gehalten werden. Dies erreicht die Regeleinrichtung (RE) selbsttätig dadurch,
dass über die Stellgröße Y (Ausgangsgröße des Reglers, z.B. elektrisches Signal zur
Veränderung des Ventilhubes) das Stellglied die Regeistrecke so beeinflusst, dass
einwirkende Störgrößen z, wie z.B. Witterungseinflüsse, Temperatur- und Druckschwankungen des Heizmediums sowie Fremdwärmeanfall, ausgeregelt werden.
Der beschriebene geschlossene Regelkreis bestehend aus Regeistrecke RS (vom
Stellort Ventil bis zum Messort Raumtemperaturfühler) und Regeleinrichtungen RE,
wird häufig in Blockdarstellung verdeutlicht.
Abb. 3a zeigt am Beispiel einer witterungsgeführten Vorlauftemperaturregelung als
Folgeregelung die Kombination von Steuerung und Regelung. Im Steuerglied wird
der aktuelle Außentemperaturwert in einen Sollwert für die Heizungsvorlauftemperatur umgewandelt: (Heizkurve). Hierbei handelt es sich um einen offenen Wirkungsablauf (Steuerung) - im Gegensatz zum geschlossenen Regelkreis - da ja der Außentemperaturfühler keine Rückmeldung über die Vorlauftemperaturänderung erhält.
Die Vorlauftemperaturregelung hingegen besteht aus einem geschlossenen Wirkungsablauf, mit der Regelstrecke Dreiwegemischer (Stellglied) - Pumpe - Vorlauftemperaturfühler und der Regeleinrichtung - Messsignal - Regler - Stellsignal Stellantrieb.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 2
Abb. 3a Witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung.
Abb. 3b zeigt als letztes Beispiel eine witterungsgeführte Kesseltemperaturregelung
mit der Regeistrecke vom Brenner als Stellglied bis zum Kesseltemperaturfühler zur
Erfassung des Istwertes der Regelgröße Kesseltemperatur. Der Steuerteil ist identisch mit dem vorhergehenden Beispiel, wobei untere und obere Kesseltemperaturbegrenzungen im Steuerteil in vielen Fällen hinzukommen.
Abb. 3b Witterungsgeführte Kesseltemperaturregelung.
Für die regelungstechnische Analyse, insbesondere der Regelstrecke, sind weiterhin
deren:
▪
▪
Beharrungsverhalten und deren
Zeitverhalten
von Bedeutung.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 3
Der Übertragungsbeiwert Ks, der Regelstrecke ist das Verhältnis der Regelgrößenänderung X zur Stellgrößenänderung Y nach Eintreten eines Beharrungszustandes.
Bei proportionalen Regelstrecken besteht ein "möglichst" linearer Zusammenhang
zwischen Regelgrößenänderung (z.B. Raum und Vorlauftemperatur) und Stellgrößenänderung (z. B. Ventilhub oder Mischerdrehwinkel). Ein weiterer Kennwert ist der
Regelbereich der Strecke XhS, häufig auch Stellwirkung genannt. XhS gibt an, um
welchen Betrag sich die Regelgröße ändert, wenn der Stellbereich des Stellgliedes
durchfahren wird.
Das Zeitverhalten kann in den meisten Fällen durch Aufnahme der "Sprungantwort"
bestimmt werden. Am Stellglied wird eine sprunghafte Änderung vorgenommen und
am Messort die zeitliche Änderung der Regelgröße bis zum Beharrungszustand registriert. Die das dynamische Verhalten kennzeichnenden Parameter Tu (Verzugszeit) und Tg, (Ausgleichszeit) können Abb. 4 entnommen werden. Das Verhältnis
Tu/Tg ist ein Maß für den Schwierigkeitsgrad S der Regelstrecke.
Tu Verzugszeit, Tg Ausgleichszeit, WP Wendepunkt,
Auswertung: S = Tu/Tg, KS = ∆x/∆y bei linearer Kennlinie.
Abb. 4 Kenngrößen zur Kennzeichnung des dynamischen Verhaltens von Regelstrecken.
Tabelle 1 zeigt typische Werte der erläuterten Kenngrößen für Regelstrecken in Heizungsanlagen.
Tabelle 1 Kenngrößen für Regelstrecken in der Heizungstechnik
Regelgröße
Kenngrößen der Regelstrecke, Werte
Tu
Tu/Tg
XhS
1. Kesselwassertemperatur
1 ... 5 min
0,05 ... 0,15
~ 20 K
2. Kaminzug
1 ... 3 s
0,3 ... 1
3 ... 10 mbar
5 ... 20 s
0,2 ... 0,5
20 ... 70 K
3. Mischwassertemperatur
(Vor- und Rücklaufbeimischung)
einschließlich Fühler
4. Raumtemperatur
Wohnbereich
3 ... 5 min
0,1 ... 0,3
6 ... 10 K
Treibhaus/Zelt
3 ... 5 min
0,1 ... 0,3
20 ... 30 K
5. WarmwasserMischung
0,5 ... 2 s
0,1 ... 0,4
30 ... 60 K
temperatur
Wärmeübertrager
5 ... 30 s
0,1 ... 0,8
30 ... 60 K
6. SchwimmbadVorlauf
10 ... 60 s
0,1 ... 0,3
2 ... 8 K
wassertemperatur Rücklauf
6 ... 8 h
7. Wärmeübertrager
10 ... 60 s
0,1 ... 0,6
10 ... 100 K
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 4
Unterschieden werden unstetige (meist Zweipunkt- oder Dreipunktregler) und stetige
Regeleinrichtungen (meist P oder PI-Verhalten). Unstetige Regler, z. B. Zweipunktregler, gestatten nur zwei Schaltzustände (Ein oder Aus) in Abhängigkeit vom Istwert
der Regelgröße, dem Sollwert und von der gewählten Schaltdifferenz. Dreipunktregler weisen die Schaltzustände Auf-Zu-Halt auf.
Stetige P-Regler geben ein zur Regelabweichung proportionales Stellsignal Y aus,
dessen Größe vom gewählten Proportionalbereich abhängig ist. Der Proportionalbereich Xp gibt an, welche Regelabweichung vorhanden sein muss, damit der gesamte
Steilbereich des Stellorgans durchfahren wird. So bedeutet ein Proportionsbereich
Xp, von 2 K für ein Thermostatventil, dass bei Sollwerteinstellung entsprechend 20 °C
das Ventil bei 20 °C Raumtemperatur dem Auslegungshub entsprechend geöffnet
und bei 22 °C Raumtemperatur vollständig geschlossen ist.
Kennzeichen von P-Reglern ist die bleibende Regelabweichung und die Neigung zur
Instabilität (Schwingungen bei zu klein gewähltem Xp), beides in Abhängigkeit vom
gewählten P-Bereich.
Stetige PI-Regler kommen in der Regelung von Heizungsanlagen sehr häufig zum
Einsatz. Mit dem zusätzlichen lntegralanteil (Einstellparameter am Regler ist die
Nachstellzeit Tn) wird die Stellgröße Y so lange verändert, bis eine anstehende Regelabweichung beseitigt ist. Auch bei PI-Reglern besteht die Gefahr der Instabilität
bei zu klein gewählten Werten für Xp und Tn.
Ausführung und Anforderungen an Mess- und Regeleinrichtungen
Messeinrichtungen
Voraussetzung für jede Heizungsregelung ist eine genaue und zuverlässige Erfassung der Regelgröße mit Hilfe einer Messeinrichtung. Auch diese läßt sich - wie die
Regelstrecke - durch das Beharrungs-(Übertragungs-)Verhalten und durch das Zeitverhalten beschreiben.
In vielen, v. a. ausgedehnten heiztechnischen Anlagen, werden die Messgrößen mit
Hilfe von Messumformern in Einheitssignale, z. B. 0 bis 10 V, umgewandelt. Tabelle
2 fasst die wichtigsten Messgrößen in einer Heizungsanlage zusammen. Zukünftige
Sensoren, z. B. zur Temperatur- oder Druckmessung, beinhalten Messfühler, Anpasselektronik - u.a. zur Linearisierung der Fühlerkennlinie - und Ausgangsbaustein
in einem Chip.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 5
Tabelle 2 Messgrößen in einer Heizungsanlage
Brennstoffvorrat
Brennstoffverbrauch
Betriebsstunden für Brenner
Betriebsstunden für Pumpen
Betriebsstunden für Ventilatoren
Temperatur - Kesselvorlauf
Temperatur - Kesselrücklauf
Temperatur – Heizungsvorlauf
Temperatur – Heizungsrücklauf
Wärmemengenmessung – Verbraucher
Abgastemperatur mit Signal
O2-Anzeige mit Aufzeichnung
CO-Anzeige mit Aufzeichnung (bei Gas)
Leitfähigkeit – Speisewasser
Außentemperatur
Raumtemperatur
Temperatur im Schornsteinkopf
Regeleinrichtungen
Anforderungen an analoge und digitale Regeleinrichtungen und an ihre Komponenten für Heizungsregelungen finden sich in dem z.Zt. in Bearbeitung befindlichen
Neuentwurf der DIN 32 729. Die wichtigsten Kriterien sind im folgenden Abschnitt
zusammengefasst.
Anforderungen an analoge und digitale Regeleinrichtungen für Heizungsanlagen
•
•
•
•
•
•
Datensicherung
Alle ab Inbetriebnahme von Betreiber und Fachpersonal eingegebenen Daten
müssen mindestens 12 Stunden gesichert sein.
Heizkennlinie und Kesselwasser-/Vorlauftemperatur
Der Arbeitsbereich der Heizkennlinie kann für die Kesselwasser/Vorlauftemperatur im Bereich von 20 bis 90 °C, für die Außentemperatur im
Bereich von -20 °C bis +20°'C eingegeben werden. In den Technischen
Unterlagen des Herstellers ist für die Heizkennlinie z. B. die Darstellung nach
Abb. 5 zu wählen.
Reduzierter Betrieb
Die Änderung von Normalbetrieb auf reduzierten Betrieb sollte sich auf eine
Raumtemperaturabsenkung beziehen. Die Absenkung der Kesselwasser/Vorlauftemperatur muss mindestens bis 15 K einstellbar sein.
Haltebetrieb
Haltebetrieb erfolgt mit Einhalten einer Stütztemperatur des Raumes im Bereich zwischen 5 °C und 20 °C.
Abschaltbetrieb
Bei Abschaltbetrieb erfolgt ein Abschalten der Energiezufuhr zum Heizkreis.
Frostschutz
In der Werkseinstellung und allen auf der Bedienungsebeneveränderbaren
Einstellungen (Handbetrieb ausgenommen) muss bei allen Betriebsarten innerhalb des Heizbetriebes eine Frostschutzfunktion durch die MSREinrichtungen gewährleistet sein.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 6
•
•
•
•
•
•
Zeiteingaben
Digitaluhren
Betriebszustände müssen über Zeiteingaben innerhalb eines Mindestzeitrasters von 0,5 h einstellbar sein. Zeiteingaben müssen mindestens für 7 Tage
möglich sein. Pro Tag müssen 4 Zeitschaltpunkte pro Heizkreis verfügbar
sein. Die Zusammenfassung von Zeitschaltpunkten in Zeit-Blöcken ist zulässig.
Analoguhren
Betriebszustände müssen über Zeiteingaben bei Wochenuhren innerhalb eines Mindestzeitrasters von 2 h und bei Tagesuhren von 0,5 h einstellbar sein.
Stetige Ausgänge
Bei Reglern mit stetigen Ausgängen sind vorzugsweise folgende Signale vorzusehen:
0 (2) - 10V
0 (4) - 20 mA
Handbetrieb
Die von den MSR-Einrichtungen angesteuerten Stellgeräte wie beispielsweise
Brenner, Pumpe und Stellantrieb müssen im Handbetrieb betrieben werden
können.
Die Genauigkeit der Messwerterfassung und Messwertdarstellung
- s. Tabelle 3.
Einstellmöglichkeiten
Vom Betreiber mögliche Einstellungen der Bedienungsebene sind z. B.: Zeitdaten, Heizkennlinie, Betriebszustände wie Normalbetrieb, reduzierter Betrieb
sowie Abschaltbetrieb und Temperaturwerte für den Normal- und reduzierten
Betrieb. Die Einstellelemente müssen gut zugänglich und hinsichtlich der Verstellung von Richtung und Größe erkennbar sein.
Vom Fachpersonal nach speziellen Herstelleranweisungen zugängliche Einstellmöglichkeiten sind z. B.: Frostschutz, Schaltdifferenz, Totzone sowie regierspezifische Daten. Festwertvorgaben sind zulässig.
Bauliche Ausführung
Anforderung an verschiedene Bauformen:
- Geräte für den Schalttafelfronteinbau müssen für den Einbau in Schalttafelausschnitte nach DIN 43 700 geeignet sein.
- Geräte für 19"-Technik müssen den Anforderungen nach DIN 41 494 genügen.
- Geräte für den Einbau in Schaltschränken, sowie Geräte für Wandmontage
und zum Anbau am Stellorgan (z. B. Mischer) unterliegen keiner maßlichen
Festlegung.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 7
Abb. 5 Beispiel für gekrümmte Heizkennlinie (anderer Kurvenverlauf der Heizkennlinie ist möglich).
Tabelle 3 Genauigkeit der Messwerterfassung und Messwertdarstellung
Temperatur
Temperaturbereich
Sensorgenauigkeit im Genauigkeit bei elektvorgenannten Tempera- ronischer Messwertdarstellung unter Nennturbereich
Prüfbedingungen
Raumtemperatur
15 °C - > 25 °C
± 0,8 K
± 1K
Kesselwassertemperatur 40 °C - > 60 °C
± 1K
± 2K
oder Vorlauftemperatur
Außentemperatur
- 10 °C - > 18 °C
± 1K
± 1K
Stelleinrichtungen
Stelleinrichtungen werden überwiegend als Kombinationen von elektromagnetischen,
elektrohydraulischen, elektromotorischen, elektrothermischen oder pneumatischen
Antrieben - z. T. einschließlich der eingebauten Stellungsreglern - mit Ventilen, Mischern bzw. Hähnen und Klappen eingesetzt. Begriffe, Definitionen und Kenngrößen
sind in den VDI/VDE-Richtlinien 2173/2175/2176 und 2177 festgelegt. Die wichtigsten Auslegungs- und Auswahlkriterien für Stellantrieb und Stellglied finden sich in
Tabelle 4.
Tabelle 4 Kriterien zur Auslegung und Auswahl von Stelleinrichtungen.
Stellantrieb
Art und Größe der Hilfsenergie
Abstimmung auf Ausgangssignal des Reglers
Stellzeit
Notstellungen, falls erforderlich
Notwendige Zusatzeinrichtungen (z.B. Endschaler, Stellungs-Regler, Stellungsgeber)
Stellglied
Ventilautorität
Ventilkennlinie
Stellverhältnis
max. zulässiger Differenzdruck
Leckverluste bei Hähnen und Klappen
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 8
Digitaltechnik - ZLT-(GLT-)Technik
Zunehmend setzen sich in ausgedehnten, aber auch in kleineren Anlagen digitale
Regelkonzepte durch. GLT- und DDC-Technik für Anlagen mit vielfältigen Mess-,
Regelungs- und Steuerungsaufgaben sind heute in verstärktem Maße durch eine
dezentrale oder verteilte Automatisierungsstruktur mit Aufteilung in geschlossene
Teilprozesse für Heizungs-, Klima- und Kälteanlagen gekennzeichnet.
Die zentrale Leitebene dient der übergeordneten Betriebsführung, Betriebsüberwachung und Datenprotokollierung, während die Teilprozesse in DDC-Unterstationen
autark optimiert werden können. Im DDC-System stehen alle Prozessgrößen in einem Gerät zur Verfügung und können im Rahmen fest oder frei programmierbarer
Regelfunktionen untereinander verknüpft werden. In DDC-Unterstationen lassen sich
bei digitaler Steuerung auch die Steuerfunktionen über Software programmieren:
SPS (speicherprogrammierbare Steuerungen).
Nachträgliche Korrekturen sind durch Softwaremodifikationen möglich, die Verfügbarkeit der Anlagen wird durch die eindeutige Zuordnung der DDC-Module zu den
Anlagenkomponenten erhöht.
Im Rahmen der Heizungstechnik liegen die Aufgaben von DDC-Regelsystemen bei
den üblichen Steuerungs-, Regelungs- und Überwachungsaufgaben sowie bei Programmen, z. B. für
▪
▪
▪
▪
▪
Heizungsoptimierung,
adaptive Heizungsregelung,
Zeitschaltprogramme,
Einzelraumregelsysteme,
bedarfsabhängige und optimierte Wärmeerzeuger- und Pumpensteuerung.
Abb. 6 zeigt den schematischen Aufbau einer GLT-Anlage mit DDC-Unterstationen.
Unterschiede zwischen DDC- (Direct Digital Control) und Analogtechnik zeigt die
Gegenüberstellung nach Tabelle 5.
Tabelle 5 Unterschiede zwischen Analog- und Digitaltechnik.
DDC
Analog
- Analogtechnik ohne Rechner
- Digitaltechnik mit Rechner
- Volle Analogverarbeitung
- Digitalverarbeitung der Prozessdaten
- Vieladernsystem
- Adernsparende Buskommunikation
- Feste Funktion
- Programmierbar
- Separate Steuerung
- Integrierte Steuerung
- Separate Geräte
- Optimierungsfunktion integrierbar
- Separate Geräte
- Echtzeitverarbeitung
- Ohne Buskommunikation
- Buskommunikation zu übergeordneten
Systemen
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 9
Abb. 6 Aufbau einer Gebäudeleittechnik-Anlage mit DDC-Unterstationen.
Ein Katalog der Auswahl- und Anwendungskriterien für DDC-Regelgerätesysteme
kann Tabelle 6 entnommen werden. Beispielhaft wird nur die Benutzeroberfläche
behandelt. Die Abgrenzung der DDC-Technik zu der ZLT (Zentrale Leittechnik) oder
GLT (Gebäudeleittechnik) wird zunehmend schwieriger, weil die digitale MSRTechnik bereits fast alle Funktionen einer ZLT oder GLT beinhaltet.
Tabelle 6 Anforderungen an DDC-Regelgerätesysteme.
1. Benutzeroberfläche
Die Bedienung sollte möglichst einfach sein, ohne Programmierkenntnisse über
maschinenorientierte Programmiersprachen vorauszusetzen.
Dies gilt für:
- Systemdialog
- Parametrierung in vorgegebene Losten und Masken
- Adressierung (Zuordnung der Prozess-Ein- und Ausgänge)
- Textzuordnung
- Konfigurierung (Verknüpfung der Prozess-Ein- und Ausgänge)
- Datensicherung
- Rechnereigenüberwachung
2. Kommunikation über Bus-Systeme
3. Anpassung bzw. Definition von Schnittstellen an vorhandene oder neue Sensoren, Regelund Steuereinrichtungen sowie Optimierungseinrichtungen
4. Gerätemontage und Installation
5. Gerätetechnik (Tastatur, Bildschirm, Ausgabegeräte)
Tabelle 7 zeigt eine Aufstellung der Merkmale, Eigenschaften und Vorteile zentraler
Leitsysteme. Eine wertvolle Hilfe bei der Strukturierung und der Festlegung von Begriffs- und Funktionsdefinitionen liefert die VDI-Richtlinie 3854, Blatt 1.,
Gebäudeleittechnik.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 10
Tabelle 7 Merkmale und Vorteile zentraler Leitsysteme.
Durch die zentrale Verfügbarkeit der Daten ergeben sich folgende Hauptmerkmale für ein zentrales
Leitsystem:
1 . Transparenz für den Betreiber
Dank dieser Transparenz sind jederzeit Aussagen verfügbar über:
• Zustand der Anlage (bezüglich Störungen, Ausfällen etc.)
• Betriebsmode der Anlage (Anlage eingeschaltet/ausgeschaltet)
• Wartungs- und Serviceanforderungen der Anlagen
Diese Aussagen können protokollarisch festgehalten werden, und mit ihnen können von der Zentrale her automatisch über Reaktionsprogramme oder von Hand Eingriffe (z. B. Sollwertfernverstellungen) an der Peripherie eingeleitet werden.
2. Möglichkeit einer systematischen zentralen Energie-Optimierung des gesamten Gebäudes, weil
• Daten jederzeit als Berechnungsgrundlagen für die übergeordnete Energieoptimierung herbeigezogen werden können.
3. Möglichkeit der Erstellung von Statistiken, Auswertungen über beliebige Informationen, weil
• Daten bei Bedarf jederzeit den entsprechenden Programmen zugeordnet werden können.
Regelungstechnik auf der Wärmeerzeugerseite
Für die Auslegung und Analyse einer Heizungsanlage hat sich die konsequente hydraulische und regeltechnische Gliederung in
▪
▪
▪
den Wärmeerzeugerteil,
das Wärmeverteilnetz und in
den Wärmeverbraucherteil bewährt
Lfd.Nr.
1
2
Messgröße
Betriebsüberdruck
Wasserstand
Einrichtung
Gerät
1)
Manometer
1)
Anzeiger
3
Kesselwassertemperatur
4
Vorlauftemperatur
5
Rücklauftemperatur
6
Raumlufttemperatur
7
Außentemperatur
8
Verbrennungslufttemperatur
9
Abgastemperatur
10
11
Sauerstoff oder
Kohlendioxid
Kohlenmonoxid
Anzeiger
12
Schwefeldioxide
Anzeiger
Heizungsregelung
Thermometer
Drucker /
Schreiber
Thermometer
Drucker /
Schreiber
Thermometer
Drucker /
Schreiber
Thermometer
Drucker /
Schreiber
Thermometer
Drucker /
Schreiber
Thermometer
Drucker /
Schreiber
Thermometer
Drucker /
Schreiber
Anzeiger
Einrichtung
Kennzeichen Messort
(Abb.)
P
WE/Vorlauf
H
WE/Vorlauf
Ausdehnungsg
efäß
T
WE
DS
Gesamtfeuerungswärmeleistung
< 5 MW
≥ 5 MW ... < 50 MW
x
x
x
x
x
x
0
T
DS
WE/Vorlauf
x
x
0
T
DS
WE/Rücklauf
0
0
0
T
DS
beheizter
Raum im Gebäude
Außenfassade
0
0
T
DS
Heizzentrale
0
0
T
DS
zwischen WE
und Schorn2)
stein
wie bei Abgastemperatur
wie bei Abgastemperatur
wie bei Abgastemperatur
T
DS
E
DS
E
DS
E
DS
0
0
0
0
0
0
3)
x
x
4)
x
x
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 11
13
Stickstoffoxide
Anzeiger
14
Staub
Anzeiger
15
Abgastrübung
Anzeiger
16
Abgasdruck
Anzeiger
17
Ölmenge
Zähler
18
19
Anzeiger
Zähler
20
Ölfüllstand
Feuerungsbetriebszeit
Wärmemenge
Zähler
21
Füllwassermenge
Heizzentrale
E
DS
E
DS
E
P
DS
Z
DS
H
Z
DS
Z
DS
Z
wie bei Abgastemperatur
wie bei Abgastemperatur
wie bei Abgastemperatur
wie bei Abgastemperatur
Brenner
Öllagerbehälter
BrennerMagnetventile
Heizzentrale
3)
x
x
5)
x
x
0
0
x
0
0
0
6)
Heizzentrale
x
0
0
6)
0
0
Abb. 7 Mess-, Überwachungs- und Anzeigeeinrichtungen ölbefeuerter Wärmeerzeuger.
X vorgeschrieben, 0 empfohlen. 1) Manometer in geschlossenen Anlagen. Wasserstandshöhenanzeiger in offenen Anlagen nach DIN 4751, T. 1, und in geschlossenen Anlagen an Ausdehnungsgefäßen ohne Membrane. 2) Der Messort ist entsprechend 1. BImSchV oder TA Luft festzulegen. 3) Vorgeschrieben nur bei Einzelfeuerungen > 25 MW (TA Luft). 4) Vorgeschrieben nur bei Emissionsmassenstrom größer 50 kg/h, nicht aber bei Verwendung von Heizöl mit Schwefelgehalt kleiner 1 % (TA
Luft); gemessen werden Schwefeldioxid (SO2) und Schwefeltrioxid (SO3) als SO2 angegeben. 5)
Vorgeschrieben nur bei Einzelfeuerungen 5 bis 25 MW oder 5 bis 50 MW bei Verwendung von Heizöl
mit Schwefelgehalt kleiner 0,3 % (TA Luft). 6) Die Verordnung über die verbrauchsabhängige Abrechnung der Heiz- und Warmwasserkosten ist zu beachten.
Lfd.Nr.
Messgröße
1
Betriebsüberdruck
2
Wasserstand
3
Kesselwassertemperatur
4
Vorlauftemperatur
5
Rücklauftemperatur
6
Raumlufttemperatur
7
Außentemperatur
8
Verbrennungslufttemperatur
9
Abgastemperatur
10
Sauerstoff oder
Kohlendioxid
Kohlenmonoxid
11
Heizungsregelung
Mess-, Überwachungs- u. Anzeigeeinrichtungen
Einrichtung
Kennzeichen Messort
(Abb.)
1)
Manometer
P
Wärmeerzeuger WE
1)
Anzeiger
H
Ausdehnungsg
efäß oder WE
Thermometer
T
WE
Drucker /
DS
Schreiber
Thermometer
T
WE/Vorlauf
Drucker /
DS
Schreiber
Thermometer
T
WE/Rücklauf
Drucker /
DS
Schreiber
Thermometer
T
beheizter
Drucker /
DS
Raum im GeSchreiber
bäude
Thermometer
T
Außenfassade
Drucker /
DS
Schreiber
Thermometer
T
Heizzentrale
Drucker /
DS
Schreiber
Thermometer
T
zwischen WE
Drucker /
DS
und SchornSchreiber
stein oder
hinter der
Strömungssi2)
cherung
Anzeiger
E
wie bei AbgasDS
temperatur
Anzeiger
E
wie bei AbgasDS
temperatur
Gesamtfeuerungswärmeleistung
< 10
MW
x
≥ 10 MW ... < 100 MW
x
x
x
x
0
x
x
0
0
0
0
x
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
3)
x
x
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 12
12
Abgasdruck
Anzeiger
13
Gasdruck
Anzeiger
14
Gasmenge
Zähler
15
Zähler
16
Feuerungsbetriebszeit
Wärmemenge
Zähler
17
Füllwassermenge
Anzeiger
P
DS
P
DS
Z
DS
Z
DS
Z
DS
Z
wie bei Abgastemperatur
Gaszuleitung
x
4)
0
0
4)
x
Brenner
0
0
Brennermagnetventil
Heizzentrale
0
0
0
5)
0
0
0
0
0
5)
Heizzentrale
Abb. 8 Mess-, Überwachungs- und Anzeigeeinrichtungen gasbefeuerter Wärmeerzeuger.
X vorgeschrieben, 0 empfohlen. 1) Manometer in geschlossenen Anlagen. Wasserstandshöhenanzeiger in offenen Anlagen nach DIN 4751, T. 1, und in geschlossenen Anlagen an Ausdehnungsgefäßen ohne Membrane; 2) Der Messort ist entsprechend 1. BImSchV oder TA Luft festzulegen. 3) Vorgeschrieben nur bei Einzelfeuerungen > 50 MW (TA Luft). 4) Vorgeschrieben bei Einzelfeuerung mit
Gebläsebrenner > 350 kW (DIN 4788 Teil 2): empfohlen bei Brenner ohne Gebläse. 5) Die Verordnung über die verbrauchsabhängige Abrechnung der Heiz- und Warmwasserkosten ist zu beachten.
Hydraulik
Vorschläge für hydraulische Schaltungen in Ein- und Mehrkesselanlagen finden sich
in der z. Z. in Bearbeitung befindlichen VDI-Richtlinie 2073: "Hydraulische Schaltungen in heiz- und raumlufttechnischen Anlagen", sowie im VDMA Einheitsblatt 24770:
"Kesselfolgeschaltungen, Grundschaltungen, hydraulische Forderungen, Zu- und
Abschaltkriterien".
Mit dem Ziel eines umweltschonenden Betriebes und einer hohen Gesamtwirtschaftlichkeit sind die Anforderungen an Heizungsanlagen und an den Wärmeerzeuger
gegenüber älteren Anlagen deutlich erhöht. Hierzu zählen:
▪
▪
▪
▪
▪
▪
Schnell regelbare Feuerungen für Kessel mit z.T. kleinem Wasserinhalt, das heißt
hoher Aufheizgeschwindigkeit.
Z.T. variable Wasservolumenströme durch Einsatz von vielfältigen Heizkreisregelungen und hydraulischen Schaltungen ohne hydraulischen Entkoppler (s. u.)
Entwicklung von besonders wirtschaftlichen Heizkesseln mit hohen Kesselwirkungsgraden und sehr niedrigen Abgastemperaturen.
Häufige Betriebsunterbrechung einschließlich Totalabschaltungen des Heizkessels im abgesenkten Heizbetrieb.
Einsatz von Optimierungsschaltungen, dadurch extrem lange Absenkzeiten, zum
Beispiel Wochenendabschaltungen.
Betrieb der Heizkessel mit zweistufigen oder modulierenden Brennern.
Um die Funktionen und Betriebssicherheit der gesamten Heizungsanlage sicherzustellen, sind daher die von den Herstellern genannten Betriebsbedingungen einzuhalten. Für die ordnungsgemäße Funktion der Heizungsanlage und den bestimmungsgemäßen Einsatz sind verschiedene Kriterien zu beachten:
▪
▪
▪
▪
▪
Zulässige Temperatur des Heizkessels (mindest bzw. maximal).
Volumenströme durch den Wärmeerzeuger.
Mindestrücklauftemperaturen.
Mindestabgastemperaturen.
Totalabschaltung des Heizkessels.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 13
▪
Mindestkesselleistung.
Die Gewichtung der einzelnen Punkte ist abhängig von der Konstruktion des Wärmeerzeugers bzw. von dessen nachfolgend genannten Anwendungs- und Einsatzmerkmalen:
▪
▪
▪
Heizkessel mit konstanten Betriebstemperaturen.
Niedertemperaturheizkessel gem. HeizAnlV
Brennwertheizkessel.
Die Forderung nach definierten Betriebsbedingungen von Wärmeerzeugern hat entscheidende Auswirkungen auf die hydraulische Schaltung und auf die notwendigen
Regel- und Steuerfunktionen. Dieses trifft im besonderen für Heizkessel größerer
Leistung, Wärmeerzeuger mit Sonderfunktionen, wie zum Beispiel Brennwertheizkessel, und für Mehrkesselanlagen zu. Eine Sammlung bevorzugt einzusetzender
hydraulischer Schaltungen für Ein- und Mehrkesselanlagen findet sich in Abb. 11a
bis 11g.
Abb. 11a Hydraulischer Entkoppler: Rücklaufanhebung durch Rückgriff auf Heizgruppenregelventile.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 14
Abb. 11b Hydraulischer Entkoppler: Stetige Rücklaufanhebung je Kessel. Lastabhängige Kessel- und Brennerfolgeregelung mit Kesseltemperaturfühlern. Gleitende Regelung der Kesseltemperatur nach der Außentemperatur.
Abb. 11c Hydraulischer Entkoppler: Stetige Rücklaufanhebung mit gemeinsamem Stellorgan
(Dreiwegemischventil).
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 15
Abb. 11d Druckbehafteter Verteiler: Rücklaufanhebung mit Kesselbeimischpumpe (bei Modernisierung bestehender Anlagen und Übernahme der Hydraulik).
Abb. 11e Druckbehafteter Verteiler: Brennwertkessel und konventioneller Kessel (mit eigener
stetiger Rücklaufanhebung) in Serie geschaltet.
Abb. 11f Druckbehafteter Verteiler: Brennwertkessel ohne Rücklaufanhebung.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 16
Abb. 11g Hydraulischer Entkoppler: Einbindung eines Kessels mit Abgaswärmetauscher.
Gegenüber den früher eingesetzten Kesseln mit konstant geregelter Kesseltemperatur und mit hohen Betriebsbereitschafts- und Strahlungsverlusten sind bei modernen
Wärmeerzeugern nur noch die Abgasverluste von Bedeutung. Strahlungs-, Konvektions- und Betriebsbereitschaftsverluste heutiger Kessel sind vernachlässigbar. Die
Nutzungsgrade sind deshalb im Teillastbetrieb am größten (Abb. 12); dies gilt nicht
nur, wie dargestellt, für Brennwertkessel, sondern für alle modernen Kessel, auch mit
einstufigem Brennerbetrieb.
Abb. 12 Teillastnutzungsgrad von Brennwertkesseln.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 17
Zur Realisierung umwelttechnischer und wirtschaftlicher Forderungen, wie geringe
Schalthäufigkeit und hoher Nutzungsgrad, wird sich die hydraulische Entkopplung
zwischen Wärmeerzeuger- und Wärmeverbraucherseite (differenzdruckarmer Verteiler) in der Praxis immer stärker durchsetzen. Die wesentliche Forderung ist hierbei
das Einhalten konstanter Kesselwasservolumenströme unabhängig von der Verbraucher- und von der Kesselbelastung.
Kessel mit Abgaswärmetauscher (Bild 11 g) und Brennwertkessel (Bild 11 e und f)
erfordern eigene hydraulische und regelungstechnische Lösungen mit zum Teil recht
hohem Zusatzaufwand. Hier kommt es darauf an, dem Kessel das niedrigstmögliche
Rücklauftemperaturniveau anzubieten. Dabei kann der Kesselwasservolumenstrom
in weiten Bereichen schwanken, wenn dies von der Kesselkonstruktion her erlaubt
ist. Bei Brennwertkesseln sollten modulierende Brenner mit kleiner Grundlaststufe
eingesetzt werden.
Kessel- und Brennerstufenfolge
Die steuerungs- bzw. regelungstechnische Zu- und Abschaltung der Kessel- und
Brennerstufen bei Mehrkesselanlagen richtet sich nach dem angeschlossenen
Verteilernetz, den zugehörigen Verbrauchern und der Hydraulik auf der
Wärmeerzeuger- und Wärmeverbraucherseite. Für das Anfahren eines Kessels aus
dem kalten Zustand sind verschiedene Verfahren möglich:
▪
▪
▪
Aufheizen ohne Durchfluss bis zu einer unter der Kesselnenntemperatur liegenden Grenztemperatur, dann Durchflussfreigabe.
Aufheizen mit sofortiger Durchflussfreigabe.
Aufheizen im internen Zirkulationsbetrieb, früher häufig mit sogenannten Kesselbeimischpumpen und einer sogenannten Anheizsperre, heute bei Einsatz hydraulischer Entkoppler mit eigenem, dem Kessel zugeordneten stetigen Dreiwegestellglied (Abb. 11 b) oder Rückgriff auf einen oder mehrere Verbraucherheizkreisregler (Abb. 11 a).
Die zuletzt beschriebenen Methoden dienen auch zur Kesselrücklauftemperaturanhebung. Die Entscheidung darüber, ob eine Kessel oder Brennerstufe zu- oder weggeschaltet werden muss, kann sich auf verschiedene Parameter abstützen. Hierfür
kommen in Frage:
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
Die gemeinsame Kesselvorlauftemperatur,
die Übergabetemperatur,
die Rücklauftemperatur,
die Außentemperatur,
die Brennerbelastung, bei Zweipunktregelung ermittelt aus dem Ein-/ Ausschaltverhältnis, bei stetiger Regelung aus dem Stellsignal oder davon abgeleiteten
Größen,
die abgegebene Wärmeleistung (Wärmezähler),
Die Ventilstellung der Netzbeimischung.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 18
Die zweckmäßigsten Lösungen erhält man, wenn von einem einzigen Parameter aus
die Stufen zu- und abgeschaltet werden können. Als besonders geeignet für die Kesselfolgeschaltung sind zu nennen:
▪
▪
Die Gesamtwärmemenge aller Verbraucher oder ersatzweise das Brennerein-/ ausschaltverhältnis bzw. das stetige Ausgangssignal bei modulierenden Brennern.
Die intelligente und mit einem Mikroprozessor mögliche Auswertung der Einzelkesseltemperatur (Abb. 11 b) und/oder der gemeinsamen Kesselvorlauftemperatur bzw. der Übergabetemperatur.
Der Sollwert der Kesseltemperatur kann von der Außentemperatur oder von einer
anderen Größe geführt werden (Niedertemperatur- oder Brennwertkessel mit gleitender Betriebsweise), wobei in größeren Anlagen die Möglichkeit der Koordination von
Wärmeerzeuger- und Wärmeverbraucherregelung, z.B. bei Einsatz von Optimierungseinrichtungen, von Bedeutung ist.
Führungs-, Folge- und Parallelbetrieb
Wegen der eindeutigen Priorität der Abgasverluste wird zukünftig bei modernen
Mehrkesselanlagen die konventionelle Kesselfolgeschaltung durch einen weitgehenden Parallelbetrieb bei Kesseln mit zweistufigen und modulierenden Brennern ersetzt
werden: Abb. 13a bis d.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 19
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 20
Abb. 13a bis d Variationen der Kessel- und Brennerstufenfolge.
Ein sinnvoller Kompromiss zwischen Minimierung der Kesselbetriebsbereitschaft und
hohen Nutzungsgraden bei niedrigen Abgasverlusten stellt z. B. folgender Ablauf der
Kessel- und Brennerstufenschaltung für eine Zweikesselanlage mit zweistufigen
Brennern dar:
Reihenfolge bei steigender Last:
▪
▪
▪
▪
▪
Kessel 1, Brennerstufe 1
Kessel 1, Brennerstufe 2
Kessel 2, Brennerstufe 1 (gleichzeitig Abschaltung von Brennerstufe 2, Kessel 1)
Kessel 1, Brennerstufe 2
Kessel 2, Brennerstufe 2.
Vorausgesetzt wird, dass die Kesselleistung bei Betrieb der beiden ersten Brennerstufen mehr als 50 % der max. Kesselleistung mit beiden Brennerstufen beträgt (Abb.
13c). Ein weitgehender Parallelbetrieb der beiden ersten Brennerstufen bei niedrigen
Abgas- und Betriebsbereitschaftsverlusten ist hierbei gewährleistet. Die verschiedenen Regel- und Steuerfunktionen für Mehrkesselanlagen werden immer weniger
durch die konventionelle Analogregeltechnik bzw. durch eine Steuerungstechnik mit
Schützen, Zeitrelais usw. erfüllt werden.
Vielmehr werden sich auch hier durch Einzug der Mikroprozessortechnik fest programmierte oder frei programmierbare Steuerungen und Regelungen durchsetzen:
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 21
▪
▪
▪
Mikroprozessorregelgeräte in Kompakt oder Modulbauweise.
DDR-Regelsysteme (Direct Digital Control).
SPS-Systeme (Speicherprogrammierbare Steuerungen).
Im Bereich mittlerer Leistungen (bis ca. 10 MW) weisen Kompakt- und Modulgeräte
vielfach Vorteile gegenüber frei programmierbaren Systemen auf, da sie keine allzu
hohen Anforderungen an das Anlageverständnis und an das Bedienungspersonal
stellen.
Regelungstechnik auf der Wärmeverbraucherseite
Die Varianten zentraler und dezentraler Regeleinrichtungen für Wohngebäude können einer älteren Aufstellung in der VDI-Richtlinie 3808 "Energiewirtschaftliche Beurteilungskriterien heiztechnischer Anlagen" entnommen werden: Abb. 14.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 22
Zentrale Regeleinrichtungen
Ausführungsform
-----------Regelprogramme
Ausgangsschaltung
Absenkprogramme
Zusatzaufschaltung
Wohnbauten
Witterungsgeführ- Raumtemperatur- Bemerkungen
te Vorlauftempe- regelung
raturregelung mit/
ohne Adaption
Mischer oder
Ventil
und/oder Kessel
Mischer oder
Ventil
und/oder Kessel
Pumpenabschaltung
Vorlauftemperatur-Absenkung
Totalabsenkung
bis ca. +2°C
Außentemperatur
Temperaturvariable Optimierung
(Raumerfassung)
Raumaufschaltung
Sonnenaufschaltung
Pumpenabschaltung
RaumtemperaturAbsenkung
Nichtwohnbauten
Witterungsgeführte
Bemerkungen
Vorlauftemperaturregelung mit/ohne Adaption
evtl. separate oder und/oder Kessel
gekoppelte Kesselfolgeschaltung
Pumpenabschaltung
VorlauftemperaturAbsenkung
Totalabsenkung bis ca.
+2°C Außentemperatur
Zeitvariable Optimierung (Raumerfassung)
mit/ohne Adaption
Raumaufschaltung
Witterungsaufschaltung
Bedingt
Teilung Sonnenaufschaltung
nach Himmelsrichtung
Windaufschaltung
Windaufschaltung
Kesselfolgeschaltung
Wochen- und/oder
Jahresuhr
Bedingt Teilung
Himmelsrichtung
nach
Integrierter
Brauchwasserregelkreis
mit/ohne
Vor- x
rangschaltung
x
mit Kesselbeein- x
flussung
x
mit/ohne Uhren- x
schaltung
x
wie bei Wohnbauten
größere Nichtwohnbauten
verfügen meist über eine
separate Brauchwasserbereitung und Regelung
teilweise mit integriert oder externer
Uhr
Dezentrale Regeleinrichtung (Wohn- und Nichtwohnbauten)
Ausführungsform
-----------------Absenkprogramme
manuell
zentrale Uhr
dezentrale Uhr
zeitvariable Optimierung über zentralen
Computer
Abb. 14
gen.
Raumtemperatur-Regelung
ohne Hilfsenergie
mit Hilfsenergie
Thermostatische
RaumtemperaturHeizkörperventil
Regeleinrichtung
Zwei-Punkt
(mit Ventil)
x
x
x (teilweise mit Zusatz)
x
x
x
Raumtemperatur
Regeleinrichtung
stetig (mit Ventil)
x
x
Bemerkungen
auch als Wochenund/oder Jahresuhr
x
x
Übersicht: Regelungstechnische Ausstattungsvarianten von heiztechnischen Anla-
Die weitgehend auf analoger Technik basierenden Funktionen sind heute durch weitere, nur mit Digitaltechnik zu realisierende Regelfunktionen erweitert worden: Tabelle 8.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 23
Tabelle 8 Spezifische Funktionen digitaler Regler.
Der digitale Regler ermöglicht:
• Eine Vielfalt von Funktionen, wie mathematische Verknüpfungen, z.B. zur Berechnung von Gebäudekennlinien, zur Adaption der Heizkennlinien, Zeitverknüpfungen, z.B. Blockierschutz für
Pumpen und Mischer
• Automatische, jahreszeitliche oder temperaturbedingte Einschalt- und Abschaltfunktionen
• Zugriffschutz von anlagen- oder kesselspezifischen Einstellungen
• Anzeige von Informationen
• Anpassungen an den Kessel
• Anpassungen an die Anlage
• Kleine Baugröße
Auswahl- und Anwendungshinweise für die wichtigsten zentralen und dezentralen
Regelungsarten finden sich in den Abb. 15a bis e.
Abb. 15a bis e Auswahl- und Anwendungshinweise für zentrale und dezentrale Regelungen.
Anwendungshinweise
Bemerkungen
Wirkungsweise
Zentrale RaumtemperaturRegelung direkt auf Brenner
wirkend. Umwälzpumpe kann
angesteuert werden
Zweipunktregelung mit Rückführung
Einzeletagenheizung kleinere
EFH, üblich sind UmlaufGaswasserheizer und KombiGaswasserheizer (für Heizung und
Warmwasser)
Kombi-Wasserheizer
Eine zentrale Raumtemperaturregelung kann eingesetzt
werden, wenn ein Raum dauernd als vorwiegend genutzter
Aufenthaltsraum dient.
Witterungsgeführte Regelung
der Vorlauftemperatur (oder
nach einer anderen Führungsgröße, z.B. nach der Heizlast)
Gleitende Kesseltemperatur bei
Niedertemperaturkesseln
a) nur auf Brenner wirkend
b) auf Brenner und nachgeschaltete Mischerregelung
c) konventionelle Kessel mit
nachgeschalteter Mischerregelung.
EFH, MFH und NWB mit Kesseln
für Gebläsebrenner und atmosphärische Brenner
Eine Vorlauftemperaturregelung wird eingesetzt, wenn
mehrere Räume als dauernd
genutzte Aufenthaltsräume
dienen.
(Heutige Standardlösung zusätzlich Einzelraumregelung
gesetzlich vorgeschrieben)
Bedarfsgeführte Pumpensteuerung
Nachgeschaltete Mischerregelung
für: gleichmäßige Vorlauftemperatur
- Vermeiden von Übertemperatu
ren nach Brauchwasserladung
- mehrere Heizkreise (siehe
auch Zonenregelung), zusätzliche Raumtemperaturerfassung
in Referenzraum für
- Erfassen von Fremdwärme
(Raumtemperaturaufschaltung)
- eingeschränkten Heizbetrieb
(Heizoptimierungsfkt.)
- Überwachung einer Gebäudeschutztemperatur
- Raumtemperaturregelung mit
Vorlauftemp.-Regel. in Kaskade
- Adaption der Heizkennlinie und
der Optimierungsparameter
Meist zusammen mit separat
geregeltem Warmwasserspeicher, Warmwasservorrangschaltung über Ladepumpe
Nachgeschaltete Mischerregelung zum Vermeiden von
Übertemperaturen nach
Warmwasservorrangschaltung
Abb. 15a
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 24
Wirkungsweise
Anwendungshinweise
Bemerkungen
Getrennte VorlauftemperaturRegelung für Heizkreise (Regelgruppen) nach der Außentemperatur oder nach anderer Führungsgröße.
Getrennte Einstellmöglichkeiten
der Heizkurve sowie der Zeiten
für eingeschränkten Heizbetrieb
Bei unterschiedlichen Betriebszeiten.
Bei unterschiedlichen
Heizungssystemen.
Bei unterschiedlichen Gebäudekonstruktionen.
Bei Aufteilungen hinsichtlich der
Himmelrichtungen.
Bei verschiedenen Verbrauchern
mit unterschiedlichen Regelsystemen.
Bei Kombinationen von Heizungs- und Lüftungssystemen.
Bei Gebäudeteilen mit unterschiedlichen Formen des zeitlich
eingeschränkten Heizbetriebes.
Bei Anlagen, wo noch Erweiterungen vorgesehen werden sollen.
Bei Verteilerstationen mit unterschiedlichen hydraulischen
Schaltungen.
Entscheidung über autonome
Einzelregler oder Gesamtsystem
nach technischen und
wirtschaftlichen Gesichtspunkten
Autonome Einzelregler oder
Gesamtsystem (DDC-Technk)
Möglichkeit des Rückgriffs bzw.
der Regelung des Wärmeerzeugerkreises (s. dort)
Abb. 15b
Wirkungsweise
Vorlauftemperaturregelung für
Fußbodenheizungen nach der
Außentemperatur oder nach der
Heizlast oder konstant.
Eine zentrale RT-Regelung von
Fußbodenheizsystemen ist
falsch.
Regler für kombinierte Radiatoren-Fußbodenheizungen sollten
für beide Regelkreise getrennte
Einstell- und Ausgangsglieder
aufweisen.
Zeitprogramme sind ebenfalls
getrennt einzustellen.
Anwendungshinweise
EFH (z.T. MFH und NWG)
Häufig kombiniert mit Heizkörpern.
Getrennte Regel(misch)kreise wegen unterschiedlichen Temperaturniveaus in
jedem Fall erforderlich.
Bemerkungen
Grundsätzlich sind FBH vor Überschreiten der höchstzulässigen
Temperaturen durch Einbau eines
gesonderten Temperaturwächters
(Abschalten der Pumpe) zu schützen. Günstig ist hierbei der Einsatz
eines T-Fühlers für Regel- und
Sicherheitsfunktionen.
Bei kombinierten Systemen (Radiatoren und Fußbodenheizungen)
sollte bevorzugt
die FBH die Grundlast decken, die
Radiatoren Heizlastschwankungen
ausgleichen.
Die Regelungsfähigkeit von FBH,
v.a. mit hohen Speichermassen, ist
ungünstiger als bei flinken Heizkörperheizungen Dies ist gültig für
FBH in konventioneller, schwerer
Bauweise. Wärmeabgabeverhalten,
Dynamik des eingeschränkten
Heizbetriebes sowie der Fremdwärmeausnutzungsgrad unterscheiden sich wesentlich vom Verhalten bei Heizkörpern.
Gesonderte Einstellung bzw. Adaption (Selbsteinstellung) der Regelparameter ist daher unumgänglich.
Abb. 15c
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 25
Wirkungsweise
Einzelraumregelung
Dezentrale Raumtemperaturregelung bestehend aus Ventilteil
und Regler (ohne Hilfsenergie)
Anwendungshinweise
Bemerkungen
Wohn- und Nichtwohngebäude
Allgemein gilt für ERR:
Zum Erreichen einer befriedigenden Regelgüte:
Vorregelung (z.B. Witterungsgeführt) und sorgfältige Auslegung
und hydraulischer Abgleich erforderlich (siehe VDI-2073)
Nicht in Räumen einsetzen, in
denen Raumtemperaturfühler
für zentrale Regeleinrichtungen installiert sind.
Durch unterschiedliche Methoden der Voreinstellung Anpassung an Auslegungsvolumenstrom
Wohn- und Nichtwohngebäude
Auslegung nach VDI 2073
Einsparpotential durch selbsttätigen Absenkbetrieb abhängig von
- Dauer der Heizunterbrechung
- Gebäudekonstruktion
- Größe und Wärmeleistung
der Heizkörper
Dezentrale Raumtemperaturregelung durch Änderung des
Heizkörpervolumenstromes mit
herkömmlichem Ventilunterteil
und separatem Antriebs- und
Reglerteil
Zeitlich eingeschränkter Heizbetrieb erfolgt selbsttätig und ist für
jeden Raum individuell einstellbar.
Abb. 15d
Wirkungsweise
Einzelraumregelung
Zentral und/oder dezentral steuerbare Einzelraumtemperaturregelung (FER)
Zentrale (ferngesteuerte)
Einstellung der
Einzelraumtemperatursollwerte
und der EinzelraumDezentrale Korrekturmöglichkeit
zeitprogramme
durch Sollwertsteller im Raum
Ausbaumöglichkeiten durch
- Präsenzfühler
- Fensterkontakte . . .
System besteht aus
- Ventil mit
- thermischen
- elektromagnetischen oder
- elektromotorischem
Stellantrieb für jeden Heizkörper oder für mehrere Heizkörper eines Raumes gemeinsam
- Raumtemperaturregler
- Sollwertsteller mit Gradeinteilung
- RT-Fühler
- Leitungsinstallation
Abb. 15e
Heizungsregelung
Anwendungshinweise
FER mit zentraler Warte in
- Schulen, Ausbildungszentren
(Bedienung bevorzugt im Haus
meisterdienstraum)
- Kasernen
- Krankenhäusern
- Hotels
FER mit dezentraler Einstellung:
- Kranken- und Schwesternzimmern
- Verwaltungsräume
Bemerkungen
Für die Wiederaufheizung ist
eine generelle Anhebung der
Vorlauftemperatur oder eine
Kommunikation mit der zentralen Vorlauftemperaturregelung
erforderlich. Wirtschaftlichkeit
gegenüber zentraler Vorregelung mit zentral gesteuertem
eingeschränktem Heizbetrieb
sowie nachgeschalteten Einzelraumreglern als Thermostatventile oder als elektronische Heizkörperregler in jedem Fall zu untersuchen.
Nachträgliche Leistungsinstallation v.a. bei der Nachrüstung
ist in vielen Fällen erforderlich.
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 26
Wesentliche Energieeinsparungen sind durch eine optimierte Wärmeverbraucherregelung möglich; im wesentlichen durch stärkere Ausnutzung des zeitlich eingeschränkten Heizbetriebes (Absenkung, Abschaltung, Heizungsoptimierung) mit neuen zentralen Digitalreglern und dezentral angeordneten, digitalen Einzelraumreglern
und -systemen.
Heizungsoptimierung
Die Zielsetzung frühestmöglicher Abschaltung (optimum off) und spätestmöglicher
Wiedereinschaltung (optimum on) wird mit sogenannten Heizungsoptimierungsfunktionen erreicht: Abb. 16. Gleichbleibende Komfortbedingungen in den Nutzungszeiträumen sind dabei trotzdem zu gewährleisten. Aufgabe der Heizungsoptimierungsfunktion ist die bedarfsgerechte Abschaltung bzw. Freigabe der Heizenergie.
Abb. 16 Temperaturverlauf bei Heizungsoptimierungsfunktionen mit zeitvariabler Aufheizung.
Unterschieden werden Verfahren:
▪
▪
Mit Raumtemperaturfühler,
ohne Raumtemperaturfühler, die nach einem Modell für die Gebäudeaufheizung
bzw. -abkühlung arbeiten.
Um einen erfolgreichen Betrieb der Optimierungseinrichtungen sicherzustellen, müssen die Heizungsanlage, die Geräte sowie die Abstimmung der Geräte auf die Heizungsanlage eine Reihe von Anforderungen erfüllen.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 27
In Tabelle 9 sind die Anforderungen an die Heizungsanlage, an die Hydraulik und an
die notwendigen Regelfunktionen für den Einsatz der Heizungsoptimierungsfunktion
zusammengestellt. Anerkannte Berechnungsverfahren, z. B. der VDI-Richtlinie 3808
und der neu bearbeiteten VDI 2067, ermöglichen die Vorausberechnung der Energieeinsparung durch Einsatz von Heizungsoptimierungsfunktionen im Vergleich zur
konventionellen Nachtabsenkung des Vorlauftemperaturniveaus: Abb. 17.
Tabelle 9 Anforderungen für den Einsatz von Heizungsoptimierungsfunktionen
•
•
•
•
Gebäudeteile mit unterschiedlichen Nutzungsanforderungen sollten separate Heizkreise aufweisen.
Es sollte ständig die gleiche oder außentemperaturabhängig variable, jedoch reproduzierbare Leistung zum Aufheizen zur Verfügung stehen. Bei Anlagen mit Fernwärmeversorgung muss die Einhaltung dieser Voraussetzung überprüft werden.
Wärmeerzeuger und Heizflächen sollten genügend Aufheizleistung haben, um bei Normaußentemperatur die Raumtemperatur um ca. 8 K innerhalb von 8 bis 10 h zu erhöhen. Ist das nicht der Fall, muss ein System gewählt werden,
das die Absenkung in Abhängigkeit der Außentemperatur reduziert oder die Absenkung ab einer bestimmten Außentemperatur unterdrückt.
Ist eine Pumpe mit Drehzahlregelung vorhanden, so ist diese gemäß dem Optimierungsprogramm zu schalten.
Anforderungen an die Abstimmung der Geräte an die Heizungsanlage
•
•
•
•
•
•
•
•
Bei Kesselanlagen mit Kesselfolgeschaltung, Mehrstufenbrenner, gleitender Kesseltemperatur u.ä. sollte eine Schaltung zur Realisierung der maximalen Aufheizleistung möglich sein.
Die Rücklauftemperaturbegrenzung der Kessel muss sichergestellt sein.
Die Anlage sollte hydraulisch abgeglichen sein. Kesselkreis- und Heizkreisvolumenströme sollten weitgehend konstant sein.
Alle Gebäudeteile und Leitungsabschnitte müssen frostgeschützt sein.
Der Referenzraum für einen Raumfühler muss repräsentativ für die Hauptnutzung der vom Optimierungssystem beeinflussten Räume sein (z.B. keine innenliegenden Räume, Foyers, Flure, Lagerräume, Wandelgänge).
Zur Sicherheit sollte als Referenzraum der thermisch ungünstigste Raum gewählt werden (z.B. Eckräume an
Nord/Nord-West-Seite, alle Räume mit großem Außenflächenanteil und geringem Fremdwärmeaufkommen).
Sind im Referenzraum Thermostatventile montiert, müssen diese auf einen Sollwert oberhalb des Tagessollwertes
des Optimierungsgerätes eingestellt werden.
Vom Referenzraum können nicht parallel andere Systeme, z.B. Klima, Lüftung, Heizung, geregelt werden.
Abb. 17 Wärmeverbrauchsminderung durch Einsatz von zentralen Heizungsoptimierungsfunktionen im Vergleich zur konventionellen Nachtabsenkung.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 28
Adaption der Heizkennlinie
Um die Bedienung und die Einstellung moderner Regler zu vereinfachen, werden
heute "selbstlernende" Regler mit Selbstadaption der Heizkurve und der für die Vorlauftemperaturregelung und für die Heizungsoptimierung notwendigen Regelparameter eingesetzt.
Unter Adaption versteht man die Fähigkeit eines Regelgerätes, eine heizflächen- und
gebäudespezifische Heizkurve selbsttätig zu ermitteln. Durch den Adaptionsvorgang
wird die Heizkennlinie so eingestellt, dass unter Vernachlässigung von Fremdwärme
bei allen Außentemperaturen eine konstante Temperatur im Referenzraum herrscht.
Die vor der Adaption vorgegebene Grundeinstellung der Heizkennlinie wird dabei in
Krümmung und Steilheit korrigiert, wobei die Festlegung von Grenzwerten sinnvoll
ist.
Die Adaption ist nach Ablauf einer Adaptionszeit abgeschlossen.
Die Adaption arbeitet mit folgenden Parametern:
▪
▪
▪
▪
Außentemperatur
Raumtemperatur
Vorlauftemperatur
Täglicher Adaptionszeitraum.
Für den Adaptionsvorgang gelten folgende Bedingungen:
▪
▪
▪
▪
Ermittlung nur bei durchgehendem Heizbetrieb (möglicherweise Koppelung an
Einschaltdauer der Heizkreispumpe oder zeitliche Begrenzung über Zeitfenster).
Vermeidung von Störeinflüssen wie Lüften, Fremdwärme, Sollwertänderung u. ä.
Keine dezentrale Raumtemperaturregelung im Referenzraum.
Einzelraumregelung
Dezentralen Einzelraumreglern und Einzelraumregelsystemen für den Wohn- und
Nichtwohnbau fällt zukünftig neben der Wärmeerzeuger- und der zentralen Wärmeverbraucher-(Vorlauftemperatur)-Regelung eine bedeutende Rolle in bezug auf Komfort und Energieeinsparung zu.
In Kombination mit Zeitprogrammen lässt sich die Einzelraumregelung exakt in ihrer
Sollwertvorgabe den Nutzungsverhältnissen anpassen. Das bedeutet, dass die
jeweiligen Räume nur dann beheizt werden, wenn dies von der Raumnutzung her
notwendig ist.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 29
Die Vorteile der Einzelraumregelung liegen begründet in:
▪
▪
▪
▪
Exakte Einhaltung der Komfortbedingungen im Raum (auch bei Einwirken von
Störgrößen,. wie Kälte und Fremdwärme).
Automatische Reduzierung der Energiezufuhr pro Raum um den Betrag des
Fremdwärmeaufkommens (Menschen oder Maschinen, Beleuchtung etc.).
In Verbindung mit Zeitprogrammen und/ oder Präsenzmeidung Anpassung an die
effektiven Raumnutzungszeiten und damit kein unnötiges Heizen, wenn der
Raum nicht belegt ist.
In Verbindung mit Fensterkontakt die automatische Drosselung der Heizenergiezufuhr bei geöffnetem Fenster.
Eine Einzelraumregelung - in der Regel mit thermostatischen Heizkörperventilen - ist
gem. Heizanlagenverordnung in allen Nichtwohnbauten mit Räumen größer 8 m²
Nutzfläche bindend vorgeschrieben. Eine Ausnahme bilden lediglich Nichtwohnbauten mit Räumen gleicher Art und Nutzung, wo statt Einzelraumregelung eine witterungsgeführte Gruppenregelung zulässig ist.
Folgende Formen der Einzelraumregelung werden unterschieden:
a) Dezentrale Einzelraumregelung in
▪
analoger oder
▪
digitaler Technik
b) Zentrale Einzelraumregelung meist in
▪
digitaler Technik.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 30
Die Differenzierung von Einzelraumreglern hinsichtlich ihres Funktionsumfangs und
ihrer Anwendung ist in Abb. 18 dargestellt.
Schulen/Universitäten
Gewerbeu.Industrieb.
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Krankenhäuser
u.Sanatorien
Büro
u.Verwaltungsgeb.
Netzübertragung
Bus
x
Anwendung
Hotels
Dezentrale Einzel- Thermostatventil
raumregelung
Thermostatventil
zeitgesteuert,
Tag/Woche
2-Punkt-Regler
2-Punkt-Regler mit
analog
Präsenzmelder
oder –taster
2-Punkt-Regler mit
Zeitprogramm
Tag/Woche
stetiger Regler
stetiger Regler mit
Zeitprogramm
Tag/Woche
autarker Regler mit
Zeitprogramm
Dezentrale EinzelTag/Woche
raumregelung
autarker Regler mit
digital
zentraler Beeinflussung
Zentralregler für
mehrere Räume
mit dezentralem
Zeitprogramm
Zentrale EinzelTag/Woche
raumregelung
Zentralregler für
digital
mehrere Räume
mit zentralem
Zeitprogramm
Tag/Woche/Jahr
Ringleitung
Differenzierung der elektr. Installation
direkt verdrahtet
Art der Einzelraumregelung
ohne Verdrahtung
Gruppierung
x
x
x
x
x
x
x
Abb. 18 Funktionsumfang von Einzelraumreglern.
In vielen Anwendungsfällen ist es sinnvoll, die Einzelraumregelung mit der zentralen
Vorregelung und auch mit der Wärmeerzeugerregelung zu verknüpfen. Für diese
Funktion sind insbesondere zentrale und dezentrale Einzelraumregelsysteme in digitaler Technik prädestiniert. Während im zentralen Einzelraumregler alle Regelparameter und die Stellgrößen vorliegen, werden diese bei busfähigen dezentralen Einzelraumreglern bidirektional mit einer Zentrale ausgetauscht. In dieser Zentrale kann
im Rahmen einer "Angebot-Nachfrageregelung" die "Nachfrage" an einen Vorregelkreis weitergesendet werden. so z. B.:
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
Freigabe der witterungsgeführten Vorregelung.
Freigabe des Kessels bzw. der Kesselfolgeschaltung.
Lastabhängige Führung der Vorlauftemperatur.
Führung der zentralen Luftaufbereitung (z.B. Heizregister und Luftmenge).
Führung des Kältebedarfs in Klimaanlagen,
Führung der Luftbefeuchtung.
Führung drehzahlgeregelter Umwälzpumpen.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 31
Als Kriterium für die Freigabe und Führung von Vorregelkreisen können je nach System folgende Größen der einzelnen Regelkreise dienen:
▪
▪
▪
▪
Die Regelabweichung,
die Ventilstellung,
die berechnete Stellgröße,
eine Kombination dieser Größen.
Häufig gilt der Raumregelkreis als Führungskreis, dessen Ventil zu 100 % geöffnet ist
und der die größte Regelabweichung aufweist. Die Führung der Vorregelkreise wird
von einer Zentrale in Form eines stetigen Ausgangs (0 ... 10 V/0 ... 20 mA) oder eines binären Ausgangs (z. B. Freigabe der Vorregelung und des Kessels bei 30 %
der Nennlast) vorgenommen.
In Kombination mit einer Einzelraumregelung wird bei der witterungsgeführten Vorregelung ein höheres Niveau der Vorlauftemperatur benötigt. Dies ist dadurch begründet, dass durch die Aufheiz- und Absenkzyklen der Einzelräume kein stationäres
Verhalten erreicht wird, und somit im Aufheizbetrieb des Raumes (= Laden des Innenspeichers) mehr Energie benötigt wird als im stationären Betrieb. Als Richtwert
gilt bei Einzelraumregelung eine um 12 bis 15 K erhöhte Vorlauftemperatur.
Bei optimierter Aufheizung (kürzeste Aufheizzeit) der Einzelräume erhöht sich dieser
Richtwert auf 15 bis 18 K. Für den Einbau von Einzelraumregelsystemen sind anlagenseitige Vorkehrungen zu treffen. Primär müssen die Heizflächen im Raum exakt
ausgelegt sein. Zu berücksichtigen sind dabei ggf. größere Transmissionswärmeverluste zu kälteren Nachbarräumen. Ein besonderes Augenmerk sollte der hydraulischen Konzeption der Anlage dienen.
Damit sich bei größeren Einzelraumregelsystemen keine schlagartigem Massenstromänderungen ergeben, sollten die zentral oder dezentral angesteuerten Raumoder Zonenventile nicht gleichzeitig öffnen oder schließen. D.h. auch beim morgendlichen Aufheizbeginn öffnen nicht alle Ventile gleichzeitig, sondern zeitlich gestaffelt,
auch wenn nach dem Zeitprogramm alle zum selben Zeitpunkt öffnen müssten.
Dasselbe gilt beim Schließen der Raum- und Zonenventile. Zur Bewältigung der
Massenstromänderungen sollten drehzahlgeregelte Umwälzpumpen und ggf. eine
Überströmregelung vorgesehen werden. Bei fehlender Massenstromanpassung
muss insbesondere bei geschlossenen und leicht geöffneten Ventilen mit Geräuschbelästigung ("pfeifende Ventile") gerechnet werden.
Für den Stellantrieb der Heizkörperventile, Klappen u. ä. haben sich verschiedene
Alternativen herauskristallisiert:
Neben der klassischen 3-Punkt-Ansteuerung reversierbarer Antriebe und Ventilantriebe für stetige Signale 0 ... 10 V/ 0 ... 20 mA haben sich für die Einzelraumregelung
thermische Ventilantriebe und elektrische Ventilantriebe mit impulsbreiten Modulation
durchgesetzt. Begünstigt wird dies durch einen relativ einfachen Algorithmus in der
Ausgangsstufe
mikroprozessorgesteuerter
Regler
und
ein
günstiges
Preis/Leistungsverhältnis.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 32
Auch für Einzelraumregler lässt sich das zusätzliche Energieeinsparpotential nach
der neu bearbeiteten VDI 2067, Blatt 2 vorausberechnen: Abb. 19.
Abb. 19 Wärmeverbrauchminderung durch Einzelraumregelung im Vergleich zur konventionellen witterungsgeführten Vorlauftemperaturregelung mit Thermostatventilen.
Brauchwasser-Regelung
In Kleinkesselanlagen bis ca. 100 kW ist die Brauchwasserbereitung in vielen Fällen
integrierter Bestandteil der sog. Units: Da die Temperatur des Kesselwassers nach
den, Erfordernissen der Heizkreise gefahren wird, ist für die Boilerladung die Kesselwassertemperatur nicht immer genügend hoch, so dass bei Brauchwasseranforderung der Sollwert für die Kesselwassertemperatur auf einen (oft einstellbaren) Maximalwert angehoben werden muss. Außerdem muss dafür gesorgt werden, dass nach
der Brauchwasserbereitung die erhöhte Kesselwassertemperatur nicht in die Heizkreise gelangt. Dazu dienen bestimmte Vorrangschaltungen.
Absoluter Vorrang
Bei absolutem Vorrang werden die Heizkreispumpen der direkt angeschlossenen
Heizkreise abgeschaltet, der Mischer geschlossen und die Boilerladepumpe eingeschaltet.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 33
Gleitender Vorrang
Bei gleitendem Vorrang - dieser ist nur möglich für Heizkreise mit Mischer - läuft der
Heizkreis bei Brauchwasseranforderung parallel mit. Solange die angehobene Kesselwassertemperatur für die Boilerladung aufrecht gehalten werden kann, regelt der
Mischer die gewünschte Vorlauftemperatur für den Heizkreis.
Sinkt die Kesselwassertemperatur jedoch unter den angehobenen Wert, wird durch
Zubefehle für den Mischer dafür gesorgt, dass die Kesselwassertemperatur wieder
den angehobenen Wert erreicht. Nach der Brauchwasserladung ist ein Nachlaufen
der Brauchwasserladepumpen von 3 bis 10 min sinnvoll, um zu hohe Verbrauchervorlauftemperaturen bei Anlagen ohne Mischer oder ggf. ein Ansprechen des Sicherheitstemperaturbegrenzers bei Anlagen mit Mischer zu verhindern.
Für die Brauchwasserbereitung, evtl. für eine gesonderte Zirkulationspumpe, besteht
die Möglichkeit, beide über ein eigenes oder mit einem Verbraucherkreis gekoppeltes
Zeitprogramm freizugeben.
Zentrale, separat beheizte Brauchwasserbereiter in größeren Anlagen sind unabhängig von der Kesselregelung geschaltet. Die Beheizung des Brauchwasserkreises
kann ähnlich wie eine Heizgruppe über ein Regelmischventil erfolgen sowie im
Sommerbetrieb mit einem kleineren "Sommer"-Kessel bei Mehrkesselanlagen: Abb.
20.
Abb. 20 Zentrale Brauchwasserbereitung.
In vielen Anlagen mit Warmwasser als Heizmedium, u. a. aber auch mit Heißwasser
oder Dampf werden außerhalb des Speichers liegende Umformer eingesetzt.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 34
Pumpenregelung
Veränderliche Betriebszustände durch unterschiedliche Verbraucher- und Kesselbelastungen in Heizungsanlagen rufen immer auch veränderliche Volumenströme und
Druckdifferenzen hervor und erfordern u. a. komplexen Anlagen eine Volumenstromregelung bzw. den Abgleich der schwankenden Differenzdrücke im System.
Pumpe und Pumpenregelung haben dabei eine wichtige Rolle. Auch hier ist zwischen Auswahlkriterien für Pumpen auf der Primär-(Wärmeerzeuger)seite und auf
der Sekundärseite (Ventilnetz, Verbrauchergruppen) zu unterscheiden. In vielen Fällen bietet sich - u. a. bei größeren Anlagenleistungen - ein Aufteilen auf mehrere
Kesselkreispumpen oder der Einsatz geregelter Pumpen mit mehreren Drehzahlstufen an.
Auf die Auslegung der immer mehr an Bedeutung verlierenden Kesselbeimischpumpe soll nicht näher eingegangen werden. Kesselpumpen in Anlagen mit hydraulischem Entkoppler ergeben keinerlei Auslegungsprobleme. Auf der Verbraucherseite
zeichnet sich die Hydraulik aus durch:
▪
▪
▪
Ständig wechselnde Lastzustände, u. a. beim heute selbstverständlichen Einsatz
von thermostatischen Heizkörperventilen.
Empfindlichkeit in bezug auf Geräusche.
Hohes Einsparpotential beim Energieverbrauch der Pumpen.
In der lastabhängigen Pumpenregelung durch Konstanthaltung des Differenzdruckes,
zukünftig evtl. auch durch neue Verfahren der Volumenstromregelung, bestehen vielfältige Möglichkeiten, die angesprochenen Aufgabenstellungen zu lösen. Die heute
im Sekundärbereich fast ausschließlich eingesetzten Nassläuferpumpen mit manueller, in Stufen oder stufenlos geregelter Drehzahlanpassung sind für diese Aufgabenstellungen geeignet.
Der Pumpenauslegung, auf die hier nicht näher eingegangen werden kann, kommt in
der Gesamtplanung eine große Bedeutung zu. Auslegungshinweise, abhängig vom
jeweiligen Einsatzfall, finden sich in der neuen VDI-Richtlinie 2073.
Bei den Steuer- und Regeleinrichtungen für Pumpen haben sich die folgenden Systeme durchgesetzt (Tabelle 10):
▪
▪
▪
Stufenschaltung als Schütz- oder Relaisschaltung.
Stufenlose Regelung mittels Phasenausschnitt.
Stufenlose Regelung mittels Frequenzumformer.
Die Wahl der richtigen Führungsgröße (Signalart) ist entscheidend für die optimale
Funktion der Pumpenregelung. Auswahl und Bewertungskriterien für die "richtige"
Pumpenregelung finden sich in Tabelle 11, wobei der Regelung nach dem Differenzdruck besondere Bedeutung zukommt.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 35
Freie Betriebspunkteinstellung
Drehzahlbereich ca.
Regelgenauigkeit
Wirkungsgrad
Leistungsfaktor cosϕ
Stromeinsparung
Investitionskosten
Nassläufer
Pumpenart
Trockenläufer
Stufenschaltung
2 bis 4 Stufen
nicht möglich
100 % zu 75 %
ausreichend
annähernd 1
motorabhängig
max. 30 % bis 40 %
niedrig
nur bei neuen Pumpen
-
Phasenanschnitt
ja
Stufenlos
Frequenzumforder
ja
100 % zu 60 %
gut bis hoch
> 95 %
motorabhängig
max. 40 % bis 50 %
mäßig
100 % zu 60 % / 40 %
hoch
> 95 %
> 0,9
max. 50 % bis 70 %
höher
alle Fabrikate und Typne
alle Fabrikate und Typen
nur mit Sondermotor
alle Fabrikate und Typen
elektrische Netzveränderungen
Geräusche im Motor
keine
ja
ja
keine
gering bis hoch
Motormomentenveränderung
stark
stark
umformerabhängig
sehr gering bis hoch
≤ 10 %
Abb. 21 Erläuterungsbericht zur Tabelle 10
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 36
Benennung
Pumpenregelung
Drehzahleinfluss
Wirkungsweise
Anwendungshinweise
Bemerkung
Eine Pumpenregelung wird
eingesetzt, um
•
Geräusche zu
vermeiden
•
Stromkosten zu
senken,
•
den Förderstrom
spezifischen Anlagenanforderungen anzupassen.
Pumpenregelung mittels
veränderlicher Drehzahl
verschlechtert weitestgehend nicht den Pumpenwirkungsgrad, ist automatisierbar und erfordert keine
mechanischen Eingriffe an
der Pumpe.
Einsatz immer möglich bei Be•
Es empfiehlt sich, Pumpen zu
achtung sowohl der zulässigen
verwenden, die in serienmäßiger AusReglersignalart als auch der
führung für eine Pumpenleistungsregeanlagenspezifischen Randbedinlung geeignet sind. Sonderausführungen sind aus Inbetriebnahme- und Sergungen, z.B. ∆ρ-Regelung bei
vicegründen zu vermeiden.
variablem Förderstrom in Zwei- Gesetzmäßigkeit gemäß Modellgesetz
rohr-Thermostatventilanlagen.
für
- Für alle Pumpengrößen einFörderstrom Q
setzbar in kosten- und funktionsmäßig abgestufter Ausführung.
n100% Q100%
- Starke Veränderungen der
=
;
Pumpenförderhöhe (H) und des
nRe g.
QRe g.
Pumpenleistungsbedarfs
(P2)
Förderhöhe H
schon bei relativ kleinen Dreh2
zahlreduzierungen.
 n100% 
(z.B. Regel-Drehzahl nReg. = 70 %

 = H100% ;
entspricht
 nRe g. 
HRe g.


Rest-Pumpendruck Hreg. ≈ 50 %
Leistungsbedarf P
bzw.
3
Leistungsbedarf Preg. ≈ 35 %).
 n100% 
P100%


 nRe g. 


Regelungs- •
In der techn. Gesysteme
bäudeausrüstung werden
fast ausschließlich folgende Pumpenregelsysteme
alternativ eingesetzt:
stufenlose Systeme:
Leistungen unbegrenzt,
auch für Trockenläuferpumpen* u. Großleistungen* geeignet. *Mittels
Phasenabschnitt bzw.
Frequenzumformung.
Stufenschaltung:
Fabrikatsbezogene, auf
Nassläuferpumpen bis
ca. 2,5 kW beschränkt.
Abb. 21 zeigt die Anwendungsunterschiede
auf.
▪
Sondertechniken wie
Gleichstromantriebe,
polumschaltbare Motore, Hydraulikgetriebe
etc. beschränken sich
auf Einzelfälle.
=
PRe g.
Dabei sind:
n100% Drehzahl der Pumpe bei Nennlast
nReg. Drehzahl der Pumpe im Regelfall
Q100% Pumpenförderstrom bei Nennlast
QReg. Pumpenförderstrom im Regelfall
H100% Pumpenförderhöhe bei Nennlast
HReg. Pumpenförderhöhe im Regelfall
P100% Leistungsbedarf der Pumpe bei
Nennlast
PReg. Leistungsbedarf der Pumpe im
Regelfall
Siehe Abb. 21 Erläuterungsbild
zu Tabelle 10.
•
Stufenlose Systeme sind universell für alle Pumpenarten einsetzbar
und mit breitem Drehzahl-Regelbereich
ausgestattet. Sie erlauben:
- exakte Anpassung der Pumpenleistung an die Anlagenbedürfnisse durch
hohe Regelgenauigkeit,
- die freie Einstellung des Betriebspunktes. D.h., die Pumpe kann bei Inbetriebnahme exakt auf den Auslegungswert eingestellt werden.
- Um elektrische Netzbeeinflussungen
zu reduzieren, können Dämpfungsmaßnahmen erforderlich sein (EVUbzw. Betreibervorschriften beachten).
- Bei Geräuschproblemen sind Abstimmungen auf der Motorseite erforderlich, evtl. Spezialmotore.
- Stufenschaltungen haben einen begrenzten Regelbereich, sind aber elektromagnetisch in bezug auf die
Pumpe und das Elektroversorgungsnetz ohne Einflüsse.
Tabelle 10 Regelsystem für Pumpen
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 37
Benennung
Regelsignale
Wirkungsweise
Die richtige Signalart für
die Versorgungsanlage
entscheidet über die
optimale Funktion der
Pumpenleistungsregelung.
Eine Differenzierung ist
aufgrund der verschiedenen Anlagenformen
und Funktionsweisen
erforderlich.
Nr. Signalart Funktionsbeschreibung
1 Uhrzeit t
Ein-/Aus- oder Max-/MinSchaltung der Pumpe
mittels einstellbarer
Schaltuhr und ggf. Vorwahl der Pumpendrehzahlen.
Anwendungshinweise
Anwendungsbereich
Heizungen in Ein- und
Zweifamilienhäusern,
Stockwerksheizungen,
Heizungs-Anlagen mit
zeitlich wiederkehrender
Betriebsweise. Brauchwasserzirkulation.
2 VorlaufTempera
tur TV
Selbsttätige Anpassung
Raumheizungen
mit
(abgestuft oder stufen"gleitender" Vorlauftemlos) der Drehzahl propor- peratur.
tional zur Vorlauftemperatur.
3 Differenz
temperatur
∆ T zwischen Vorlauf- und
Rücklauftemperatur
(Spreizung)
Selbsttätige Anpassung
(abgestuft oder stufenlos) der Drehzahl proportional zur Temperaturspreizung (TV – TR).
Anlagen ohne Drosselung des Heizwasserstroms, z.B. Kesselkreise, Solarkreise, Einrohrheizungen, Fußbodenheizungen.
4 Differenzdruck ∆p
Regelung der Drehzahl
in der Weise, dass an
einem bestimmten Punkt,
z.B. direkt an der Pumpe
oder bei Fernsignalgeberanschluss am Ende
des ungünstigsten
Strangs, ein lastunabhängig konstanter Druckunterschied gehalten
wird.
Alle Wärmeversorgungsanlagen mit veränderlichem Volumenstrom,
z.B. Gebäudeheizungen
mit Thermostatventilen,
Klimaanlagen,
Fernheizungen.
Bemerkung
Merkmale
Einfach und preiswert.
Schutz gegen Einfrieren nicht gewährleistet.
Preiswert, einfach.
Pumpenleistung wird
zur Außentemperatur
in Beziehung gebracht.
Einfache Einstellung.
Belastungsänderungen
einzelner Verbraucher
nicht erfassbar.
Volumenstrom wird an
die Wärmelast angepasst.
Achtung:
Trägheitsverhalten der
Anlage beachten.
Bezüglich Betrieb und
Energieeinsparung
sehr günstig. Belastungsänderungen an
Verbrauchern mit lastabhängigem Heizwasserstrom über Druckverluste im System
erfasst. Messpunkt bei
Fernsignalgeberanschluß nicht einfach
und nicht in jedem Fall
eindeutig im voraus
bestimmbar.
Hinweise
Ein-/Aus-Schaltung
nicht geeignet für Anlagen mit Wärmeerzeugern, die ständig
einen Mindestheizwasserstrom benötigen. Kombinierbar mit
2, 3 und 4.
Zentrale, witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung erforderlich. Nicht geeignet für
Anlagen mit konstanter
Vorlauftemperatur.
Bei ZweirohrHeizungsanlagen mit
Thermostatventilen
und hydraulisch ähnlichen Anlagensystemen nicht anwendbar,
da dort bei sinkender
Last die Spreizung
zunimmt und ein indifferentes Regelverfahren entstehen kann.
Bei Fernsignalgeberanschluß muss Messpunkt grundsätzlich
der Punkt mit der
kleinsten Knotenpunktdruckdifferenz sein,
dieser kann lastabhängig wandern.
Nicht anwendbar bei
Einrohrheizungen.
Tabelle 11 Auswahl- und Bewertungskriterien für Pumpenregelsysteme.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 38
Regelkonzepte für verschiedene Gebäude
Die Wahl der Regeleinrichtung hängt nicht nur, wie vorher beschrieben, von den
spezifischen Anlagenbedingungen auf der Wärmeerzeuger- und -verbraucherseite,
sondern wesentlich von den Einsatzkriterien. und Anforderungen in den verschiedenen Gebäudetypen ab.
Einfamilienhäuser
Die Standardregelung im Einfamilienhausbereich besteht aus einer zentralen, witterungsgeführten Vorlauftemperaturregelung und dezentralen Einzelraumreglern, bei
Heizkörpern heute noch meist Thermostatventile. Für die zentrale Regelung werden
analoge und digitale Regler eingesetzt. Im analogen Regler erfolgt die Messung,
Einstellung und Signalverarbeitung analog, das Ergebnis wird meist mit
Schaltkontakten bzw. als stetiges Signal ausgegeben.
Durch die Baugröße ist die Zahl der Funktionen des analogen Reglers begrenzt, z. B.
für zwei Heizkreise, von denen einer direkt am Kessel, der andere über eine nachgeschaltete Mischerregelung angeschlossen sind.
Der digitale Regler wandelt analoge Messfühlersignale in digitale Werte um, verknüpft und speichert diese digital und gibt das Ergebnis ebenfalls nach Umwandlung
mittels Schaltkontakt oder als stetiges Signal aus. Zentrale Regeleinrichtungen in
Einfamilienhäusern regeln:
▪
▪
▪
▪
Die Kesselwassertemperatur,
die Vorlauftemperatur,
die Raumtemperatur in Kleinanlagen,
die Brauchwassertemperatur.
Mehrfamilienhäuser
Heizungsanlagen für größere Mehrfamilienhäuser weisen als Wärmeerzeuger Einkesselanlagen und Mehrkesselanlagen mit mehrstufig oder modulierend geregelten
Brennern auf. Die Brauchwassererwärmung erfolgt zentral von der Kesselanlage mit
separat beheizten Geräten oder dezentral in der einzelnen Wohnung. Eingesetzt
werden analoge und digitale Regler. Für die Folgeschaltung bei Mehrkesselanlagen
werden spezielle Folgeregler eingesetzt.
Da meist mehrere voneinander unabhängige Heizkreise vorhanden sind, werden für
Kessel und Heizkreise mehrere Regler (meist in Analogtechnik) oder durch Steckkarten (analoge oder digitale Modultechnik) oder Bussysteme (ausbaubare Systeme)
zum Einsatz kommen. Im Gegensatz zum Einfamilienhausbereich gibt es beim heutigen Anlagenstandard meist keinen individuellen Heizkreis pro Wohnung. Mehrere
Wohnungen sind an einen Heizkreis angeschlossen.
Weiterhin fehlt ein Referenzraum zur Raumtemperaturerfassung für
▪
Adaption,
▪
Heizungsoptimierung(nur ohne Raumfühler nach einem Gebäudemodell möglich),
▪
Raumaufschaltung.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 39
Es gibt keine oder nur eine kurze Absenkphase unter Berücksichtigung der Gewohnheiten aller Bewohner. Eine individuelle Regelung erfolgt meist über Mengenregelung (Heizkörperventil, Zonenventil). Hierdurch auftretende hydraulische Fragen
(Einsatz von Überstromventilen, Druckdifferenzregelungen, Pumpendrehzahlregelung) werden in der VDI-Richtlinie 2073 behandelt.
Eine automatische Sommer-/Winterumschaltung erfordert eine präzise Anpassung
der Parameter für ein theoretisches Gebäudemodell und eine Berücksichtigung der
unterschiedlichen Wohnungsorientierung nach den einzelnen Himmelsrichtungen.
Die individuelle Anpassung jeder Wohnung an den Nutzwärmebedarf durch wohnungsweise (Zonen-)Regelung und Einzelraumregelung mit individuellem Zeitprogramm bietet sich an und wird sich wohl in Zukunft verstärkt durchsetzen. Zum Teil
ist ein Rückgriff auf den zentralen Heizungs- und Kesselregler möglich.
Nichtwohngebäude
Auch im größeren Nichtwohnhausbereich finden sich häufig größere Mehrkesselanlagen mit den entsprechenden Regeleinrichtungen. Die für Mehrfamilienhäuser genannten Anforderungskriterien gelten auch hier. Die Brauchwasserbereitung erfolgt
zentral oder dezentral. In vielen Fällen ist die Wärmeerzeugung mit der Raumlufttechnik (Lufterhitzer, Luftbefeuchter) gekoppelt. Die Heizungsoptimierungsfunktion,
die Adaption der Geräteheizkennlinie, die Drehzahlregelung von Pumpen sowie der
Einsatz von DDC/GLT-Technik bieten sich im Nichtwohnhausbereich an. Weiterhin
ist der Frostschutzüberwachung bei Regelung mit Abschaltbetrieb, u. a. am Wochenende, besondere Aufmerksamkeit zu widmen.
Zu untersuchen ist die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Einzelraumreglern und
-regelsystemen, die mit der zentralen Vorregelung verknüpft werden können.
Büro- und Verwaltungsgebäude
Für Büro- und Verwaltungsgebäude liegt in der Regel ein größerer Gebäudekomplex
(z. B. Hochhaus) vor, der mit seiner Raumaufteilung und Raumstruktur (z. B. Großraumbüros, kleinere Büroeinheiten, Besprechungs- und Konferenzräume) unterschiedliche Anforderungen an die Anlagen- und die Regelungstechnik stellt. In vielen Fällen bieten sich hier Einzelraumregler mit Anwesenheitserfassung und Fensterkontakt an. Der Fensterkontakt sorgt bei geöffnetem Fenster für ein Schließen der
Heizenergiezufuhr. In vielen Fällen werden Büro- und Verwaltungsgebäude teil- oder
vollklimatisiert.
Schulen und Universitäten
In Bildungseinrichtungen liegen überwiegend Räume vor, die unterschiedliche Belegungszeiten aufweisen und entsprechend der Nutzung unterschiedliche Raumtemperatur-Sollwerte verlangen. Die Einzelraumregelung mit den oben angesprochenen
zusätzlichen Funktionen kann hier beträchtliche Energieeinsparungen bewirken.
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 40
Für gleichzeitig benutzte und gleich gelegene Räume können eigene Heizkreise
(Regelgruppen) mit Heizungsoptimierungsfunktion vorgesehen werden. Das gleiche
gilt für Sporthallen, sonstige Aufenthaltshallen und für die Hausmeisterwohnung.
In Universitäten sind in der Regel Räume mit z. T. sehr großem Rauminhalt (Hörsäle,
Laborräume, Verwaltungsräume, Mensa) sowie Büroräume, Hausmeisterwohnung
und evtl. Operationsräume zu beheizen.
Hotels
Je nach Größe und Komplexität erfordern Hotels eine große Zahl von Anlagenkomponenten für Heizungs- und/oder Klimatisierungssysteme. Hierzu zählen Heizung,
Lüftung, Klimatisierung der:
▪
▪
▪
▪
▪
Hotelzimmer,
Restaurants, Küchen,
Freizeiträume, Sauna, Schwimmbad,
Büroräume, Betriebsräume,
Hotelgarage.
Der Einzelraumregelung der Hotelzimmer mit dem meist größten Wärmebedarfsanteil kommt besondere Bedeutung zu.
Gewerbe- und lndustriebauten
Die bei Gewerbe- und lndustriebauten vorliegenden Heiz- und Regelaufgaben können wegen ihrer Vielfalt nur stichwortartig angesprochen werden:
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
Optimale und rationelle Energieanwendung in Fertigungs- und Lagerstätten (VDI
3802).
Deckenheizung oder Zentralheizungen bei kleinen und mittelgroßen Fertigungsund Montagehallen.
Aufteilung in Heizgruppen.
Angepasste Formen des eingeschränkten Heizbetriebes.
Wärmeerzeugungssysteme:
Warmwassererzeuger, Heißwasserwärmeerzeuger, Niederdruckdampfkessel,
Fernwärmeübergabestationen.
Wärmerückgewinnungssysteme.
Nutzung von Prozesswärme.
Fernwärme.
Krankenhäuser und Sanatorien
Aus Gründen der Versorgungssicherheit wird die zu installierende Heizleistung auf
eine Mehrkesselanlage aufgeteilt. Für die Planung der Heizungs- und Regelungstechnik ist zu berücksichtigen, dass für die verschiedenen Zwecke Wärme unterschiedlicher Art und Temperatur benötigt wird, z. B. für
▪
▪
▪
die Kochküche Dampf von 0,5 bar,
Desinfektion und Sterilisation Dampf von 2 bis 4 bar,
die Wäscherei Dampf von 4 bis 6 bar,
Heizungsregelung
(Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 41
▪
▪
▪
▪
Dampfanlagen und Trockner Dampf von 10 bis 14 bar,
die Heizung Warmwasser mit variabler Temperatur,
lufttechnische Anlagen Warmwasser oder Dampf,
die Brauchwassererwärmung Warmwasser oder Dampf.
Weitere Stichpunkte sind:
▪
▪
▪
▪
▪
▪
Nutzung von Abwärme,
Brauchwasservorrang,
lastabhängige Zuschaltung der Kessel und Brennerstufen,
eingeschränkter Heizbetrieb differenziert für Verwaltung - Personalwohnheime
Bettenhäuser,
Verknüpfung mit RLT-Anlagen,
Zonenregelung.
Abb. 22 gibt zusammenfassend eine Empfehlung für die Auswahl von Regelfunktionsgruppen und Einzelfunktionen in Abhängigkeit vom Gebäude- und Nutzertyp.
Weitergehende Unterschiede finden sich in den Möglichkeiten der elektrischen Installation und der Datenfernübertragung.
Heizungsregelung
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Abb. 22 Regelfunktionsgruppen für verschiedene Gebäudetypen.
Heizungsregelung
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