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Building Technologies s
Regeln und Steuern von Heizungsanlagen
1.1 Einleitung 6
1.2 Regelung der Kesselwassertemperatur 6
1.3 Schalten von Brennerstufen 8
1.3.1 Schalten mit Kesselthermostaten 8
1.3.2 Einschaltverhältnis ε (Epsilon) 10
1.3.3 Dynamische Schaltdifferenz xσ (x Sigma) 11
1.3.4 Schalten mit Integralen Σ (K * Minuten) 12
1.3.5 Modulierende Brenner 13
1.4 Anlagen ohne Kesselpumpe 13
1.4.1 Lastverhalten 13
1.4.2 Kesselwassermenge bei variabler Last 14
1.5 Anlagen mit Hauptpumpe und drucklosem Verteiler 16
1.5.1 Lastverhalten 16
1.6 Führung der Kesseltemperatur 17
1.7 Kessel- Rücklauftemperatur-Hochhaltung 18
1.7.1 Begrenzung auf Verbrauchergruppen wirkend 19
1.7.2 Begrenzung auf ein separates Stellglied wirkend 22
1.7.2.1 Bypass-Anordnung bei drucklosem Verteiler
und zentraler Rücklaufhochhaltung 24
1.7.3 Rücklaufhochhaltung mit Kesselbeimischpumpe
mit Thermostat 25
1.8 Heizkessel mit Speicher 26
1.9 Kessel mit Abgaswärmetauscher 27
1.10 Bedarfsgeführte Wärmeerzeugung 28
2.1 Einleitung 29
2.2 Hydraulische Parallel- oder Serieschaltung der Kessel 29
2.3 Anforderungen an die Kesselfolgeschaltung 31
2.4 Umschaltkriterien zur Folgesteuerung 32
2.4.1 Handsteuerung 32
2.4.2 Folgesteuerung nach der Aussentemperatur 32
2.4.3 Folgesteuerung nach der Kesseltemperatur 33
2.4.4 Folgesteuerung nach der Laständerung unter Einbezug
des Einschaltverhältnisses ε 34
2.4.5 Folgesteuerung nach der Verbraucher-Vorlauftemperatur 34
2.4.6 Folgesteuerung nach der gemeinsamen
Kessel-Rücklauftemperatur 36
2.4.7 Folgesteuerung nach dem Maximalwert der Vor-
oder Rücklauftemperatur 38
2.4.8 Folgesteuerung mit «hydraulischer Weiche» 39
2.4.9 Folgeschaltung nach der Speicherladung 40
2.4.10 Folgesteuerung nach der Brennerlast 42
2.4.11 Folgeregelung mit dem Modulationsgrad von
Brennwertkesseln 42
3.1 Einführung 44
3.2 Der Feuerungsautomat 46
3.3 Gebläsebrenner 47
3.4 Brenner ohne Gebläse 48
3.5 Leistungssteuerung für zwei- oder mehrstufige Brenner 49
3.6 Modulierende Brenner-Leistungssteuerung 49
3.7 Das Flammenüberwachungsprogramm 50
3.8 Die Grundstruktur des Inbetriebsetzungsprogramms 51
3.8.1 Betriebspause 51
3.8.2 Regeleinschaltung (Startbefehl) 51
3.8.3 Vorspülung 53
3.8.4 Vorzündung 53
3.8.5 Sicherheitszeit 54
3.8.6 Regelabschaltung 54
1. Regeln und Steuern eines Heizkessels
2. Regeln und Steuern von
Mehrkesselanlagen
3. Steuern, Regeln und Überwachen
von Öl- und Gasbrennern
Inhaltsverzeichnis
3
3.9 Besonderheiten bei der Steuerung von
Gebläsebrennern kleiner bis mittlerer Leistung 55
3.9.1 Der Luftdruckwächter kann vielfach entfallen 55
3.9.2 Kontrollierte Ölvorwärmung 55
3.9.3 Lange Vorzündung 55
3.9.4 Nachzündung / Wiederzündung 56
3.9.5 Startrepetition oder Störabschaltung bei Flammenausfall 56
3.9.6 Besonderheiten bei der Steuerung und Überwachung
atmosphärischer Gasbrenner 57
3.10 Die stetige Regelung des Restauerstoffgehalts im Abgas
(λ-Regelung) 58
4.1 Raumtemperatur-Regelung 60
4.1.1 Allgemeines zur Raumtemperatur-Regelung 60
4.1.2 Raumtemperaturregelung direkt auf Brenner wirkend 61
4.1.3 Stetige Raumtemperatur-Regelung auf Mischer wirkend 64
4.1.4 Raum-/Vorlauftemperatur-Kaskadenregelung 65
4.2 Aussentemperatur- oder witterungsgeführte
Vorlauftemperaturregelung 67
4.2.1 Korrektur und Nachtabsenkung des Raumtemperatur
Sollwertes 69
4.2.2 Führungseinfluss der Raumtemperatur 70
4.3 Individuelle Einzelraum-Temperaturregelung 71
4.3.1 Thermostatische Heizkörperregler 72
4.3.2 Einfache Einzelraum-Temperatur-Regelsysteme 75
4.3.3 Einzelraumregler integriert in Gebäudeautomations-
Systeme 76
4.3.4 Einzelraum-Regelsystem, kombiniert mit der Messung
des Energieverbrauchs pro Nutzeinheit 77
4.4 Heizgrenzen-Schaltautomatik 79
4.4.1 Jahres-Heizgrenzen-Schaltautomatik
(Sommer/Winter-Umschaltung) 80
4.4.2 Tages-Heizgrenzen-Schaltautomatik 80
4.5 Optimierung der Ein- und Ausschaltzeiten 81
4.6 Schnellabsenkung / Schnellaufheizung 82
4.7 Adaptive (selbstlernende) Heizkennlinie 82
4.8 Pumpenregelung und -steuerung 83
4.8.1 Differenzdruckabhängige Drehzahlregelung 83
4.8.2 Drehzahlregelung nach Ventilposition der Verbraucher 87
4.8.3 Pumpen-Nachlauf 87
4.8.4 Periodischer Pumpenlauf 87
4.9 Frostschutzfunktionen 87
4.9.1 Anlagenfrostschutz 87
4.9.2 Raum- oder Gebäude-Frostschutz 87
4.10 Kaminfeger-Funktion 88
4.11 Handbetrieb der Heizungsanlage 88
4.12 Regelung und Steuerung der Nah- und
Fernwärme-Übergabe 88
4.12.1 Übergabestation 88
4.12.2 Wärmezähler 89
4.12.3 Druckdifferenz-Regelung 91
4.12.4 Begrenzungs-Funktionen 92
4. Regeln und Steuern der Wärme-
abgabe und Fernwärmeübergabe
4
5.1 Brauchwasserladung mit innenliegendem Wärmetauscher 96
5.1.1 Mit Ladepumpe, ohne Vorlaufregelung 97
5.1.2 Vorlaufregelung mit Beimischschaltung 98
5.1.3 Umlenkschaltung 99
5.2 Brauchwasserladung mit externem Wärmetauscher 100
5.2.1 Vorlauf geregelt mit primärseitigem Ventil 101
5.2.2 Speichervorlauf geregelt mit primär- und
sekundärseitigem Ventil 102
5.3 Spezielle Funktionen bei Brauchwasserladungen 103
6.1 Einleitung 104
6.2 Funktionsprinzip der Wärmepumpe 104
6.3 Die Wärmequellen 106
6.3.1 Wärmequelle Aussenluft 106
6.3.2 Wärmequelle Erdreich 106
6.3.3 Wärmequelle Grundwasser 107
6.4 Wärmepumpen-Benennung 107
6.5 Betriebsarten 108
6.5.1 Monovalenter Betrieb 108
6.5.1.1 Spezialfall monoenergetischer Betrieb 109
6.5.2 Bivalenter Betrieb 109
6.5.2.1 Bivalent-alternativer Betrieb 110
6.5.2.2 Bivalent-paralleler Betrieb 111
6.5.2.3 Bivalent-parallel/alternativer Betrieb 112
6.5.3 Wahl der Betriebsart 112
6.6 Kennzahlen für Wärmepumpen 113
6.6.1 Die Leistungszahl ε 113
6.6.2 Die Jahresarbeitszahl � 114
6.7 Die Regelbarkeit der Wärmepumpe 115
6.7.1 Heizleistungsregelung direkt an der Wärmepumpe 115
6.7.1.1 Heissgas-Bypass- oder Saugdrossel 115
6.7.1.2 Kompressor Ventilabhebung 115
6.7.1.3 Kompressordrehzahlregelung 115
6.7.2 Wärmepumpe Ein-/Aus-Regelung 115
6.7.2.1 Regelgrössen für Ein-/Aus-Regelung 116
6.8 Die Betriebsgrenzen der Wärmepumpe 117
6.8.1 Verdampfungsdruck Betriebsgrenze 117
6.8.2 Kondensationsdruck Betriebsgrenze 117
6.8.2.1 Bestimmen der maximal zulässigen Kondensator-
Eintrittstemperatur 119
6.9 Wärmespeicherung 121
6.9.1 Wärmepuffer / Wärmespeicher 121
6.9.2 Schichtladung und Stufenladung von Speichern 121
6.9.3 Laderegelung des Wärmespeichers 122
6.9.4 Anlagen ohne Wärmespeicher 123
7.1 Einleitung 124
7.2 Die verschiedenen Schaltungen 125
7.2.1 Solaranlage mit einem Kollektorfeld 125
7.2.2 Solaranlage mit zwei Wärmetauschern im Speicher 125
7.2.3 Solaranlage mit zwei Kollektorfeldern 128
7.3 Regelung bei Einbindung in Gesamtanlage 129
5. Regeln und Steuern von
Brauchwarmwasser-Anlagen
6. Regeln und Steuern von
Wärmepumpenanlagen
7. Regeln und Steuern von Solaranlagen
5
Von den Heizkessel- Herstellern werden verschiedene Grenzwerte vor-
geschrieben, wie:
• minimal zulässige Kesselwassertemperatur
• minimal zulässige Rücklauftemperatur
• minimaler Durchfluss durch den Heizkessel
Weiter müssen je nach Anlagentyp noch zusätzliche Anforderungen
erfüllt werden, wie:
• energieoptimierter Betrieb der Anlage
• möglichst tiefe Rücklauftemperatur bei Kondensationskesseln, damit
überhaupt kondensiert werden kann
Ein wichtiger Punkt ist auch die Einschalthäufigkeit des Brenners, weil
kurze Brennerlaufzeiten einen schlechten Nutzungsgrad ergeben. Dies
führt zu einer weiteren Randbedingung:
• minimal Betriebsdauer des Brenners
Diese Bedingungen sind teilweise gegenläufig. So lässt sich beispiels-
weise eine, aus regelungstechnischer Sicht, wünschenswert kleine
Schwankung der Kesselwassertemperatur nicht ohne weiteres mit der
Forderung nach langen Brennerlaufzeiten unter einen Hut bringen.
Nachfolgend werden verschiedene grundsätzliche Lösungsmöglichkei-
ten aufgezeigt, um diese Randbedingungen zu erfüllen. Je nach einge-
setzten Anlagekomponenten, Reglern und Systemen, ist die eine oder
andere Lösung sinnvoller oder es muss eine Kombination der vorge-
stellten Ansätze in Betracht gezogen werden.
Eine einfache und nach wie vor häufig angewendete Lösung zur Rege-
lung der Kesselwassertemperatur ist die Thermostatenregelung. Es
werden dabei verschiedene Kesselthermostaten eingesetzt, nämlich
ein Regelthermostat, Sicherheitstemperaturbegrenzer und teilweise
auch noch Sicherheitstemperaturwächter.
Ein Thermostat ist eine Kombination von einem Zweipunktregler mit
Sollwertgeber und einem Fühler in einem Bauteil.
Fig. 1-1 Heizkessel mit Regelthermostat und Sicherheitstemperaturbegrenzer
1 Heizkessel
2 Brenner
3 Regelthermostat
4 Sicherheitsttemperaturbegrenzer
5 Zweipunktregler mit Sollwertgeber
6 Fühler
3 4
1
2
w
56
1.1 Einleitung
Bedingungen teilweise gegenläufig
1.2 Regelung der Kesselwasser-
temperatur
Thermostatenregelung
1. Regeln und Steuern eines Heizkessels
6
Bei einerThermostatenregelung schaltet der Regelthermostat (3 in
Fig.1-1) den Brenner unterhalb einer gewissen Kesselwassertempera-
tur ein (xu) und schaltet diesen beim Überschreiten des oberen Schalt-
punktes (xo) wieder aus (Fig. 1-3). Kesselthermostaten sind meist auf
die Ausschalttemperatur (d.h. xo = w) geeicht und arbeiten mit einer
Schaltdifferenz XD von ca. 6 K. Sehr oft werden auch Regelthermostaten
mit einstellbarer Schaltdifferenz verwendet.
Fig. 1-2 Statische Kennlinie eines Regelthermostaten
Daraus ergibt sich dann folgendes dynamisches Verhalten:
Fig. 1-3 Verlauf der Kesselwassertemperatur bei einerThermostatenregelung
■■ Brenner EIN
Zur Gewährleistung der notwendigen Sicherheitsfunktionen werden bei
einem Heizkessel Sicherheitstemperaturbegrenzer und teilweise auch
noch Sicherheitstemperaturwächter eingebaut.
Der Sicherheitstemperaturbegrenzer schaltet bei zu hoher Kesseltem-
peratur die Anlage aus. Er muss manuell entriegelt werden, d.h. jemand
muss die Anlagesituation, die zum Ausschalten geführt hat, vor Ort
überprüfen.
Der Sicherheitstemperaturwächter schaltet beim Erreichen des einge-
stellten Grenzwertes ebenfalls die Anlage aus, schaltet aber automa-
tisch wieder zurück, wenn sich die Kesseltemperatur wieder genügend
abgekühlt hat.
Thermostaten sind in der Regel eigensicher gebaut, d.h. sie schalten
im Falle eines Defektes (z.B. Bruch der Fühlerleitung) den Kessel aus.
ϑ [°C]
t0
Kesselwassertemperatur ϑK (z.B. w = 70 °C)
Aussen-
temperatur ϑA
xo
xu
XD
ϑ [°C]
xo = wxu XD
EIN
AUS
Sicherheitstemperaturwächter und
-begrenzer
7
A = Fühler mit AusdehnungsflüssigkeitB = Dose mit MembraneC = MetallkugelD = MikroschalterE = SollwerteinstellungF = DrehpunktG = DruckfederH = Drehpunkt bei Bruch resp. für
Eigensicherheit
Fig. 1-4 Kesselthermostat (mögliche Bauform)
Fig. 1-5 Doppelthermostat (versch. Temperaturwächter und Sicherheits-
Kombinationen von Temperatur- temperaturbegrenzer
reglern/-wächtern und Sicherheits- (für Einbau in Kesselschaltfeld)
begrenzer möglich)
Um einen regeltechnisch stabilen und energieoptimalen Betrieb der
Anlage zu gewährleisten, sollten die, durch die Schaltdifferenzen der
Kesselregler hervorgerufenen,Temperaturschwankungen im Hauptvor-
lauf möglichst klein gehalten, bzw. ganz eliminiert werden.
Wo nicht konstant hohe Vorlauftemperaturen gefordert werden, bewirkt
eine witterungsgeführt reduzierte Kessel- bzw. Vorlauftemperatur, nied-
rigere Wärmeverluste (vgl. 1.6).
Die witterungsabhängige Führung drängt sich ganz besonders dort auf,
wo die einzelnen Brennerstufen über Zweipunktregler geschaltet wer-
den und sich dadurch bei Teillast die höheren und bei Volllast die tiefe-
ren Kesseltemperaturen einstellen (Fig. 1-6).
B
C
D
E
F
G
H
A
1.3 Schalten von Brennerstufen
1.3.1 Schalten mit Kesselthermostaten
8
Fig. 1-6 Verlauf der Kesseltemperatur bei Zweipunktregelung mit zwei Schaltstufen
S1 Brennerstufe 1 mit Sollwert w1
S2 Brennerstufe 2 mit Sollwert w2
Xt maximale Schwankungsbreite der Kesseltemperatur
s’ Überschwingen der Kesseltemperatur
A = Anfahrphase + Teillast; B = Volllast; C = Teillast
Die Möglichkeit der witterungsgeführten Absenkung wird jedoch durch
die zulässige minimale Kesselrücklauftemperatur stark eingeschränkt.
Damit der Kessel die geforderte Leistung abgeben kann, muss der Kes-
seltemperatursollwert mindestens um die der aktuellen Last entspre-
chenden Temperaturdifferenz höher liegen als die minimalbegrenzte
Kesselrücklauftemperatur.
Um das Abschalten bzw. Pendeln der Brennerstufen bei Kesselvolllast
zu vermeiden, ist der Sollwert zusätzlich um ca. die halbe Schaltdiffe-
renz des Kesselreglers höher zu stellen (Einstellung entsprechend dem
Überschwingen s’ in Fig. 1-6) � längere Brennerlaufzeiten.
Beispiel:
Min. zulässige Kesselrücklauftemperatur = 60 °C
Temperaturdifferenz zwischen Kesselein- und austritt = 10 K
Schaltdifferenz des Kesselreglers = 8 K
Sollwert Kesseltemperatur = 60 °C + 10 K + 4 K = 74 °C
Der minimale Kesseltemperatursollwert ist also immer abhängig von
der minimal zulässigen Kesselrücklauftemperatur. ZurTiefhaltung der
Kesseltemperatur ist es deshalb nötig, die Temperaturdifferenz zwi-
schen Kesseleintritt und -austritt so klein wie möglich zu wählen, d.h.
ausgehend von der zugelassenen maximalen Kessel-Durchflussmenge,
welche meist einerTemperaturdifferenz von etwa 10 K entspricht. Nach-
teilig sind die dadurch entstehenden höheren Investitionskosten (Stell-
glieder, Pumpen, Armaturen usw.) sowie auch der höhere Pumpenener-
giebedarf.
Die herabgesetzten Grenzwerte, betreffend die Schadstoffemissionen
aus Feuerungen und die gleichzeitigen Bestrebungen zur Minimierung
des Energieverbrauchs, führten unter anderem zur Forderung nach lan-
gen Brennerlaufzeiten, bzw. weniger Brennerstarts. Jeder Brennerstart
bewirkt zusätzlichen Schadstoffausstoss und erhöhte Kesselverschmut-
zung.
Xt
S2
S1
ϑ
B61-3
Aus
Ein
S1
S2
A C
s’
B
9
Durch die erforderlichen Vorspülzeiten bei Gebläsebrennern entstehen
zusätzliche Energieverluste durch innere Auskühlung, was zusammen
mit der Kesselverschmutzung zur Verminderung des Jahresnutzungs-
grades beiträgt. Längere Schaltintervalle können allerdings nicht allein
durch die Regelung erreicht werden. Eine Verbesserung könnte der ste-
tig gesteuerte (modulierende) Brennerbetrieb bringen (vgl. 1.3.5.) oder
der Einsatz eines entsprechenden Wärmespeichers (vgl. 1.8).
Durch die Arbeitsweise des Zweipunktreglers wird an die geregelte
Anlage (z.B. Kesselwasser) impulsweise die volle Leistung abgegeben
(vgl. Fig. 1-3, Brenner EIN). Die Impulsdauer ist abhängig von der Last,
d.h. je mehr heisses Kesselwasser benötigt wird, umso länger bleibt
der Brenner eingeschaltet. Der Quotient, gebildet aus Impulsdauer te
und Zyklusdauer tz, wird als Einschaltverhältnis ε bezeichnet.
Fig. 1-7 Einschaltverhältnis
Die aus dem Schaltzyklus resultierende theoretische Stellgrösse (in
Fig.1-7 fein eingezeichnet bei y= 50 %) beträgt in Einheiten der Stell-
grösse:
y = Yh * ε
und die der Anlage zugeführte mittlere Leistung:
P = Pmax * ε
t
Y (%)
0%
100% Y = Yh * ε
te ta
tz
ε = te
tz
y = Yh * ε
y [ %]
1.3.2 Einschaltverhältnis ε (Epsilon)
10
Jeder Zweipunktregler verfügt über eine vom Hersteller genannte
Schaltdifferenz. Dies ist die statische Schaltdifferenz XD (vgl. Fig. 1-2).
Im geschlossenen Regelkreis wird die Regelgrösse in jedem Fall grös-
sere Schwankungen aufweisen (vgl. Fig. 1-6 Xt), als diese statische
Schaltdifferenz. Die effektiven Schwankungen werden z.T. als dynami-
sche Schaltdifferenz xσ bezeichnet.
Die Schwankungsbreite xσ ist abhängig von der Regelstrecke (Tt; T
respektive Tu; Tg) und von der Schaltdifferenz XD des Reglers. Auch die
Schalthäufigkeit müsste in diesen Überlegungen mitberücksichtigt wer-
den, z.B. bei zu häufigen Brennerstarts.
Nachfolgendes Diagramm zeigt die Zusammenhänge der verschiede-
nen Grössen. Es gilt für den Zweipunktregler (ohne Rückführung) und
für den häufigen Betriebsfall von 50 % Last.
Fig. 1-8 Diagramm der wichtigsten Kenngrössen eines Zweipunktreglers
Beispiel für eine Kesselwassertemperatur-Regelung:
XSD = 5 K Xh = 25 K (�VL – �RL) � XSD/Xh = 0.2
Tt = 1 min T = 10 min �Tt/T = 0.1 = S (Schwierigkeitsgrad)
aus Diagramm (siehe oben):
xσ / Xh = 0.28 � Schwankungsbreite xσ = Xh*(xσ / Xh ) = 25 K * 0.28 = 7 K
d.h. die Kesselwassertemperatur wird bei dieser Anlage um 7 K
schwanken und nicht nur um die Schaltdifferenz XSD von 5 K.
aus Diagramm (siehe oben):
f * T = 0.85 � Zyklusdauer tz = T / (f * T) = 10 min / 0.85 = 11.8 min
d.h. der Brenner wird bei diesen Bedingungen etwa alle 12 Minuten
eingeschaltet.
0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 1 0.01 0.02 0.03 0.05 0.1
0.1
0.08
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
1
0.8
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
2
3
4
5
6 7 8 9 10
15
0
0.02
0.05
0.1
0.2
0.3
0.5
T t T
f T
x SD
x h
x x h
1.3.3 Dynamische Schaltdifferenz
xσ (x Sigma)
11
Eine weitere Möglichkeit zum Schalten von Brennerstufen (oder auch
von Folgekesseln, vgl. Kapitel 2) ist das Schalten auf Grund derTempe-
raturabweichung vom Sollwert im Verlaufe der Zeit.
Nachfolgend werden nur die wichtigsten Ansätze dazu behandelt.
Moderne Regelsysteme bieten umfangreichere, komplexere Lösungen
an, die den jeweiligen technischen Unterlagen zu entnehmen sind.
Sinkt die Kesselwassertemperatur um mehr als die Schaltdifferenz SD,
wird die 1. Stufe eingeschaltet und es startet die Integration derTempe-
raturdifferenz Δ� in K über die Zeit (z.B. in Minuten). Weiter wird die
Sperrzeit (tmin 1) für das Schalten der 2. Stufe gestartet.
Ist die Sperrzeit (tmin 1) abgelaufen und der definierte Wert des Einschalt-
Integrals Σ (K * Minuten)1 erreicht, wird die 2. Stufe eingeschaltet.
Diese läuft bis die gewünschte Kesseltemperatur (w) wieder erreicht
ist.
Durch das Abschalten der 2. Stufe wird die Berechnung des Ausschalt-
Integrals Σ (K * Minuten)2 für die 1. Stufe aktiviert. Wird der für das Aus-
schalt-Integral vordefinierte Wert erreicht, schaltet auch die 1. Stufe aus.
Fig. 1-9 Brennerstufenschaltung mit Integralen Σ (K * Minuten).
w Sollwert Kesseltemperatur
SD Schaltdifferenz
Σ (K * Minuten)1 Einschalt-Integral 2. Stufe
Σ (K * Minuten)2 Ausschalt-Integral 1. Stufe
tmin 1 Sperrzeit 2. Stufe Ein
Xt maximale Schwankungsbreite der Kesseltemperatur
S1 Brennerstufe 1
S2 Brennerstufe 2
Weiter sind bei solchen Konzepten obere und untere Grenzwerte defi-
niert, bei denen die Stufen im Sinne einer Sicherheitsschaltung zwin-
gend ein- resp. ausgeschaltet werden.
Aus Fig. 1-9 wird ersichtlich, dass die einzelnen Werte für die Intergrale
und die Sperrzeit(en) sehr gut aufeinander, aber auch auf die Anlagebe-
dingungen abgestimmt werden müssen. Regelsysteme bieten die
Möglichkeit wichtige Werte aufzuzeichnen (z.B. die Schalthäufigkeiten,
Laufzeiten, ...). Damit lassen sich die gewählten Werte auf Grund des
Betriebsverhaltens optimieren.
Xt
S2
S1
ϑ
B61-4
wSD
tmin 1
Σ (K * Minuten)2Σ (K * Minuten)1
1.3.4 Schalten mit Integralen
Σ (K * Minuten)
Vereinfachte Funktionsweise
12
Diese Lösung bietet gegenüber derThermostatenregelung den Vorteil,
dass nicht nur auf Grund derTemperaturdifferenz Leistungsstufen zu-/
weggeschaltet werden, sondern dass auch das zeitliche Verhalten die-
serTemperaturänderungen mitberücksichtigt wird.
Moderne Heizkessel sind oft mit modulierenden Brennern ausgerüstet,
deren Leistung stetig geregelt werden kann. Diese Brenner werden
immer mehr auch für kleinere Leistungen angeboten und bei gewissen
Produkten ist ein stetig geregelter Brennerbetrieb bis teilweise unter
20 % der Leistung möglich. Dadurch kann die Kesselwassertemperatur
über einen weiten Betriebsbereich in engeren Grenzen gefahren wer-
den. Nur unterhalb dieser Grenze muss die Leistung noch mit einem
der oben beschriebenen Verfahren geschaltet werden.
Um auch unterhalb dieser Grenze genügend lange Laufzeiten (vor allem
bei grösseren Heizkesseln) zu erreichen, bietet sich hier als einfache,
aber wirkungsvolle Lösung ein genügend grosser Wärmespeicher (vgl.
1.8) an.
Bei einer Anlage ohne Kesselpumpe die mehrere Verbraucher bedient,
ist die Kesselvorlauftemperatur �KV konstant. Dabei ist zu beachten,
dass dieser «konstante Wert» die gewünschte, theoretische Vorlauf-
temperatur ist, da diese im effektiven Betrieb je nach Regelung und
Steuerung des Brenners mehr oder weniger stark schwankt (vgl. 1.3).
Fig. 1-10 Kessel mit mehreren Verbrauchergruppen (Beimischschaltung); Lastdiagramm
90
80
70
60
50
40
30
20
100 % 75 % 50 % 25 % 0 %
ϑ
B61-5
ϑKV
ϑVL
ϑRL
ϑRL = ϑKR
ϑRL = ϑKR ϑRL
ϑVL
ϑKV 80 °C
1.3.5 Modulierende Brenner
1.4 Anlagen ohne Kesselpumpe
1.4.1 Lastverhalten
13
Das Last-Diagramm (Fig. 1-10) zeigt den Verlauf der Kesselvorlauf- und
Kesselrücklauftemperaturen (�KV und �KR), sowie die zugehörigen
Vorlauf- und Rücklauftemperaturen (�VL und �RL) der Heizgruppen in
Beimischschaltung. Der Verlauf wird ebenfalls näherungsweise in die-
sem Diagramm gezeigt.
Der effektive Verlauf ist einerseits von den verwendeten Heizkörpern
abhängig und verläuft im unteren Bereich leicht gebogen auf Grund des
Einflusses der mittleren Temperaturdifferenz auf die Wärmeleistung.
Fig. 1-11 zeigt einen typischen Heizkennlinien-Verlauf einer Heizkörper-
heizung.
Die Kesselrücklauftemperatur stellt sich entsprechend der Rücklauf-
temperatur der Heizgruppen ein d.h. �KR = �RL.
In der in Fig. 1-10 gezeigten Anlage fördern die Heizgruppen (in Bei-
mischschaltung) das benötigte Kesselvorlaufwasser mit der eigenen
Pumpe über den Heizkessel.
Daraus resultiert eine der erforderlichen Last angepasste Wasser-
menge, die über den Heizkessel zirkuliert.
Will man genauer betrachten, wie sich die über den Kessel geförderte
Wassermenge über den Heizlastbereich von 0 – 100% verändert, so
braucht es dazu die Temperatur-Kennlinie einer Heizkörper Heizung wie
in Fig. 1-11, welche den konkreten Verlauf der Vor- und Rücklauftempera-
tur der Heizgruppe zeigt.
Fig. 1-11 Temperatur-Kennlinien einer Heizkörper-Heizung
Die über den Heizkessel geförderte Wassermenge bei Teillast kann aus
den Temperaturverhältnissen wie folgt ermittelt werden:
Kesselwassermenge bei einerTeillast = �VL – �RL
* 100 %�KV – �RL
Die Vor- und Rücklauftemperaturen der Heizgruppe können aus derTem-
peratur-Kennlinie Fig. 1-11 ermittelt werden. Bei einer Last von 50 %
sind dies eine Vorlauftemperatur von 60 °C und eine Rücklauftempera-
tur von 50 °C.
Kesselwassermenge bei 50 % Last =55 ºC – 45 ºC
* 100 %80 ºC – 45 ºC
Kesselwassermenge bei 50 % Last = 29 % Kesselwassermenge
Diese kann nun in ein Kesselwassermenge-Last-Diagramm, wie in
Fig. 1-12 gezeigt, eingetragen werden. Weitere Kesselwassermengen
bei anderen Lastzuständen können auf die gleiche Art und Weise
ermittelt und eingetragen werden.
90
80
70
60
50
40
30
20
100 % 75 % 50 % 25 % 0 %
ϑ
B61-6
ϑKV
ϑVL
ϑRL
1.4.2 Kesselwassermenge
bei variabler Last
14
Aus Fig. 1-12 wird ersichtlich, dass dieser Verlauf nicht etwa linear ist,
sondern mit zunehmender Last steiler verläuft. Diese Kurve wird stärker
gekrümmt, je kleiner die Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rück-
lauftemperatur ist und/oder je tiefer diese im Verhältnis zur Kesselwas-
sertemperatur angesetzt sind (z.B. 55/45 °C).
Fig. 1-12 Kesselwassermenge bei variabler Last
Die reduzierte Wassermenge über den Kessel, hat auch zur Folge, dass
sich die Brennerlaufzeiten verkürzen. Dies ist also nicht eine ideale
Schaltung, ist aber vor allem in kleineren Anlagen (z.B. Einfamilienhaus)
noch immer anzutreffen.
100
%
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100 % 75 % 50 % 25 % 0 %
55%
29%
11%
B61-7
15
Bei einer Anlage deren Heizkessel mit einer eigenen Kesselpumpe
bestückt ist und bei der die Verbraucher an einem drucklosen Verteiler
angeschlossen sind (vgl. Fig. 1-13), ist die Kesselrücklauftemperatur �KR
nicht mehr direkt abhängig von der Rücklauftemperatur der Heizgrup-
pen, wie dies unter 1.4 gezeigt wurde.
Fig. 1-13 Kessel mit Hauptpumpe und mehreren Verbrauchergruppen
(Beimischschaltung); Lastdiagramm
Das Last-Diagramm (Fig. 1-13) zeigt, dass die Kesselvorlauftemperatur
�KV nach wie vor konstant verläuft und auch die Vorlauf- und Rücklauf-
temperaturen (�VL und �RL) der Heizgruppen zeigen den schon bekann-
ten Verlauf (immer ideal gesehen).
Die Kesselrücklauftemperatur �KR steigt mit sinkender Last stetig an.
Sie erreicht schlussendlich die Kesselvorlauftemperatur �KV, wenn das
gesamte Wasser über den Bypass und über den Kessel zirkuliert.
90
80
70
60
50
40
30
20
100 % 75 % 50 % 25 % 0 %
ϑ
B61-8
ϑVL
ϑVL
ϑRL
ϑKV
ϑKV
ϑRL
ϑKR
ϑKR
80°C
1.5 Anlagen mit Hauptpumpe und
drucklosem Verteiler
1.5.1 Lastverhalten
16
Bei Heizkesseln ist es üblich die Kesseltemperatur witterungsgeführt,
d.h. in Abhängigkeit der Aussentemperatur zu fahren. Dadurch werden
einerseits die Kesselverluste reduziert und die Regelungen der nachge-
schalteten Heizgruppen müssen nur noch die Feinregelung auf die
erforderliche Gruppenvorlauftemperatur übernehmen. Handelsübliche
Heizungsregler bieten die Führung der Kesseltemperatur heute meist
standardmässig an.
Fig. 1-14 zeigt die Verläufe der Kesselvorlauf- und Kesselrücklauftempe-
raturen (�KV und �KR), sowie der Vor- und Rücklauftemperaturen (�VL und
�RL) der Heizgruppen über den gesamten Lastbereich. Dabei sollte die
Kesselvorlauftemperatur �KV immer höher als die höchste Gruppenvor-
lauftemperatur �VL sein. Die tiefste Kesselrücklauftemperatur �KR sollte
ca. 5 K über der minimal zulässigen Rücklauftemperatur �RL min. liegen.
Eine solche Führung ist aber nur sinnvoll, wenn die Minimalbegrenzung
wegen der Rücklaufhochhaltung (vgl. 1.7) nicht allzu hoch eingestellt
werden muss. Ebenso wirkt sich auch das periodische Hochfahren der
Kesseltemperatur für die Brauchwasserladung (vgl. Kapitel 5) nachteilig
aus.
Fig. 1-14 Führung der Kesselwassertemperatur unter Berücksichtigung der minimal
zulässigen Rücklauftemperatur �RL min.
Abstand ≈ 5 K
1.6 Führung der Kesseltemperatur
17
Ein besonderes Problem bei Heizungsanlagen bildet die Verhütung der
abgasseitigen Korrosion des Heizkessels. Diese Korrosion kann dann
auftreten, wenn die Abgase unter die Taupunkttemperatur des in ihnen
enthaltenen Wasserdampfes abgekühlt werden, so dass der Wasser-
dampf kondensiert. Da mit Ausnahme von gereinigtem Erdgas und
Ferngas in jedem anderen Brennstoff mehr oder weniger Schwefel ent-
halten ist, kann sich in Verbindung mit dem Kondensat Schwefelsäure
bilden, was zur Korrosion der Kesselwandungen führt.
Die Taupunkttemperatur des in den Verbrennungsgasen enthaltenen
Wasserdampfes liegt für extra leichte und leichte Heizöle zwischen
40...50 °C. Um nun die Kesselkorrosion auf ein Minimum zu beschrän-
ken, muss dafür gesorgt werden, dass im Bereich der Feuerraumwan-
dungen die vom Hersteller vorgeschriebene Kesselwassertemperatur
von z.B. 55 °C nicht unterschritten wird. Dazu ist unbedingt erforder-
liche, dass:
• die Kesselwassertemperatur selbst immer über diesem Grenzwert
liegt
• kein Kesselrücklaufwasser mit einerTemperatur unterhalb dieses
Grenzwertes in den Bereich der Feuerraumwandungen gelangt
Bei modernen Niedertemperatur-Heizkesseln ist dies nicht mehr gleich
kritisch, da diese aus korrosionsbeständigen Materialien hergestellt
sind. Damit kann die Kesselwassertemperatur in Abhängigkeit der
Aussentemperatur gleitend bis auf 40 °C oder sogar noch tiefer abge-
senkt werden.
Bei Heizkesseln die nicht korrosionsbeständig sind, ist man bestrebt,
das Auftreten schädlicherTemperaturen im Kessel durch die Wahl einer
geeigneten hydraulischen Schaltung zu verhindern. Bei schnellen, star-
ken Lastzunahmen (z.B. Anfahr- oder Aufheizbetrieb) ist dies aber nicht
ausreichend. Zusätzlich muss eine separate Regeleinrichtung zur
Begrenzung der Kesselrücklauftemperatur vorgesehen werden.
Dazu eignen sich die nachfolgenden Lösungen:
• Stetiger Begrenzungsregler auf die Verbrauchergruppen wirkend
• Stetiger Begrenzungsregler auf ein separates Stellglied wirkend
• Kesselbeimischpumpe mit Thermostat (nicht empfehlenswert)
1.7 Kessel- Rücklauftemperatur-
Hochhaltung
Korrosion des Kessels
Unkritisch bei modernen Nieder-
temperatur-Heizkesseln
Lösungen
18
Diese Begrenzungsschaltung eignet sich für Anlagen, bei denen alle
Regler und Stellglieder zentral, d.h. im Verteilerraum, montiert werden
oder – wenn dies nicht der Fall ist – die Rücklauftemperatur der exter-
nen Gruppen oder Unterverteiler durch eigene Begrenzungsregler hoch-
gehalten wird. Ferner dürfen weder handgeregelte Gruppen noch Grup-
pen ohne Eingriffsmöglichkeiten vorhanden sein.
Voraussetzung für die Minimalbegrenzung der Kesselrücklauftempera-
tur ist eine Pumpe im Kesselkreislauf, die es ermöglicht, Wasser aus
dem Kesselvorlauf direkt dem Kesselrücklauf beizumischen.
Der Begrenzungsregler verhindert ein Absinken der Kesselrücklauftem-
peratur unter den eingestellten Sollwert, indem er:
– die Öffnungsbefehle zu den Stellgliedern der von ihm überwachten
Verbrauchergruppen sperrt
oder
– die zu weit geöffnete Stellglieder etwas schliesst so dass dem
Kesselkreis kein zu grosser Volumenstrom abgekühltes Verbraucher-
Rücklaufwasser zugeführt wird.
Fig. 1-15 Kesselrücklauftemperatur-Hochhaltung auf Verbrauchergruppen wirkend
Das für die Rücklaufanhebung benötigte heisse Kesselwasser wird dem
Kesselrücklauf – je nach hydraulischer Schaltung – über den Kurzschluss
des drucklosen Verteilers, die Bypassleitungen der Stellglieder oder die
Kesselbeimischpumpe (vgl. 1.7.3), zugeführt. Im Extremfall, also z.B.
im Anfahrzustand der Anlage, fliesst überhaupt kein Verbraucher-Rück-
laufwasser zum Kessel zurück. Sobald jedoch mit fortschreitender Auf-
heizung der Anlage die Kesselrücklauftemperatur den Sollwert wieder
übersteigt, werden die Gruppenregelungen vom Minimalbegrenzer wie-
der allmählich freigegeben.
B61-10
1.7.1 Begrenzung auf
Verbrauchergruppen wirkend
Voraussetzung
Funktionsweise
19
Im Interesse des Kesselschutzes nimmt man somit in Kauf, dass der
Aufheizvorgang der Verbrauchergruppen verzögert wird. Im allgemeinen
ist dies aber ohne Bedeutung, da notfalls der Beginn des Aufheizens
etwas vorverlegt werden kann.
In der Praxis ist es nun aber gar nicht nötig, dass der Minimalbegrenzer
beim Anfahren der Anlage in alle Gruppenregelungen «kesselwasserra-
tionierend» eingreift. Ohne weiteres können so viele Gruppen von der
Begrenzungsregelung ausgeschlossen werden, wie der Kessel von sei-
ner Leistung her auch beim Anfahren bei niedrigster Aussentemperatur
verkraften kann (evtl. zeitlich gestaffelt anfahren). Vor allem Lufterhitzer
in Lüftungs- und Klimaanlagen sollten grundsätzlich von der «Kessel-
wasserrationierung» ausgenommen werden, da diese wegen Einfrier-
gefahr und Komforteinbusse jederzeit auf eine uneingeschränkte Wär-
meversorgung angewiesen sind.
Die Funktionstüchtigkeit der Kesselrücklauftemperatur-Hochhaltung ist
nicht nur von der Art und Weise der Rücklaufhochhaltung abhängig. Sie
erfordert auch eine korrekte Dimensionierung der Stellglieder der einzel-
nen Verbraucher-Gruppen, sowie des Bypasses (abhängig von der Art
des Verteilers). Das folgende Beispiel zeigt einige diesbezügliche Über-
legungen.
Die in Fig. 1-16 gezeigte Anlage arbeitet mit einer Kesselvorlauftempe-
ratur �KV von 80 °C, die beiden Heizgruppen mit Vor-/Rücklauftemperatu-
ren (�VL/�RL) von 60/40 °C. Weiter ist vom Kesselhersteller gefordert,
dass die minimale Rücklauftemperatur �RL min. zum Heizkessel 55 °C
nicht unterschreiten darf.
Damit die Gruppenventile resp. der Kessel-Bypass korrekt dimensio-
niert und auch der hydraulische Abgleich sauber durchgeführt werden
kann, sind folgenden Informationen wichtig:
• Wassermengen in der hydraulischen Schaltung der Heizgruppen
• massgebende Temperaturdifferenz für die Ventildimensionierung
• maximale Wassermenge auf die der Bypass zu dimensionieren und
einzustellen ist
Fig. 1-16 Kesselrücklauftemperatur-Hochhaltung; Ventil- und Bypassdimensionierung
B61-11
80°C
55°C
40°C
60/40°C 60/40°C
Mischpunkt
Mischpunkt
Priorität Kesselschutz vor
Aufheizvorgang
Wichtige Verbrauchergruppen
ausschliessen
Dimensionierung von Stellgliedern
und Bypass
20
Die hydraulische Schaltung der Heizgruppen ist eine Einspritzschaltung
mit Dreiwegventil, d.h. die Gruppenpumpe fördert einen konstanten
Massenstrom. Da die maximale Vorlauftemperatur �VL = 60 °C weit
unter der Kesselvorlauftemperatur �KV = 80 °C liegt, kann die Heizgrup-
pe, deren Ventil und Bypass entsprechend dimensioniert werden. Die
maximal notwendige Kesselwassermenge in % der durch die Gruppen-
pumpen geförderten Wassermengen lässt sich aus den Temperatur-
verhältnissen (im Auslegezustand) am Mischpunkt der Heizgruppen
berechnen:
max. Kesselwassermenge (für Heizgruppe) = �VL – �RL
* 100 %�KV – �RL
=60 ºC – 40 ºC
* 100 %80 ºC – 45 ºC
max. Kesselwassermenge (für Heizgruppe) = 50 %
Die für die Ventildimensionierung massegebende Temperaturdifferenz
ergibt sich aus der Kesselvorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur
im Auslegezustand.
ΔT = �KV – �RL = 80 °C – 40 °C = 40 K
Mit der gleichen Überlegung wie bei den Heizgruppen, lässt sich auch
die Wassermenge über den Kessel-Bypass in % der über den Kessel
geförderten Wassermenge bestimmen:
Wassermenge im Kessel-Bypass = �KRmin – �RL
* 100 %�KV – �RL
=55 ºC – 40 ºC
* 100 %80 ºC – 45 ºC
Wassermenge im Kessel-Bypass = 37.5 %
max. Kesselwassermenge
für Heizgruppe
Temperaturdifferenz für
Ventildimensionierung
Wassermenge über Kessel-Bypass
21
In Anlagen mit vielen und weit auseinanderliegenden Stellgliedern oder
wenn mehrere Stellglieder ausserhalb des Verteilers angeschlossen
werden (z.B. Siedlungsheizungsanschlüsse), ist es zweckmässiger und
preisgünstiger, dem Begrenzungsregler ein eigenes Stellglied zuzuord-
nen. Der Vorteil liegt in der einfacheren elektrischen Installation, da die
Eingriffe in die einzelnen Gruppen wegfallen. Auf Wunsch bietet sich
zudem die Möglichkeit, dieses Stellglied gleichzeitig zur Vorregelung der
Hauptvorlauftemperatur (z.B. für eine Fernleitung) zu benutzen. Diese
Begrenzungsschaltung eignet sich ferner, wenn am Verteiler handgere-
gelte Gruppen, Gruppen ohne Eingriffsmöglichkeit oder Unterverteiler
ohne eigene Minimalbegrenzung angeschlossen werden, sowie in Anla-
gen mit verschiedenartigen Regelsystemen (elektronisch, pneumatisch)
oder wenn Regler verschiedener Hersteller verwendet werden.
Der Begrenzungsregler verhindert ein Absinken der Kesselrücklauftem-
peratur unter den eingestellten Sollwert, indem er das separate Stell-
glied so einstellt, dass dem Kesselrücklauf – je nach Verteilerbauart –
weniger kaltes Verbraucher-Rücklaufwasser oder mehr heisses Kessel-
wasser zugeführt wird. Die Fig. 1-17 zeigt als Beispiel eine entsprechen-
de Schaltung für einen drucklosen Verteiler.
Liegt in Fig. 1-17 die Kesselrücklauftemperatur auch im stationären
Zustand unter dem minimal erforderlichen Wert, so sollte zusätzlich
eine konstante Beimischung eingebaut werden. Das ergibt ein kleineres
Ventil, als wenn gesamte Wassermenge über Bypass zirkuliert und hat
auch den Vorteil, dass das Ventil über ganzen Stellbereich arbeitet.
Dadurch wird ein Eingriff des Stellgliedes und eine damit verbundene
Reduktion der Leistungsabgabe nur bei plötzlich stark ansteigenden
Lasten erforderlich (z.B. Aufheizung nach Absenkbetrieb). Aus installa-
tionstechnischen Gründen und Kostenüberlegungen ist es sinnvoll
einen festen Kesselbypass einzubauen, sobald die ständig beigemisch-
te Kesselwassermenge > 30 % ist.
Fig. 1-17 Rücklaufhochhaltung mit separatem Dreiwegventil (konstanter Bypass
bei Bedarf)
B61-12
bei Bedarf konstante Beimischung
1.7.2 Begrenzung auf ein separates
Stellglied wirkend
Konstante Beimischung
in RL-Hochhaltung
22
Fig. 1-18 Rücklaufhochhaltung auf separates Dreiwegventil wirkend (Anlagenbeispiel)
1 Rücklauftemperaturfühler
2 Umwälzpumpe
3 Ventilantrieb und Dreiwegventil (unter Isolation)
Ausser beim drucklosen Verteiler, wo durch die Platzierung des Kurz-
schlusses eine im nächsten Abschnitt beschriebene, sogenannte
Anfahrpriorität gewählt werden kann, haben diese Schaltungen den
Nachteil, dass während der Begrenzungsfunktion alle am Verteiler an-
geschlossenen Verbrauchergruppen in ihrer Leistungsabgabe einge-
schränkt werden. Da dies aber bei Lufterhitzern zu Einfriergefahr und
Komforteinbusse in den belüfteten Räumen führen kann, sollen diese
Schaltungen nicht angewendet werden, wenn am Verteiler auch Lüf-
tungs- und Klimaanlagen anzuschliessen sind.
23
Wie bereits erwähnt, kann beim drucklosen Verteiler durch die
Platzierung des Kurzschlusses die Anfahrpriorität hydraulisch gewählt
werden.
Ist der Kurzschluss am Anfang des Verteilers montiert (Fig. 1-19, A), und
die Minimalbegrenzung greift ein, so steht am Vorlaufverteiler nicht
mehr genügend Kesselwasser für die Verbraucher zur Verfügung. Die
Gruppenpumpen holen sich deshalb das fehlende Wasser über den
Kurzschluss aus dem Rücklaufsammler, wodurch im Verteiler ein
Gemisch aus Kesselwasser und kaltem Rücklaufwasser entsteht. Somit
werden auch hier alle am Verteiler angeschlossenen Gruppen gleich-
mässig reduziert aufgeheizt. Da mit fortschreitender Erwärmung der
Anlage und damit auch der Kesselrücklauftemperatur das Begrenzungs-
Stellglied immer mehr öffnet, wird der Kesselwasser-Anteil im Vorlauf-
verteiler immer grösser. Wenn schliesslich der Minimalbegrenzer das
Stellglied ganz geöffnet hat, steht den Verbrauchern die volle Kessel-
leistung zur Verfügung.
Fig. 1-19 Beeinflussung der Anfahrpriorität durch Bypass-Anordnung
Sind aber vom drucklosen Verteiler auch Verbrauchergruppen mit
Anfahrpriorität zu versorgen, z.B. Lüftungsgruppen, die ja möglichst
rasch nach dem Einschalten die volle Leistung abgeben müssen (Ein-
friergefahr, Komfort), werden diese Gruppen am Anfang des Verteilers
angeschlossen und der Kurzschluss erst nach diesen Gruppen platziert
(Fig. 1-19, B und C). Die Gruppen vor dem Kurzschluss erhalten nun
während der Begrenzungsphase um so mehr Kesselwasser, je näher
sie beim Kessel sind.
Die Gruppen nach dem Kurzschluss erhalten wiederum ein Gemisch
aus dem restlichen Kesselwasser und Wasser aus dem Rücklauf-
sammler.
Befindet sich der Kurzschluss am Ende des Verteilers (Fig. 1-19, D), so
bekommen während der Begrenzungsfunktion nur die Gruppen am Ver-
teiler-Anfang das gewünschte Kesselwasser. Die anderen Gruppen hin-
gegen holen sich ihr Wasser über den Kurzschluss aus dem Rücklauf-
sammler. Das Aufheizen dieser Gruppen erfolgt daher stark verzögert.
Muss der Kurzschluss also aus irgendwelchen Gründen unbedingt am
Ende des Verteilers installiert werden, dann gehören Lufterhitzer an den
Anfang des Verteilers, Radiatoren- und Fussbodenheizungen hingegen
an das Ende.
B61-13
A B C D
1.7.2.1 Bypass-Anordnung
bei drucklosem Verteiler und
zentraler Rücklaufhochhaltung
Kurzschluss am Anfang des
Verteilers
Kurzschluss-Platzierung je nach
Anfahrpriorität der Gruppen
Kurzschluss am Ende des Verteilers
24
Bei der Schaltung gemäss Fig. 1-20 ist eine Umwälzpumpe in einen
Bypass zwischen den Kesselvorlauf und den Kesselrücklauf eingebaut.
Ist diese in Betrieb, so mischt sie dem kalten Verbraucherrücklauf heis-
ses Wasser aus dem Kesselvorlauf bei und hebt dadurch die Kessel-
rücklauftemperatur an.
Fig. 1-20 Rücklaufhochhaltung mit Kesselbeimischpumpe (eher selten)
Die Kesselbeimischpumpe muss sorgfältig dimensioniert werden. Sie
ist für den Volumenstrom auszulegen, der zur Anhebung der Kesselrück-
lauftemperatur auf den gewünschten Minimalwert erforderlich ist. Um
elektrische Energie zu sparen, kann die Pumpe durch einen Thermosta-
ten, der die Eintrittstemperatur zum Kessel misst, ein- und ausgeschal-
tet werden. DerThermostat wird nach dem Anschluss des Kessel-
Bypasses in die Kesselrücklaufleitung eingebaut (Fig. 1-20, A). An die-
sem Einbauort wird eine zu tiefe Eintrittstemperatur erfasst, und die
Kesselbeimischpumpe wird zugeschaltet. Sie bleibt so lange einge-
schaltet, bis die Rücklauftemperatur zum Kessel wieder über den Mini-
malwert angestiegen ist – was ziemlich rasch geschieht. Dies führt zu
häufigem Ein- und Ausschalten der Kesselbeimischpumpe. Eine Rück-
laufsperre in der Bypassleitung verhindert eine unerwünschte Wasser-
zirkulation bei abgeschalteter Kesselbeimischpumpe.
Diese einfache Schaltung kann aber die Kesselrücklauftemperatur
lediglich im Beharrungszustand und während langsam verlaufenden
Lastzunahmen oberhalb des gewünschten Minimalwertes halten. Bei
schnellen Lastzunahmen hingegen ist die Kesselwasserbeimischung
unwirksam, da während des vorübergehenden Vollastbetriebes auch
die Kesselwassertemperatur selbst absinkt. Erst wenn das gesamte
Wasservolumen der Anlage wieder genügend aufgeheizt ist, ist auch
die Kesselwasserbeimischung wieder wirksam. Da für diesen Aufheiz-
vorgang bei grösseren Anlagen eine längere Zeit erforderlich sein kann,
ist diese Schaltung nicht empfehlenswert.
B61-14A
1.7.3 Rücklaufhochhaltung mit Kessel-
beimischpumpe mit Thermostat
Sorgfältige Dimensionierung
der Pumpe
Schaltung nicht empfehlenswert
25
Viele Kesselkonstruktionen kommen mit einem sehr kleinen Wasserin-
halt des Kessels im Verhältnis zu seiner Leistung aus. Daher kann es
sinnvoll sein, einen Heizkessel mit einem Speicher zu betreiben, um die
Brennerlaufzeiten zu verlängern und damit den Kesselwirkungsgrad zu
verbessern. Die Dimensionierung des Speichers ist von den anlagespe-
zifischen Randbedingungen abhängig.
In einer Anlage wie in Fig. 1-21 gezeigt, wird der Kessel bedarfsabhän-
gig von den Fühlern mit Zweipunktreglern (oder auch Speicherthermos-
taten) im Speicher ein- und ausgeschaltet.
Der Sollwert des Kesselvorlaufs sollte dabei ein wenig höher (ca. 2–5 K)
als die Speichertemperatur angesetzt sein. Der Kesselvorlauf wird auf
die gewünschte Temperatur geregelt (kein Regelthermostat), um eine
Schichtung im Speicher zu ermöglichen. Ebenso ist dadurch auch die
Kesseleintrittstemperatur gewährleistet (Kessel bringt Δ�).
Bei der hydraulischen Schaltung der Heizgruppen ist darauf zu achten,
dass diese eine tiefe Rücklauftemperatur bringen um die Temperatur-
schichtung im Speicher nicht zu zerstören.
Fig. 1-21 Heizkessel mit Speicher; Kesselvorlauftempertur geregelt
Fig. 1-22 Heizkessel (mit Gasbrenner) und Speicher
Aus
Ein
1.8 Heizkessel mit Speicher
26
Bei solchen Anlagen werden die Abgase über einen nachgeschalteten
Wärmetauscher geführt. Die Abgase werden dabei unter die Konden-
sationstemperatur abgekühlt. Dadurch lässt sich ein Teil der Kondensa-
tionswärme, sowie die noch vorhandene fühlbare Wärme der Abgase
ausnutzen und damit das Kesselwasser vorwärmen (� erhöhter Wir-
kungsgrad). Der Abgaswärmetauscher muss mit einer tiefen Rücklauf-
temperatur betrieben werden, was die entsprechenden hydraulischen
Schaltungen auf der Erzeuger- und Verbraucherseite erfordert.
Das Kondensat ist aggressiv (vor allem beim Einsatz von Heizöl; es
entsteht Schwefelsäure H2SO4) und bedingt deshalb den Einsatz ent-
sprechender Materialien für den Wärmetauscher, aber auch für den
Heizkessel und das Kamin. Aus diesen Gründen wurde zu Beginn
dieserTechnologieentwicklung (ab 1980) hauptsächlich ein separater
Wärmetauscher eingesetzt. Heute sind verschiedene handelsübliche
Heizkessel (für Gas und Heizöl), sogenannte Brennwert- oder Konden-
sationskessel auf dem Markt, die den Wärmtauscher integriert haben
und bezüglich Materialien und Brennwertausnutzung optimiert sind.
Fig. 1-23 Kessel mit integriertem Abgaswärmtauscher und externer Wärmetauscher
1.9 Kessel mit Abgaswärmetauscher
27
Anlagen mit einer Heizzentrale und mehreren Unterstationen werden
wenn möglich energieoptimiert betrieben. Dazu werden die einzelnen
Regler der Unterstationen mit der Heizzentrale verbunden so dass
Wärmeanforderungen, Sollwertüberhöhungen, usw. entweder über ein
Kommunikations-Netzwerk (vgl. Fig. 1-24) oder eine andere Verbindung
(z.B. Relaisbus) an die Heizzentrale weitergegeben werden können.
Moderne Regelgeräte bieten eine Vielzahl solcher Möglichkeiten, die
im Detail in den jeweiligen technischen Unterlagen ersichtlich sind.
Nachfolgend das Beispiel einer Wohnüberbauung mit den Kommunika-
tions-Netzwerken zur Koordination der Energieaufbereitung und -vertei-
lung (z.B. LPB-Bus) sowie für die Energieauswertung (z.B. SYNERGYR-
Bus) zwischen der Energiezentrale und den einzelnen Unterstationen
(Häusern).
Fig. 1-24 Beispiel eines Kommunikationsnetzwerkes in einer WohnüberbauungAbzweigdose LPB-BusAbzweigdose Wärmemessung-Bus (plombiert, z.B. SYNERGYR)LPB-DatenbusWärmemessung-Bus
1.10 Bedarfsgeführte Wärmeerzeugung
28
Auf den ersten Blick scheint die Steuerung und Regelung von Mehrkes-
selanlagen kaum nennenswerte Probleme zu bieten. Öl- oder gasbefeu-
erte Kessel mit Wasser als Wärmeträgermedium stellen Regelstrecken
mit gut beherrschbaren Schwierigkeitsgraden dar. Auch die Lastanpas-
sung erscheint logisch: Reicht die betriebene Wärmeerzeugung nicht
mehr aus, wird ein Folgekessel zugeschaltet und wieder weggeschal-
tet, sobald er nicht mehr benötigt wird. Setzt man jedoch eine energie-
optimale Betriebsweise, hohe Verfügbarkeit und lange Lebensdauer
voraus, ergibt sich daraus eine sehr anspruchsvolle Problematik, die nur
mit korrekter hydraulischer Einbindung der Kessel und intelligenter
Steuer- und Regeltechnik gelöst werden kann. Dieses Kapitel befasst
sich mit den heute angewandten hydraulischen und regeltechnischen
Konzepten, als Entscheidungshilfe zur Planung von Mehrkesselanlagen.
Die vorliegende Problematik kann an Zweikesselanlagen ausreichend
behandelt werden, weil sie sich auch bei Mehrkesselanlagen immer
zwischen dem in Betrieb stehenden Kessel und dem zu- oder wegzu-
schaltenden Folgekessel einstellt. Bei Systemen welche sich entweder
nicht oder aber besonders gut für mehr als zwei Kessel eignen, wird
speziell darauf hingewiesen.
In Parallelschaltung (Fig. 2-1) erhalten alle Kessel die gleiche Rücklauf-
temperatur. Werden die Kessel mit je einem eigenen Thermostaten
(Zweipunktregler) geregelt, teilt sich die Leistung den Volumenströmen
entsprechend auf alle zugeschalteten Kessel auf, d.h. wenn die Verbrau-
cherlast beispielsweise 40 % beträgt, verteilt sich die Leistung – bei 2
gleichen Kesseln – zu je 20 % auf die beiden Kessel. Die Parallelschal-
tung wird häufiger gewählt als die Serieschaltung, nicht nur wegen der
einfacheren Rohrinstallation, sondern auch weil dadurch vermieden
werden kann, dass der Folgekessel, im Kleinlastbereich, mit schlech-
tem Wirkungsgrad betrieben werden muss. Die Parallelschaltung erfor-
dert allerdings einen exakten Abgleich der Wasserströme, die proportio-
nal zum Leistungsanteil der einzelnen Kessel sein müssen, um die volle
Leistungsabgabe jedes Kessels zu ermöglichen.
Fig. 2-1 Mehrkesselanlage in Parallelschaltung
B62-1
2.1 Einleitung
Eingrenzung
2.2 Hydraulische Parallel- oder
Serieschaltung der Kessel
Parallelschaltung
2. Regeln und Steuern von Mehrkesselanlagen
29
Fig. 2-2 Zweikesselanlage (Ölkessel in Parallelschaltung; Kessel rechts mit
Schalldämmhaube)
In Serieschaltung (Fig. 2-3) erhalten die Kessel nicht die gleiche Rück-
lauftemperatur. Die Vorlauftemperatur des Führungskessels kann die
Rücklauftemperatur des Folgekessels sein. Die Kessel übernehmen
unterschiedliche Leistungsanteile.
Fig. 2-3 Mehrkesselanlage in Serieschaltung
Übersteigt die Verbraucherlast die Volllast des Führungskessels (B1),
bleibt dieser nach dem Zuschalten des Folgekessels (B2) auf Vollastbe-
trieb, während letzterer im Kleinlastbetrieb beginnen muss. Sinkt die
Verbraucherlast wieder unter die Leistungskapazität des Führungskes-
sels, führt dies – bei Thermostatregelung der einzelnen Kessel – zu
unkontrollierten Brennerschaltungen an beiden Kesseln. Die Serieschal-
tung eignet sich insbesondere dann, wenn ein Wärmeerzeuger, der
tiefe Rücklauftemperaturen fordert, (Gaskessel mit Abgaskondensator
oder Wärmepumpe) einem konventionellen Kessel vorgeschaltet wird.
B62-2
Serieschaltung
30
Die Anforderungen an eine energieoptimale und umweltschonende
Kesselfolgesteuerung können mit reiner Gerätetechnik kaum mehr
erfüllt werden. Mit digitaler Steuer- und Regeltechnik, in Kombination
mit Optimierungs-Funktionen, wird jedoch ein Anlagenbetrieb mit mini-
malen Schadstoffemissionen, niedrigem Energieverbrauch und hoher
Verfügbarkeit möglich gemacht. Nachfolgend werden die wesentlichen
Steuer- und Optimierungsfunktionen beschrieben.
Das Zu- und Wegschalten des Folgekessels umfasst grundsätzlich
folgende Funktionen:
• Öffnen/Schliessen des Kesselabsperrstellgliedes sowie
• Ein-/Ausschalten der Kesseltemperaturregelung
• Ein-/Ausschalten der Kesselpumpe
Freigabe/Sperren der Brennersteuerung
Das optimale Schalten der Kessel geschieht nach folgenden
Anforderungen:
Jeder Kessel soll
• rechtzeitig eingeschaltet werden um die Wärmeversorgung ohne
Unterbruch zu sichern
• nicht zu oft geschaltet werden, um unnötige Anfahr- und Stillstands-
Energieverluste zu vermeiden
• nach dem Zuschalten mindestens solange in Betrieb bleiben, dass
die Säurekondensate im Feuerraum und in den Abgaswegen voll-
ständig austrocknen können (Verhinderung der Kesselkorrosion)
• nur dann eingeschaltet werden, wenn er tatsächlich benötigt wird
Ob ein Folgekessel tatsächlich benötigt wird, wird nicht allein anhand
der rein statischen Abweichung der Ist- von der Solltemperatur, sondern
anhand der Integralbildung der Abweichung während einer festgelegten
Sperrzeit entschieden.
Dabei ist auch die Berücksichtigung des momentanen Betriebszustan-
des des Folgekessels sinnvoll:
• ein warmer Kessel kann eher zugeschaltet werden als ein kalter
• bei Heizkesseln mit höchstem Wirkungsgrad im Teillastbereich ist
das Zuschalten des Folgekessels schon bei einem bestimmten Teil-
lastpunkt anzustreben
• der Folgekessel sollte erst dann weggeschaltet werden, wenn der
Führungskessel die Last eindeutig allein übernehmen kann
• bei Störungen an einer Kesseleinheit muss automatisch auf einen
anderen Kessel umgeschaltet werden
• ein defekter Kessel muss auch hydraulisch von der Anlage abgekop-
pelt werden können
Bei Schnellaufheizung, Wassererwärmung sowie bei anderen Aufheiz-
vorgängen mit grossem temporärem Leistungsbedarf, soll der Kessel-
temperatursollwert sofort auf seinen Maximalwert angehoben und – je
nach Gesamtlastzustand – der Folgekessel verzögerungsfrei zugeschal-
tet werden.
Je nach Anlagekonzept, Kesseltyp, Brennstoffwahl, Leistungsaufteilung
oder hydraulischer Schaltung usw., kann eine automatische oder
manuelle Umschaltung der Kesselpriorität erwünscht sein.
Der Wirkungsgrad neuerer Heizkesselkonstruktionen ist im mittleren bis
oberen Leistungsbereich relativ konstant, im Kleinlastbetrieb fällt er
jedoch stark ab. Es ist deshalb eine möglichst gleichmässige Leistungs-
aufteilung auf die einzelnen Kessel anzustreben, so dass jeder Kessel in
einem optimalen Wirkungsgradbereich arbeiten kann.
2.3 Anforderungen an die
Kesselfolgeschaltung
Reaktion auf temporäre Lastspitzen
Prioritätsumschaltung
Energieoptimaler Betrieb
31
Wird in der Übergangszeit, während der Nachtabsenkung keine Energie
benötigt, soll auch der Führungskessel abgeschaltet werden. Als Steu-
ergrösse eignet sich dafür die aktuelle Aussentemperatur �AA (vgl. auch
4.4). Für das Zuschalten kann auch – zusätzlich zu anderen Kriterien –
die gedämpfte Aussentemperatur �AM (vgl. 4.4) mitbenutzt werden. Die
entsprechende Dämpfungs-Zeitkonstante (ca. 15 bis 30 Std.) muss
dem Wärmespeichervermögen des Gebäudes angepasst werden.
Die Folgesteuerung von Mehrkesselanlagen kann nach verschiedenen
Kriterien erfolgen. Welche Kriterien am sinnvollsten eingesetzt werden
hängt von der Anlagesituation und den Betriebsbedingungen und -vor-
gaben ab und muss in jedem einzelnen Fall separat entschieden wer-
den.
Die gebräuchlichsten Umschaltkriterien zur Folgesteuerung sind:
• Handsteuerung
• Aussentemperatur
• Kesseltemperatur
• Läständerung auf Grund des Einschaltverhältnisses ε• Verbraucher-Vorlauftemperatur
• gemeinsame Kessel-Rücklauftemperatur
• Maximalwert der Vor- oder Rücklauftemperatur
• Speichertemperatur(en) resp. Speicherladung
• Brennerlast (bei modulierenden Brennern)
• Modulationsgrad der in Betrieb stehenden Brennwertkessel
Weiter ist es möglich – gerade mit DDC-Systemen oder modernen
Heizgruppenreglern – eine bedarfsabhängige Folgesteuerung entspre-
chend der anstehenden Last zu realisieren. Beispielsweise kann die
Ventilstellung des am meisten geöffneten Ventils als Kriterium herange-
zogen werden um eine weitere Leistungsstufe (Brenner oder Kessel)
zuzuschalten.
Es können aber auch andere Kriterien wie z.B. Brauchwasserladung,
Schnellaufheizung, Störumschaltung, ... für die Folgesteuerung einge-
setzt werden.
Die Regelung der Kesseltemperatur erfolgt, wie bei Einkesselanlagen,
für beide Kessel autonom durch die Kesseltemperaturregler, und die
Zu- und Wegschaltung des Folgekessels mittels Handschalter. Diese
Art der Folgesteuerung erscheint im Zeitalter der Automation veraltet
zu sein. Bei Grossanlagen im Industrie- oder Gewerbebereich, wo
technisch ausgebildetes Personal solche Anlagen ohnehin rund um die
Uhr betreut, verfügt dieses auch meist über grosse Erfahrungen und
Informationen bezüglich dem Trend des bevorstehenden Leistungsbe-
darfs (Wettervorhersage, Informationen über bevorstehende In- oder
Ausserbetriebsetzungen von Wärmeverbrauchern etc.).
Es handelt sich also um keine automatische, aber dennoch «intelligen-
te» Methode der Folgesteuerung.
In Kesselanlagen, deren Wärmeleistung zu über 90 % für Raumheizun-
gen verbraucht wird, eignet sich die Aussentemperatur gut als Bezugs-
grösse zur Folgesteuerung. Allerdings muss auch hier die «gedämpfte»
Aussentemperatur gewählt werden, weil die aktuelle Aussentemperatur
zu schnell schwankt, und der Folgekessel dadurch an der Heizgrenze zu
kurzzeitig zu- und weggeschaltet würde. Die Aussentemperatur kann
aber auch zur Sperrung des Folgekessels dienen, falls temporäre Last-
spitzen bei Aussentemperaturen > 0 °C auftreten können.
2.4 Umschaltkriterien zur
Folgesteuerung
häufig verwendete Umschaltkriterien
weitere Umschaltkriterien
2.4.1 Handsteuerung
2.4.2 Folgesteuerung nach der
Aussentemperatur
32
Diese Art der Steuerung durch Thermostaten unterliegt der gleichen
Problematik, die schon bei der Brenner-Stufenschaltung gezeigt wurde.
Die nächste Leistungsstufe (hier der Folgekessel) darf erst zugeschaltet
werden, wenn die Temperatur des Führungskessels um die eingestellte
Schaltdifferenz abgesunken ist. Durch die erforderlichen Schaltdifferen-
zen ergeben sich zwangsläufig relativ grosse Temperaturschwankungen
im Hauptvorlauf. Überdies neigen solche Schaltungen sehr stark zum
Pendeln, was auch durch den Einsatz von komplizierten Zeitgliedern
nicht ausreichend verhindert werden kann. Zu lange Zuschaltverzöge-
rungen haben oft einen grossen Temperaturabfall im Führungskessel zur
Folge, was zu schädlichen Abgaskondensationen führen kann. Die Fest-
stellung, dass bei Volllast tiefere Kesseltemperaturen als bei Teillast
geregelt werden, verleitet das Bedienpersonal oft dazu, den Sollwert
des Folgekessels auf die gleichen Werte wie beim Führungskessel ein-
zustellen. Im Vollastbetrieb bringt dieser Eingriff zwar den gewünschten
Erfolg, im Teillastbetrieb schalten dann aber die beiden Kessel gleich-
zeitig ein und aus!
Fig. 2-4 Folgesteuerung nach der Kesseltemperatur mit Kesselthermostaten bei
Parallelschaltung
1 Regelthermostat
2 Sicherheitstemperaturbegrenzer
Digitale Kesseltemperaturregler bieten elegantere Lösungen dieser Pro-
blematik an: So können z.B. auf einem gewünschten Sollwert und
innerhalb einer eingestellten Schaltdifferenz beliebig viele Schaltstufen
betrieben werden. Unterschreitet der Istwert der Kesseltemperatur
den unteren Schaltpunkt, so wird die Regeldifferenz mit der Zeitdauer
multipliziert was mathematisch ein Integral (Σ (K * Min.)) darstellt.
Überschreitet das Integral – nach einer Sperrzeit – den einstellbaren
Minimalwert, wird die aktive Leistungsstufe fest zugeschaltet und mit
der nächsthöheren Stufe geregelt. Bei sinkender Last erfolgt eine ent-
sprechend umgekehrte Prozedur (vgl. 1.3.4).
Selbst im stetigen Stellbereich eines modulierenden Brenners ist es
mit Digitaltechnik möglich, diesen in einzelne Leistungsstufen zu unter-
teilen und die Übergänge von einer Leistungsstufe zur anderen über ein
Sperrintegral zu verzögern. Dadurch kann verhindert werden, dass eine
Kessel-Vorlauftemperatur-Regelung mit PI-Verhalten zu schnelle Bren-
ner-Leistungsänderungen bewirkt.
B150%
B250%
22
2.4.3 Folgesteuerung nach der
Kesseltemperatur
Steuerung mit Thermostaten
Kesseltemperaturregler
33
Die Heizkessel sind mit einer Kesseltemperaturregelung ausgerüstet.
Weitere Heizkessel werden auf Grund der max. Kesselleistung (absolut
oder relativ) und dem laufend gemessenen Einschaltverhältnis ε (vgl.
1.3.2) zu- und weggeschaltet. Im Kesselfolgeregler wird eine Gesamt-
leistungsbilanz geführt und diejenigen Heizkessel zugeschaltet, die den
Wärmebedarf langfristig mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad zu
erbringen vermögen.
Fig. 2-5 Folgesteuerung mit Kesseltemperaturfühler und Einschaltverhältnis
1 Kesseltemperaturfühler
2 Sicherheitstemperaturbegrenzer
3 Kesselfolge-Regel-/Steuergerät
Die Verbraucher-Vorlauftemperatur (gemessen im Hauptvorlauf zum Ver-
teiler) ist bei thermostatisch geregelten Kesseln nur als Zuschaltkrite-
rium geeignet (Fig. 2-6). Wenn die eingeschaltete Leistungsstufe nicht
mehr ausreicht, sinkt sie unter den Reglersollwert und signalisiert den
zusätzlichen Leistungsbedarf.Thermostatisch geregelte Kessel teilen
jedoch auch im Schwachlastbetrieb die geforderte Leistung «brüder-
lich» unter sich auf und arbeiten im intermittierenden Betrieb. Die Vor-
lauftemperatur wird auf dem Reglersollwert gehalten und liefert so
keine Information darüber, ob zugeschaltete Kessel wieder weggeschal-
tet werden können.
Beim Stufenregler mit P-Verhalten erfolgt die Brennerschaltung sowie
die Zu- und Wegschaltung des Folgekessels zwar direkt temperaturab-
hängig; durch die P-Abweichung und die Schaltabstände ergeben sich
jedoch grosse Vorlauftemperaturschwankungen. Deshalb ist diese Steu-
erung für mehr als zwei Kessel ungeeignet. Die P-Regelung bringt nur
den Vorteil der etwas längeren Brennerlaufzeiten.
Eine Verbesserung kann mit einem PI-Regler, kombiniert mit Stufen-
schalter (Fig. 2-6) erreicht werden. Allerdings wird die vorteilhafte
Eigenschaft als «Regelung ohne Sollwertabweichung», durch den erfor-
derlichen Einsatz eines Mehrstufenschalters wieder verschlechtert. Die
Vorlauftemperaturschwankungen können aber in kleineren Grenzen
gehalten werden. Als Nachteil ergeben sich daraus häufigere Brenner-
schaltungen und zudem neigen Anlagen mit PI-Regelung vermehrt zum
Pendeln. Um dies zu verhindern, müssen in jedem Falle Ein- und Aus-
schalt-Zeitverzögerungsglieder eingebaut werden.
B150%
B250%
1 122
3
2.4.4 Folgesteuerung nach der
Laständerung unter Einbezug des
Einschaltverhältnisses ε
2.4.5 Folgesteuerung nach der
Verbraucher-Vorlauftemperatur
34
Zu beachten ist bei dieser Steuerungsart auch, dass beim Zuschalten
des Folgekessels, dessen Vorlauftemperatur sofort auf den Reglersoll-
wert hochgefahren wird, und so – über die Ausgleichsleitung – auch
die Kesselrücklauftemperatur entsprechend ansteigt. Und, weil der Füh-
rungskessel auf Volllastbetrieb bleibt, steigt auch seine Vorlauftempera-
tur, parallel zur Rücklauftemperatur an (siehe Temperatur-/Lastdia-
gramm). Es ist deshalb sicherzustellen, dass in diesem Falle noch ge-
nügend Abstand zur Sicherheits-Begrenzungstemperatur bleibt. Bei
digitalen Systemen kann, mit dem Zuschalten des Folgekessels, der
Vorlauftemperatur-Sollwert abgesenkt und anschliessend wieder glei-
tend auf den ursprünglichen Wert erhöht werden.
Die Anlage kann mit konstantem oder witterungsgeführtem Sollwert
betrieben werden. Je nach Lastverhalten der Anlage erfordert diese
einen grossen Einstellaufwand. Zur Vermeidung der Abgaskondensation
muss ein zu starkes Absinken der Kesseltemperatur vermieden wer-
den. Je nach Anlagekonzept kann eine aussentemperaturabhängige
Sperrung des Folgekessels oder auch einzelner Brennerstufen aufge-
schaltet werden. Gut geeignet ist diese Steuerung für Gaskesselanla-
gen mit atmosphärischen Brennern und hydraulischer Parallelschaltung,
denn hier sind häufige Schaltungen ohne weiteres zulässig.
Fig. 2-6 Folgeschaltung nach der Vorlauftemperatur (1) durch PI-Regler (2) mit Vierstufen-
schalter (3); Kessel in Parallelschaltung – mit Sicherheitstemperaturbegrenzer (4)
50% 50%
1
3 2PI w=80 °C
B1 + B2 B1
ϑB
100
90
80
70
60
50
40
30
20
100 % 75 % 50 % 25 % 0 %
S4 S3 S2 S1
ϑB1
ϑB2 ϑR
ϑB1
ϑR
B62-4
4 4
35
Eine wesentliche regeltechnische Verbesserung kann mit der hydrau-
lischen Serieschaltung erzielt werden (Fig. 2-7) weil mit der PI-Regelung
über die Mischorgane die Vorlauftemperatur ohne Sollwertabweichung
geregelt werden kann. Auch hier muss mit Verzögerungsgliedern ein zu
frühes Zu- bzw. Wegschalten des Folgekessels verhindert werden.
Zweistufige Brenner eignen sich besonders gut, da die Schaltung der
zweiten Brennerstufe (wie auch des Folgekessels) durch das Signal des
Stellgliedes erfolgt. Die Kesseltemperatur wird durch den Kesseltempe-
raturregler, mit festem oder witterungsgeführtem Sollwert geregelt.
Diese Steuerung ist unabhängig von der Kesselzahl und eignet sich
demzufolge besonders gut für Anlagen mit mehr als zwei Kesseln. Um
bei grösseren Anlagen den Energieverbrauch der Hauptpumpe zu redu-
zieren, ist es empfehlenswert, eine mehrstufige Pumpe einzusetzen.
Auch bei hydraulischer Serieschaltung ist eine Prioritätswahl durch
Sequenzumkehr möglich (unabhängig von der Anzahl Kessel).
Fig. 2-7 Folgeschaltung nach der Vorlauftemperatur durch PI-Sequenzregler; Kessel in
Serieschaltung
Die Kessel-Rücklauftemperatur ist – wegen der direkten Abhängigkeit
zur Last – ein ideales Schaltkriterium. Die praktischen Erfahrungen
haben jedoch gezeigt, dass diese Steuerung in Bezug auf die Einstell-
werte, wie auch im «Anlage-Verständnis», sehr anspruchsvoll ist und
einen entsprechend grossen Inbetriebsetzungsaufwand erfordert. Fig.
2-8 zeigt ein Anwendungsbeispiel mit hydraulisch parallel geschalteten
Kesseln und einstufigen Brennern. Es sind auch Anlagen mit zweistufi-
gen Brennern im Betrieb, die einwandfrei funktionieren, doch erfordert
die Inbetriebsetzung – wegen der direkten Abhängigkeit zur Last –
einen grösseren Aufwand (siehe Temperatur-/Lastdiagramm).
Zur Verhinderung des Pendelns sind auch hier die üblichen Zeitverzöge-
rungen eingebaut. Durch die P-Abweichung werden relativ lange Bren-
nerlaufzeiten erreicht. Von Vorteil sind Kessel mit grossem Wasserinhalt,
da diese als Speicher genutzt werden können. Die Vorlauftemperatur
kann kurzzeitig bis auf den Rücklauftemperatursollwert absinken, was
sich ebenfalls positiv auf die Brennerlaufzeiten auswirkt.
In Anlagen mit hydraulischen in Serie geschalteten und mit Mischven-
tilen ausgerüsteten Kesseln (Fig. 2-8), kann der Regelfühler, statt im
Kesselvorlauf, im Kesselrücklauf platziert werden. Dadurch können die
Vorteile der stetigen Sequenzregelung mit denjenigen der Rücklauftem-
peraturregelung kombiniert werden.
PWSY2
PI w
wMIN
PI
wMIN
2 1 12
B62-5
2.4.6 Folgesteuerung nach der gemein-
samen Kessel-Rücklauftemperatur
36
Die Regelung nach der Rücklauftemperatur erfordert, vor allem bei
Parallelschaltung, eine sorgfältige hydraulische Dimensionierung und
den Abgleich der Kesselwasserströme bei der Inbetriebsetzung. Un-
gleiche Kesselleistungen wirken sich ungünstig auf die Prioritätsum-
schaltung aus (Volumenstromänderungen verlangen eine Umschaltung
auf andere Sollwerte). Für mehr als zwei Kessel ist diese Steuerung
weniger geeignet.
Fig. 2-8 Folgeschaltung nach der Rücklauftemperatur durch P-Regler mit Zweistufen-
schalter; Kessel in Parallelschaltung
50% 50%
w = 60 °C
B1 + B2 B1
ϑ
100
90
80
70
60
50
40
30
20
100 % 75 % 50 % 25 % 0 %
B62-6
37
Die im Absatz 2.4.5 beschriebene Folgesteuerung hat den Nachteil,
dass sich die Hauptvorlauftemperatur zum Verteiler abkühlt, sobald die
Verbraucher keinen Wärmebedarf mehr haben. Diese Abkühlung wird
vom Fühler erfasst und bewirkt durch die Regelung ein unnötiges
Zuschalten von Kesselleistung, bis die Brenner durch die Begrenzungs-
Kesselthermostaten abgeschaltet werden.
Dieser Betriebszustand kann dadurch verhindert werden, dass ein zwei-
ter Fühler im Kesselrücklauf platziert, und dem Regler der höhere der
beiden Fühlermesswerte gemeldet wird (Fig. 2-9). Sinkt der Wärmebe-
darf auf Null, dann fliesst kein Kesselwasser mehr in den Verbraucher-
Vorlauf sondern direkt in den Kesselrücklauf. Dadurch wird die Kessel-
rücklauftemperatur höher als die Hauptvorlauftemperatur zum Verteiler
und veranlasst über den Regler das Abschalten der Brenner.
Fig. 2-9 Folgesteuerung nach dem Maximalwert der Vor- oder Rücklauftemperatur durch
PI-Regler mit Vierstufenschalter; Kessel in Parallelschaltung – Folgesteuerung
nach der Speicherladung
PI w
PW
S
12 1 2
wMINwMIN
MAX
PIPI
B62-7
2.4.7 Folgesteuerung nach dem
Maximalwert der Vor- oder
Rücklauftemperatur
38
Wird eine Heizungsanlage mit zwei oder mehr Kesseln gebaut, dann
kann der im Teillastbetrieb von den Kesselpumpen geförderte Wasser-
strom wesentlich grösser sein als der von den Verbraucherkreisen ins-
gesamt abgenommene. Um starke Druck- und Volumenstromschwan-
kungen im Kesselkreis und damit auch die negativen Auswirkungen auf
die Verbraucherkreise zu vermeiden, wird der Kesselkreislauf in der
Regel durch eine Ausgleichsleitung zwischen Kesselvor- und Rücklauf
kurzgeschlossen (Fig. 2-1 und Fig. 2-3). Kesselanlagen mit Rücklauf-
hochhalteregelungen geben im Anfahrbetrieb kein und anschliessend
während einiger Zeit zu wenig Heizwasser an die Verbraucher ab, so
dass die Verbrauchergruppen die fehlende Wassermenge über diese
Ausgleichsleitung aus dem kalten Rücklauf ansaugen. Der Messfühler
muss in dieser Phase im Hauptvorlauf, zwischen der Ausgleichsleitung
und dem Verteiler eingesetzt sein, um den Wärmebedarf erfassen zu
können. Im Schwachlastbetrieb, wenn sowohl Kesselkreis, wie auch
Verbraucherkreise nahezu im Kurzschlussbetrieb laufen, zirkuliert aber
dort fast kein Wasser mehr. Die Leitung kühlt sich ab und der Fühler
veranlasst Wärmebedarf, obwohl die Kesselleistung entsprechend
zurückgeschaltet werden müsste. In dieser Phase sollte also der Fühler
wieder im Kesselkreis platziert sein.
Die steuer- und regeltechnische Lösung dieser Problematik basiert auf
der Platzierung je eines separaten Fühlers, sowohl im Hauptvorlauf zum
Verteiler, wie auch im gemeinsamen Rücklauf zu den Kesseln. Mit Hilfe
des Vorlauffühlers wird die Hauptvorlauftemperatur geregelt und die
Kesselleistung zugeschaltet, während der Rücklauffühler die Rückschal-
tung der Kesselleistung auslöst, sobald sein Messwert höher wird als
derjenige des Vorlauffühlers.
Fig. 2-10 Mehrkesselanlage in Parallelschaltung mit Rücklaufminimal-Begrenzungs-
Regelung und «hydraulischer Weiche»
1 Hydraulische Weiche
2 Fühler, misst Lastzustand der Anlage
3 Folgesteuerungsgerät mit Stufenschalter, Zeitgliedern, ...
4 Sicherheitstemperaturbegrenzer
5 Regler für Rücklaufhochhaltung
B1 B2
4 4
wMIN wMIN
5 5PI PI
3
2
B62-3
1
2.4.8 Folgesteuerung mit
«hydraulischer Weiche»
39
Nun bezweckt die Ausgleichsleitung nicht nur die Sicherstellung der
erforderlichen Volumenströme im Erzeuger- bzw. Verbraucherkreis, son-
dern auch eine echte hydraulische Entkopplung dieser Kreise. Wählt
man für diese Ausgleichsleitung eine Strömungsgeschwindigkeit von
max. 0.2m/s bei Nennvolumenstrom, ergibt sich ein so grosser Rohr-
durchmesser, dass man eher von einem Ausgleichgefäss sprechen
könnte. Eine konstruktiv geschickte Fühlerplatzierung im oberen Teil die-
ses Gefässes ermöglicht ein lastabhängiges Zu- und Wegschalten der
Kesselleistungsstufen mit Hilfe nur eines Fühlers. Eine solche «hydrau-
lische Weiche» gilt vorwiegend in Deutschland als Standardlösung.
Ansonsten begnügt man sich üblicherweise mit einer Ausgleichsleitung
gleicher Nennweite wie diejenige des Hauptvorlaufs.
Die vorher beschriebenen Methoden ergeben – nach richtiger Wahl der
Schaltkriterien und entsprechend angepassten Steuer- und Regelkon-
zepten – betriebssichere und gut funktionierende Anlagen.
Die Bestrebungen nach langen Brennerlaufzeiten und dementspre-
chend wenig Brennerschaltungen werden dabei aber nicht optimal
erfüllt und vorwiegend durch stark schwankende Kesseltemperaturen
erkauft.
Werden optimale Ergebnisse gefordert, können diese nur durch den
Einsatz eines Wärmespeichers erreicht werden. Fig. 2-11 zeigt eine
Variante dieses Systems. Hydraulisch ist die kostengünstigere Parallel-
schaltung zu wählen, da in diesem Konzept die Serieschaltung keine
Vorteile bringt. Es können ein- evtl. zweistufige, jedoch keine modulie-
renden Brenner eingesetzt werden. Einstufige Brenner können – bei
entsprechender Abstimmung auf den Kessel – verbrennungstechnische
Vorteile bringen.
Fig. 2-11 Folgeschaltung nach der Speicherladung, auf vier Brennerstufen wirkend;
Kessel in Parallelschaltung
1 Speicherfühler (Ein Stufe 1 Führungskessel)
2 Speicherfühler (Ein Stufe 2 Führungskessel und Folgekessel)
3 Speicherfühler (Aus)
4 Kesselfolgesteuerungsgerät mit
5 Kesselvorlauftemperaturregelung (inkl. Sicherstellung der
Kesseleintrittstemperatur)
6 Sicherheitstemperaturbegrenzer
4
2
1
3
B1 B2
S
PI PI
B62-8
55
66
2.4.9 Folgeschaltung nach der
Speicherladung
40
Der Speicher hat also die Aufgabe, möglichst lange Brennerlaufzeiten
bzw. wenig Brennerschaltungen zu gewährleisten. Er wird deshalb als
Schichtspeicher mit einem Speicherinhalt von mindestens 10 Litern pro
kW Wärmeleistung ausgelegt. Je nach Anlagengrösse und Platzangebot
müssen evtl. zwei oder mehrere Speicher geplant werden. Mehrere
Speicher werden in Serie geschaltet.
Die folgende Funktionsbeschreibung bezieht sich stellvertretend auf
eine Einspeicheranlage mit zwei Heizkesseln gemäss Fig. 2-11:
– Sinkt die Speichertemperatur unter den Sollwert des Fühlers auf
halber Höhe (1), wird der Führungskessel mit seinem Brenner einge-
schaltet.
– Ist die Leistung gleich oder grösser als der momentane Verbrauch,
so läuft der Brenner im Dauerbetrieb oder der Speicher wird lang-
sam wieder aufgeladen.
– Erreicht die Speichertemperatur den Sollwert am Fühler unten am
Speicher (3), wird der Heizkessel ausgeschaltet. Dies gilt grundsätz-
lich bei jedem Lastzustand für alle Kessel (bzw. Brennerstufen), d.h.
bei vollgeladenem Speicher wird immer die gesamte Wärmeerzeu-
gung ausgeschaltet.
– Ist die Verbraucherlast grösser als die Leistung vom Führungskessel,
so wird der Speicher weiter entladen. Sobald der Sollwert am obe-
ren Fühler (2) unterschritten wird, wird der zweite Heizkessel (evtl.
nach einer Sperrzeit) zugeschaltet.
– Ist der zweite Heizkessel einmal zugeschaltet, laufen beide Heizkes-
sel – unabhängig vom Lastverhalten der Anlage – bis der Speicher
voll durchgeladen ist. Der Fühler (3) schaltet dann beide Heizkessel
wieder aus. Während des gesamten Heizbetriebes können so lange
Brennerlaufzeiten und damit hohe Wirkungsgrade erreicht werden.
Der Wärmespeicher bildet ausserdem eine perfekte hydraulische Ent-
koppelung zwischen dem Kesselkreislauf und den Verbraucherkreisen.
Und was die Folgesteuerung der Kessel betrifft, so liefert die Entlade-
dauer zwischen zwei Fühlern ein lastabhängig variables Zeitintegral,
was im Vergleich zu fest eingestellten Verzögerungsrelais wesentliche
Vorteile bringt. Die Wärmeerzeugung reagiert um so schneller, je grös-
ser der Wärmebedarf ist. Es tritt auch kein Pendeln auf, weil zwischen
den Ein- und Ausschaltpunkten, Speicherkapazitäten aufgeladen bzw.
entladen werden müssen. Die Anlage ist auch regeltechnisch einfach zu
beherrschen und die Temperaturschwankungen werden gering.
Die Speicherladetemperatur wird über den Kesselvorlauftemperatur-
Sollwert mittels Mischorgan im Rücklauf geregelt. Richtige Dimensio-
nierung vorausgesetzt, d.h. durch entsprechende Wahl des Kesseltem-
peratur-Minimalsollwertes, garantiert diese Regelung gleichzeitig die
Rücklaufhochhaltung.
Zur Energieoptimierung kann die Speichertemperatur witterungsabhän-
gig geführt werden. Und, dank der Wärmespeicherung reagiert die
Anlage völlig unempfindlich auf plötzlich auftretende Laständerungen,
(z.B. Aufheizvorgänge). Die eindeutigen Vorteile dieses Konzeptes erfor-
dern allerdings höhere Investitionskosten und grösseren Raumbedarf.
Funktionsweise
Hydraulische Entkoppelung durch
Speicher
Rücklaufhochhaltung mit eingebaut
41
Diese Art der Folgesteuerung eignet sich für Kessel mit modulierenden
Brennern. Die Vorlauftemperatur wird für jeden Kessel separat, mittels
stetigem Regler, mit festem oder witterungsgeführtem Sollwert gere-
gelt. Die Zu- und Wegschaltung des Folgekessels erfolgt abhängig von
der Brennerlast (Luftklappenstellung und Zeitverzögerung). Ist der feue-
rungstechnische Wirkungsgrad bei Teillast grösser als bei Volllast, kann
der Folgekessel schon früher zugeschaltet werden. Sind beide Kessel
in Betrieb, arbeiten beide im modulierenden Lastbereich von je ca.
30...100 %. Um eine gleichmässige Leistungsverteilung zu erreichen,
müssen die Kessel hydraulisch parallel geschaltet werden.
Vom Prinzip her ist dies eine einfache Steuerung. Infolge des Zwei-
punkt-Grundlast-Verhaltens der Brenner, ergeben sich aber vielfach
regeltechnische Schwierigkeiten im Übergangsbereich.
In vorgängigen Abschnitten wurde gezeigt, wie die Verbrauchervorlauf-
temperatur und die gemeinsame Kesselrücklauftemperatur genutzt
werden können, um einzelne Leistungsstufen zu- und wegzuschalten
(vgl. z.B. 2.4.7). Bei der Verwendung von Brennwertkesseln, vor allem
auch, wenn mehr als 2 Kessel zusammengeschaltet werden, reicht der
bisher besprochene Ansatz nicht mehr aus, um in allen Betriebssituatio-
nen gute Wirkungsgrade – für einzelne Kessel, aber auch im Gesamten
– zu erreichen.
Folgende Kriterien sollen bei einer solchen Anlage erfüllt werden:
• gewünschte Vorlauftemperatur bedarfsgerecht ohne grosse Schwan-
kungen und Abweichungen zur Verfügung stellen
• möglichst tiefe Rücklauftemperaturen für Brennwertkessel
• Optimierung des Gesamtwirkungsgrades durch verschiedene Lauf-
zeitstrategien
Zentraler Punkt bei hier besprochenen regelungstechnischen Ansatz ist,
dass zusätzlich zur Vor- und Rücklauftemperatur auch der Modulations-
grad (bzw. die aktuell produzierte Leistung) der in Betrieb stehenden
Kessel verwendet wird. Dazu wird im Kesselfolgeregler der Kesselmo-
dulationsgrad (z.B. über Gebläsedrehzahl) ermittelt und eine Leistungs-
bilanz über alle Kessel geführt.
Die einzelnen Kessel sind mit einer separaten Kesseltemperatur-Rege-
lung versehen. Der Kesselfolgeregler gibt, je nach Bedarf, den einzelnen
Kesseltemperatur-Reglungen den notwendigen Kesseltemperatur-Soll-
wert vor (heute meistens über Bussystem).
Damit die Kesselfolgeregelung möglichst gut an die unterschiedlichen
Betriebssituationen angepasst werden kann, können verschiedene
Laufzeitstrategien gewählt werden:
• möglichst wenige Kessel einschalten
� Leistungsbedarf für Gebläse und Kesselpumpen sind minimal
• verlängerte Brennerlaufzeiten und dadurch weniger Brennerstarts
� Emissionen durch Brennerstarts werden klein gehalten
• so viele Kessel wie möglich einschalten
� vorteilhaft, wenn z.B. Wassermenge auf Verbraucherseite viel
grösser als auf Erzeugerseite
2.4.10 Folgesteuerung nach der
Brennerlast
2.4.11 Folgeregelung mit dem
Modulationsgrad von Brennwertkesseln
Separate Kesseltemperatur-Regelung
Verschiedene Laufzeitstrategien
42
Fig. 2-12 Folgeregelung mit dem Modulationsgrad von 2 (oder mehr) Brennwertkesseln
(zusätzlich zur Vor- und Rücklauftemperatur)
1 Kesselfolgeregler
2 Vorlauftemperaturfühler
3 Rücklauftemperaturfühler
4 Kesseltemperaturregler
5 Kesseltemperaturfühler
6 Sicherheitstemperaturbegrenzer
B1 B2
1
2
3
44
5 5
6 6
43
An einem automatisch geregelten Öl- oder Gaskessel, ist der Brenner
grundsätzlich das Stellglied eines Regelkreises, d.h. er arbeitet nach
den Steuerbefehlen eines Reglers. Dieser Regler kann ein einfacher
Thermostat eines kleinen Heizkessels, oder ein genauer und energie-
optimierend arbeitender elektronischer Regler eines grösseren Heiz-
kessels sein.
Fig. 3-1 Der automatische Brenner als Stellglied des Kesseltemperatur-Regelkreises
Bei einer automatischen Kesseltemperaturregelung (Fig. 3-1) spielt sich
im Prinzip immer der gleiche Vorgang ab: Sobald die Temperatur – die
Regelgrösse (x) – unter den eingestellten Sollwert (w) sinkt, dann gibt
der Regler dem Wärmeerzeuger den sogenannten Stellbefehl (y); in
unserem Falle ist dies der Einschaltbefehl für den Brenner. Der Brenner
produziert dann Wärme, die Temperatur steigt dadurch an und sobald
der Sollwert erreicht ist, schaltet der Regler den Brenner wieder aus.
Die Temperatur beginnt wieder abzusinken . . . und so geht es weiter,
hin und her zwischen Regeleinschaltung und Regelabschaltung. Je nach
Wärmebedarf wiederholen sich die Einschaltzyklen in schneller oder
langsamer Folge (= intermittierender Betrieb); bei sehr grossem Wär-
mebedarf bleibt der Brenner dagegen oft stundenlang ununterbrochen
eingeschaltet (= Dauerbetrieb).
Öl oder Gas eignet sich bestens zur automatischen Wärmeerzeugung,
denn:
• Öl und Gas kann durch Rohrleitungen leicht und sauber zum Bren-
ner gefördert werden.
• Öl und Gas lässt sich mittels Ventilen oder Klappen exakt dosieren
oder ganz absperren.
B63-1
3.1 Einführung
Eignung von ÖL und Gas:
3. Steuern, Regeln und Überwachen von Öl- und Gasbrennern
44
Schon 1cm3 Heizöl macht 1m3 Trinkwasser ungeniessbar und die Ge-
fährlichkeit von Gas (Explosionsgefahr, Giftigkeit einzelner Gassorten)
ist allgemein bekannt. Zu diesen Gefahren kommt die Umweltbela-
stung durch die Abgase beider Brennstoffe! Und diese so klein wie
möglich zu halten, ist das Bestreben aller an der Öl- und Gaswärme-
erzeugung beteiligten Kreise, also der Hersteller und Betreiber der
Anlagen, der Sicherheitsbehörden und Gesetzgeber. Seit ca. 1990 sind
in allen Ländern, in denen der Umweltschutz ein Anliegen ist, obere
Grenzwerte für den Schadstoffgehalt der Abgase aus Feuerungen fest-
gelegt worden. Speziell geschulte Feuerungskontrolleure überwachen
die Einhaltung dieser Grenzwerte periodisch. Wenn man nun von der
Schädlichkeit der Abgase absieht, dann kann man behaupten:
«Heizöl und Gas sind ungefährlich, wenn die freigegebenen Mengen
vorschriftsmässig verbrannt werden!»
«Vorschriftsmässig» heisst, dass folgende Forderungen beim Verbren-
nungsprozess unbedingt erfüllt werden müssen:
• Der Brenner muss daraufhin überwacht werden, ob er beim Ein-
schalten auch wirklich zündet und ob die Flamme danach bis zur
Regelabschaltung ununterbrochen weiterbrennt, also die insge-
samt freigegebene Brennstoffmenge vollständig verbrannt wird.
• Beim Nichtzünden des Brenners, beim Erlöschen der Flamme
während des Brennerbetriebs sowie bei anderen Störungen in der
Anlage, die ein unzulässiges Austreten von unverbranntem Brenn-
stoff bewirken könnten, müssen die Brennstoffventile sofortgeschlossen werden! Alle Brennstoffventile werden daher so
ausgeführt, dass sie im spannungslosen Zustand automatisch
geschlossen sind!
• Bei schwerwiegenden Defekten in der Feuerungsanlage, sei es am
Brenner, an seinen Ventilen, in seinem Flammenüberwachungs-
system usw., muss die gesamte Anlage abgeschaltet werden. Das
diese Störabschaltung auslösende Gerät muss sich in dieser
Störstellung verriegeln. Gleichzeitig muss die Möglichkeit beste-
hen, die Störabschaltung durch ein optisches oder akustisches
Signal zu signalisieren.
Die Konsequenz aus diesen Forderungen lautet:
Jeder Öl- oder Gasbrenner muss mit einem Flammendetektor ausge-
rüstet sein (auch Flammenfühler genannt), der in Verbindung mit einem
Flammenüberwachungssystem das Zünden des Brenners und das
Weiterbestehen der Flamme bis zur Regelabschaltung überwacht und
im Störungsfalle, über eine Steuereinrichtung, nicht nur die Brennstoff-
zufuhr stoppt, sondern auch den Brenner abschaltet und Alarm auslöst.
Nun besteht ein Brenner aber nicht nur aus Brennstoffzuleitung, Venti-
len, Zündeinrichtung und Flammen-Überwachungssystem, sondern (vor
allem grössere Brenner) sind recht komplexe Apparate, die in einer
bestimmten Funktionsabfolge, dem Inbetriebsetzungsprogramm, in
Betrieb gesetzt werden müssen. Die Steuereinrichtung des Brenners
muss also nach einem Zeitschalt-Programm arbeiten.
In der Praxis sind Programmsteuerung und Flammenüberwachungs-
system normalerweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
Diese Funktionskombination ist bekannt unter der Bezeichnung:
Gefährlichkeit von ÖL und Gas
45
Der Feuerungsautomat dient zur flammenabhängigen Inbetrieb-
setzung und Überwachung des Brenners. In der Umgangssprache wird
er deshalb oft auch «Brennersteuergerät» oder «Flammenwächter»
genannt. Seine Funktionsweise kann man sich schematisch etwa wie
folgt vorstellen:
Fig. 3-2 Funktionsprinzip des Beispiel eines Feuerungsautomaten
Feuerungsautomaten für einen Oelbrenner
1 Feuerungsautomat
2 Programmwerk
3 Flammenüberwachungssystem
4 Flammendetektor
a Startbefehl vom Temperatur-
oder Druckregler der Anlage
b Start- und Betriebsbereitschaftsmeldungen
c Flammensignal
d Brennersteuerung
Die Flammenüberwachung erfolgt mit einem Flammendetektor (auch
Flammenfühler oder Lichtfühler genannt) auf der Eingangsseite des
Flammenüberwachungskreises, und dem Flammenrelais auf seiner
Ausgangsseite. Die Kontakte dieses Flammenrelais’ sind mit der Pro-
grammsteuerung so verknüpft, dass Inbetriebsetzung und Betrieb des
Brenners nur erfolgen können, wenn alle Bedingungen für eine korrekte
Flammenüberwachung erfüllt sind.
Fig. 3-3 Flammenfühler zur Überwachung von blau sowie gelb brennender Öl- und
Gasflammen
a
b d c
1
2 3
4
B63-2
3.2 Der Feuerungsautomat
46
Bei diesem Brennertyp sind alle für die automatische Wärmeerzeugung
erforderlichen Elemente im, oder am Ventilatorgehäuse montiert, oder
sie befinden sich in unmittelbarer Nähe des Brenners. Die Minimalaus-
rüstung besteht aus:
Fig. 3-4 Prinzipieller Aufbau der Gebläse- Öl-Gebläsebrenner
brenner unten mit Zündbrenner auf Kessel aufgebaut
M Gebläse
P Ölpumpe, axial mit Gebläsemotor gekoppelt
BV Brennstoffventil(e)
ZBV Zündbrennerventil
Z Zündtransformator
LK Verbrennungsluftklappe, fest eingestellt oder motorisch gesteuert
SA Luftklappen-Stellantrieb für motorische Steuerung
Q... Flammendetektor (auch Flammen oder Lichtfühler genannt)
OH Ölvorwärmer, bei kleinen Leichtölbrennern zwischen Düse und
Düsenstock montiert, bei grossen Schwerölbrennern als separate
Einheit ausgeführt.
Hinzu kommen, vor allem bei Gasbrennern, noch zusätzliche Kompo-
nenten, wie Luft- und Gasdruckwächter. Auch von diesen Geräten wer-
den die elektrischen Signale grösstenteils vom Feuerungsautomaten
«abgefragt», d.h. bei der Programmsteuerung berücksichtigt.
Bei Schwerölbrennern grosser Leistung reicht häufig die Leistung
des Zündfunkens nicht aus, um den Brenner direkt-elektrisch zu zün-
den. Hier übernimmt ein Zündbrenner kleiner Leistung (meist ein Gas-
oder Leichtölbrenner) die Zündung der Hauptflamme. Diese Art der
Zündung wird gas-elektrische Zündung genannt und der so ausgerüs-
tete Brenner als Zweirohrbrenner bezeichnet (da ihm der Brennstoff
über zwei Rohre zugeführt wird). Zur Freigabe der Zündbrennstoffmen-
ge dient das Zündbrennstoffventil, Kurzzeichen «ZBV».
Gas / Öl-Gebläsebrenner (Zweistoffbrenner) werden für mittlere bis
grosse Leistungen gebaut und vorzugsweise dort eingesetzt, wo wäh-
rend der Gas-Niedertarifzeit der Gasbetrieb wirtschaftlicher ist als der
Ölbetrieb. Die Öldüse befindet sich normalerweise im Zentrum des
sogenannten «Gaskopfes». Da für die gleiche Brennerleistung bei Öl-
und bei Gasbetrieb unterschiedliche Verbrennungsluftmengen benötigt
werden, ist die Luftklappensteuerung bzw. die Brennstoff / Luft-Ver-bundsteuerung aufwendiger als beim Brenner für nur eine Brennstoff-
art. Auch der Feuerungsautomat muss mit 2 unterschiedlichen Inbe-
triebsetzungsprogrammen für Öl oder Gas ausgerüstet sein.
P M BV OH Q...
z
LKSAM
M
MP BV Q...
ZBV
LK
z
SA B63-3
3.3 Gebläsebrenner
47
Brenner ohne Gebläse werden für Öl- und Gasbetrieb gebaut. Für Öl
gibt es sie in Form jener Brenner, die man in den sogenannten «Öl-
öfen» für die Einzelraumheizung findet. Sie werden nicht durch
Feuerungsautomaten gesteuert und überwacht; deshalb wird ihre
Funktionsweise hier nicht näher beschrieben.
Die eigentliche Domäne der Brenner ohne Gebläse liegt auf dem
Gebiet der Gas-Wärmeerzeugung. Beim atmosphärischen Gasbren-ner erfolgt die Zündung direkt-elektrisch, mittels eines kleinen Zünd-
brenners oder, bei grösseren Brennern, mittels einer sogenannten
Zündrampe. Zündrampen zünden jeden einzelnen Brennstab mit einer
ihm direkt zugeordneten kleinen Zündflamme.
Fig. 3-5 Atmosphärische Gasbrenner Atmosphärische Brenner ohne /
(Prinzip der Zugsicherung) mit Zündrampe (ZR)
BV Hauptgasventile
FE Fühlerelektrode
HR Hauptbrenner
ZR Zündrampe
ZV Zündgasventil
Gas-Umlaufwasserheizer werden meist durch eine dauernd brennen-
de Zündflamme, die sogenannte Dauerpilotflamme gezündet. Die
Flammenüberwachung erfolgte bei diesen Systemen früher noch vor-
wiegend auf elektromechanischem Wege mittels sogenannter Zünd-
sicherungen. Sie stellten u.a. sicher, dass die Gasfreigabe nur bei bren-
nender Pilotflamme erfolgen kann. Heute erfolgt die Zündung und
Überwachung meist durch rein elektronisch arbeitende Gerätekombi-
nationen (Zündung und Überwachung im gleichen Gehäuse).
Grössere atmosphärische Brenner mit stufenlos verstellbarer Bren-
nerleistung werden dagegen durch Feuerungsautomaten gesteuert und
überwacht.
Das Inbetriebsetzungsprogramm weicht dabei nur in wenigen Details
von dem eines Gasgebläsebrenners ab.
Neben den Vorzügen atmosphärischer Gasbrenner:
• einfacher Aufbau,
• saubere Verbrennung,
• schadstoffarme Abgase,
leicht steuerbare Brennerleistung (es muss nur die Gasmenge
verändert werden)
sind die Nachteile dieses Brennertyps:
• Wärmeverluste durch die Dauerpilotflamme
sowie den dauernd vorhandenen Luftzug durch das weitgehend offene
Brennersystem.
FE FE2 FE1
ZR
HRHR
BV1 BV2 BV2 ZV1
B63-4
3.4 Brenner ohne Gebläse
48
Der Rauchgasaustritt des Brenners mündet nicht direkt in den Schorn-
stein, sondern in einen trichterförmig erweiterten Rauchgaskanal, die
sogenannte Zugsicherung (Fig. 3-5 links). Diese stellt sicher, dass
starke Windstösse im Schornstein die Haupt- oder Zündflamme nicht
ausblasen und damit die Sicherheit der Anlage nicht gefährden können.
Die durch den Schornsteinzug bewirkte ständige Luftströmung durch
das Gerät ist auch deshalb notwendig, damit bei undichtem Gasventil
kein Gas aus der offenen Brennkammer in einen geschlossenen
Raum (Küche, Bad, Kellerraum) austreten kann. Bei Anlagen, die durch
Feuerungsautomaten abgesichert werden, kommen dagegen – wenn
zulässig – energiesparende Verbrennungsluft- und Abgasklappensteue-
rungen zur Anwendung.
Die Leistung kann durch stufenweises Verstellen der Brennstoff- und
der Verbrennungsluftmenge dem jeweiligen Wärmebedarf grob ange-
passt werden. Bei geringem Wärmebedarf arbeitet der Brenner mit der
1. Leistungsstufe.
Steigt der Wärmebedarf, so wird im allgemeinen zuerst die Luftmenge
entsprechend erhöht und anschliessend (mittels Hilfsschalter im Luft-
klappen-Stellantrieb) das Brennstoffventil 2 geöffnet. Bei sinkendem
Wärmebedarf wird zuerst das Brennstoffventil 2 wieder geschlossen
und anschliessend die Luftmenge ebenfalls auf Stufe 1 reduziert.
Dadurch erfolgt die Verbrennung in der Umschaltphase jedes Mal mit
Luftüberschuss, was den Wirkungsgrad der Verbrennung reduziert.
Diese Art der Leistungssteuerung ist deshalb nicht energieoptimal und
wird in der Praxis eher durch einstufige, auf den Kessel optimierte
Brenner, in Kombination mit einem Wärmespeicher, oder durch 2stufig /
gleitend gesteuerte Brenner ersetzt.
Wird für die Freigabe der 2. Leistungsstufe anstelle eines AUF/ZU-
Ventils ein stetig verstellbares Stellorgan verwendet (z.B. eine Gas-
Drosselklappe), dann wird während des Anfahrens der Nennlastposition
nicht nur die Luftmenge, sondern auch die Brennstoffmenge gleitend
(d.h. stetig) verändert. Für diese Art der Steuerung wird deshalb der
Ausdruck «2-stufig / gleitend» verwendet. Dadurch wird der Betrieb mit
Luftüberschuss während der Stufenänderung vermieden.
Die Leistung dieser Brenner kann aus feuerungstechnischen Gründen
nur oberhalb eines bestimmten und fest eingestellten Grenzwertes stu-
fenlos verstellt, d.h. moduliert werden. Dieser Grenzwert liegt für nor-
male Gebläsebrenner bei 30...40 % der Nennlast. Unterhalb dieses
Wertes oder dieser Teillaststufe des Brenners würde die Brennstoff /
Luft-Durchmischung so ungünstig, dass eine vollständige Verbrennung
nicht mehr gewährleistet wäre. Der Brenner arbeitet also in diesem Teil-
lastbereich im Zweipunktbetrieb.
Im modulierenden Betrieb muss zur Leistungssteuerung, mittels ent-
sprechender Stellvorrichtungen, gleichzeitig die Brennstoff- und die
Luftmenge verstellt werden. Diese wird als Brennstoff-/Luft-Verbund-
steuerung bezeichnet.
Da aus feuerungstechnischen Gründen Brennstoff und Luft in einem
nichtlinearen Verhältnis gemischt werden müssen, ist bei einer Ände-
rung der Brennstoffart auch eine neue Einstellung der Brennstoff-/Luft-
Verbundsteuerung erforderlich.
3.5 Leistungssteuerung für
zwei- oder mehrstufige Brenner
3.6 Modulierende Brenner-
Leistungssteuerung
49
Bei der Inbetriebsetzung eines Brenners laufen physikalische und che-
mische Vorgänge ab, auf die hier nur aus steuer- und regeltechnischer
Sicht eingegangen wird. Wir wollen uns hier aber speziell mit dem zeit-
lichen Ablauf der Flammenüberwachung befassen.
• Das Zünden des Brenners wird vom Flammenüberwachungssystem
in jenem Augenblick registriert, in dem das elektrische «Flammen-
signal» des Flammendetektors bei ihm eintrifft. Das muss späte-
stens bei Ablauf der sogenannten Sicherheitszeit (siehe 3.8.5) sein,
d.h. am Ende der vom Feuerungsautomaten vorgegebenen Zeit-
phase für das Zünden des Brenners. Ist das Flammensignal zu die-
sem Zeitpunkt nicht vorhanden, dann stoppt der Automat sofort die
Brennstoffzufuhr und löst anschliessend die Störabschaltung aus.
Dieses Verhalten ist von den zuständigen Sicherheitsbehörden ein-
heitlich vorgeschrieben.
• Bei zeitgerechter Zündung kontrolliert das Flammenüberwachungs-
system anschliessend, ob die Flamme korrekt weiterbrennt d.h. ob
das Flammensignal bis zur Abschaltung des Brenners ununterbro-
chen erhalten bleibt.
• Beim Erlöschen der Flamme während des Betriebs (oder bei einem
Ausfall des Flammensignals während dieser Zeitphase) löst der Feu-
erungsautomat entweder die Störabschaltung aus, oder er versucht
einen Wiederstart. Ein Wiederstart ist aber nur bei Öl- und Gasbren-
nern mit sehr kleiner Leistung gestattet.
Es ist aber durchaus möglich, dass das elektrische Flammensignal auf
andere Weise zustande kommt als durch die Flamme, z.B. durch andere
Lichtquellen, «Fremdlicht» genannt, oder auch durch elektrische Defek-
te, die ein Flammensignal vortäuschen.
Tritt ein derart vorgetäuschtes, d.h. fehlerhaftes Flammensignal auf,
dann ist die Sicherheit des Brennerbetriebs nicht mehr gewährleistet.
Deshalb testet jeder Feuerungsautomat bei jeder Inbetriebsetzung die
Funktionstüchtigkeit seines Flammenüberwachungssystems! Dies
geschieht dadurch, dass er während der Betriebspause und / oder der
Vorspülzeit, das Nichtvorhandensein eines Flammensignals kontrolliert.
Tritt im Laufe dieser Zeitphasen ein Flammensignal auf, dann löst der
Automat sofort die Störabschaltung aus. Da die meisten Brenner im
Laufe eines Tages mehrmals in Betrieb gesetzt werden und der Auto-
mat dabei jedes Mal sein Flammenüberwachungssystem wie beschrie-
ben testet, bietet dieses Testverfahren ein hohes Mass an Sicherheit.
Ein Sonderfall sind Brenner im Dauerbetrieb, bei welchem der täglich
ein- bis mehrmals beim Brennerstart durchgeführte Eigentest aus-
bleibt. Kommt es während dem Dauerbetrieb zu einem eine Flamme
vortäuschenden Defekt, dann wird ein möglicher Flammenausfall nicht
mehr detektiert, die Störabschaltung bleibt aus und der Brennstoff tritt
unverbrannt aus. Deshalb setzt man in grösseren Anlagen, bei denen
ein Dauerbetrieb möglich ist, spezielle sich selbst überwachende Flam-
menüberwachungssysteme ein.
3.7 Das Flammenüberwachungs-
programm
50
Die Darstellung der Grundstruktur des Inbetriebsetzungsprogramms
erfolgt bewusst am Beispiel eines grösseren Brenners, um möglichst
viele jener Einflussgrössen darstellen zu können, die bei der Inbetrieb-
setzung von Brennern berücksichtigt werden müssen. Bei Feuerungs-
automaten für kleine und kleinste Brenner ist die Anzahl dieser Einfluss-
grössen natürlich weit geringer, die Programmstruktur bleibt aber die
gleiche. Die Programmstruktur kann man in folgende Phasen gliedern:
Der Feuerungsautomat befindet sich während der Pause zwischen zwei
Brennerläufen in der sogenannten «Stand-by»-Stellung, also in Warte-
position. Sein Flammen-Überwachungskreis überwacht die Anlage und
sich selbst auf das Auftreten von Fremdlicht oder anderen fehlerhaften
Flammensignalen. Im Fehlerfall erfolgt die Störabschaltung. Sein Steu-
erausgang für die Brennerluftklappe liefert ein ZU-Signal.
Die Ausgänge für bestimmte elektrische Kontroll-»Schlaufen» der Bren-
nersteuerung stehen unter Spannung. (Die Funktion solcher Schlaufen
wird im folgenden Abschnitt näher beschrieben).
Die Regeleinschaltung erfolgt vom Kesselthermostaten dann, wenn die
Kesselwassertemperatur den eingestellten Sollwert (inkl. Schaltdiffe-
renz) unterschreitet. Vorausgesetzt, dass alle Startbedingungen erfüllt
sind, erhält nun auch der Steuerteil des Automaten Spannung. Um das
kontrollieren zu können, sind die Signal- bzw. Kontrollkontakte aller zur
Wärmeerzeugungsanlage gehörenden Elemente in sogenannte Kon-
trollschlaufen des Feuerungsautomaten geschaltet (meist mehrere Sig-
nalkontakte in Serie). Alle diese Schlaufen sind derart mit der Brenner-
steuerung gekoppelt («vermascht»), dass Start und Betrieb des Bren-
ners nur erfolgen können, wenn die Schlaufen zum richtigen Zeitpunkt
und während bestimmter Programmphasen geschlossen sind. Ist das
nicht der Fall, dann löst der Feuerungsautomat die notwendigen Sicher-
heitsmassnahmen aus. Es gibt folgende Schlaufenarten:
zur Kontrolle der korrekten Ausgangsstellung bestimmter Brennerele-
mente beim Start. Diese Schlaufe ist nur wenige Augenblicke «aktiv»,
weil die in sie geschalteten Kontakte ja im weiteren Verlauf der Inbe-
triebsetzung öffnen oder umschalten müssen. Ist sie während der Kon-
trollzeit nicht geschlossen, dann unterbleibt die Inbetriebsetzung, aber
es erfolgt keine Störabschaltung!
In Schlaufe(n) mit dieser Funktion werden üblicherweise einbezogen:
• Der Endkontakt des Luftklappenstellantriebs für die ZU-Position der
Luftklappe
• Die Endkontakte für die Signalisierung der ZU-Position der
Gasventilantriebe
• Der Signalkontakt für die «Dicht» / «Undicht»-Meldung der
Dichtheitskontrolle der Gasventile
• Hilfs- bzw. Kontrollkontakte von Relais, die deren korrekte Ausgangs-
stellung beim Start anzeigen
• Der Ruhekontakt des Luftdruckwächters
3.8 Die Grundstruktur des
Inbetriebsetzungsprogramms
3.8.1 Betriebspause
3.8.2 Regeleinschaltung (Startbefehl)
a) Erste Startkontrollschlaufe
51
zur Kontrolle der betriebstechnischen Voraussetzungen für Start und
Betrieb des Brenners. Diese Schlaufe muss zum Zeitpunkt der Regel-
einschaltung geschlossen sein und bis zur Regelabschaltung geschlos-
sen bleiben, sonst wird die Inbetriebsetzung abgebrochen bzw. der
Brenner abgeschaltet. Es erfolgt jedoch keine Störabschaltung, sondern
ein automatischer Wiederstart, sobald alle Startvoraussetzungen wie-
der erfüllt sind.
In Schlaufe(n) mit dieser Kontrollfunktion werden einbezogen:
• Der Kesselthermostat (bei Dampfkesseln der Pressostat)
• Der Kesseltemperaturwächter (Der Sicherheitstemperaturbegrenzer
wird dagegen direkt in die Phasenzuleitung geschaltet)
• Der Wasserstandswächter von Dampfkesseln (Niveauwächter)
• Der Gasdruckwächter für minimalen Gasdruck (ein Brennerstart-
versuch bei nicht vorhandenem Gasdruck wäre sinnlos!)
• Der Öltemperaturregler oder -thermostat bei Ölbrennern mit
Ölvorwärmer: sowie andere Signal- oder Kontrollkontakte mit ver-
gleichbarer Funktion.
Sie werden entweder nur in gewissen Phasen des Inbetriebsetzungs-
programms vom Feuerungsautomaten überprüft oder müssen von
einem definierten Zeitpunkt an ununterbrochen bis zur Regelabschal-
tung des Brenners geschlossen bleiben. Nur in bestimmten Programm-
phasen werden z.B. die Endschalter des Luftklappenstellantriebs über-
prüft. Von einem definierten Zeitpunkt bis zur Regelabschaltung müssen
dagegen jene dieser Schlaufen geschlossen bleiben, denen eine beson-
dere sicherheitstechnische Bedeutung zukommt. In diese Schlaufe(n)
gehören z.B.: der IST-Kontakt des Luftdruckwächters. Ein ausbleibendes
oder ausfallendes Luftdrucksignal wäre gleichbedeutend mit einem
Wegfall der bei Gasbrennern besonders wichtigen Vorspülung. Und ein
nicht entdeckter Luftdruckausfall während des Brennerbetriebs würde
u.U. eine stundenlange Verrussung des Kessels bewirken!
• der Signalkontakt des Druckwächters für maximalen Gasdruck.
Würde der eingestellte maximal zulässige Gasdruck überschritten,
dann würde die dem Brenner zugeführte Gasmenge grösser. Da
aber die Luftmenge die gleiche bliebe, wäre ein Luftmangel und
damit erhöhte Schadstoff- und Russentwicklung die Folge.
• die Kontakte des Flammenrelais externer Flammenwächter. Solche
Flammenwächter überwachen die Flamme in gleicher Weise wie ein
in einen Feuerungsautomaten eingebauter Flammenüberwachungs-
kreis. Im Gegensatz zu diesem sind aber die Flammenrelaiskontakte
des Flammenwächters auf von aussen zugängliche Anschlussklem-
men geführt, so dass das Flammensignal als zum Programmwerk
der Brennersteuerung geleitet werden kann. Auch diese Signalleitun-
gen werden als Kontrollschlaufen ausgeführt, und in Grossanlagen
sind oftmals zwei oder mehrere Flammenwächter in Serie in diese
Schlaufen geschaltet, um besondere Sicherheitsanforderungen zu
erfüllen.
Ein Defekt, der das zeitlich unzulässige Öffnen oder Schliessen solcher
Sicherheitskontrollschlaufen auslöst, hat in jedem Fall eine Störabschal-
tung zur Folge!
b) Zweite Startkontrollschlaufe
c) Sicherheitskontrollschlaufen
52
Fig. 3-6 Start- und Sicherheitskontrollschlaufen
A – B Startkontrollschlaufe Kontrollschlaufen für die korrekte
gemäss 3.8.2a Positionierung einer Luftklappe. Das
C – B Startkontrollschlaufe Inbetriebsetzungsprogramm stoppt bis
gemäss 3.8.2b die Luftklappe in der richtigen Pos. ist.
D – B Sicherheitskontrollschlaufe
gemäss 3.8.2c
Sie hat die Aufgabe, den Feuerraum von einem verpuffungsfähigen
oder gar explosiven Brennstoff/Luft-Gemisch zu reinigen, das sich ev.
während der vorangegangenen Betriebspause gebildet hat. Die Ursa-
che dafür könnten undichte Gasventile sein oder auch in den heissen
Feuerraum ausgetropftes (und verdampftes) Heizöl. Gleichzeitig wird
bei dieser Vorspülung die im Schornstein evtl. stark abgekühlte und
damit «schwer» gewordene Luft in Bewegung gesetzt, so dass sich der
Druckstoss beim Zünden des Brenners weniger heftig auswirken wird.
Die Dauer der Vorspülzeit ist durch Normen festgelegt. Je nach Brenner-
typ und Einsatzgebiet liegt sie zwischen 10 und 150 Sekunden. In den
meisten Fällen beträgt sie 30 oder 60 s. Während der Vorspülzeit soll
die Luft im Feuerraum und in den Rauchgaszügen bis zum Schornstein-
anschluss etwa 3 – 5 mal gewechselt werden. Während der Dauer der
Vorspülzeit setzt der Flammenüberwachungskreis die Fremdlichtkon-
trolle fort, bei einzelnen Automaten sogar mit erhöhter Intensität und
zusätzlichen Eigentests.
Nach Ablauf der Vorspülung muss die Verbrennungsluftmenge reduziert
werden, da nun zuerst die (kleine!) Flamme des Zündbrenners ge-
zündet werden muss; das wäre im vollen Luftstrom schwierig, wenn
nicht gar unmöglich. Sobald die Luftmenge reduziert ist, schaltet der
Feuerungsautomat den Zündtransformator ein.
Diese Programmphase wird Vorzündung bzw. Vorzündzeit genannt, weil
der Zündtransformator vor der Brennstofffreigabe eingeschaltet wird.
Die Vorzündzeit ist deshalb notwendig, weil die an den Zündelektroden
anliegende Hochspannung eine gewisse Zeit braucht, um (wie der Blitz
in der Atmosphäre) die Luftmoleküle zuerst zu ionisieren, bevor der
eigentliche Zündfunken überspringen und die Funkenstrecke bilden
kann.
E A D C B
GP
W
R
LP
1
2 3
L
M
L
M
MBV1 BV2BV A Z MN
C B C
A
B63-5
3.8.3 Vorspülung
3.8.4 Vorzündung
53
Die Sicherheitszeit beginnt im Moment der Brennstofffreigabe und ist
die vom Feuerungsautomaten fest vorgegebene Zeit für das Zünden
des Brenners, bzw. die Bildung der Flamme. Bei Ablauf dieser Zeit
muss die Flammenüberwachung ein Flammensignal registrieren, sonst
wird das Brennstoffventil sofort geschlossen (in weniger als 1 s!) und
es erfolgt die Störabschaltung, je nach Automat sofort oder etwas ver-
zögert.
Selbstverständlich ist auch die Dauer der Sicherheitszeit durch Normen
und Sicherheitsvorschriften genau vorgeschrieben. Sie ist abhängig von
der Art und Gefährlichkeit des Brennstoffs und daher bei Gasbrennern
kürzer als bei den schwerer zündbaren und weniger gefährlichen
Ölbrennern. Sie hängt aber auch ab von der Brennerleistung, d.h. von
der Brennstoffmenge, die während der Sicherheitszeit ausströmt und
möglicherweise nicht gezündet wird. In diesem Sinne finden wir bei
Gasgebläsebrennern Sicherheitszeiten von 2...5 s, bei atmosphärischen
Gasbrennern 5...10 s und bei Ölbrennern, je nach Leistung, ebenfalls
5...10 s.
Da das Zünden der Flamme einen Druckstoss bewirkt hat, program-
miert der Automat erneut ein Intervall, damit sich die Flamme richtig
stabilisieren kann. Direkt anschliessend legt er den Kesseltemperatur-
regler an Spannung und übergibt diesem damit «das Kommando» für
den weiteren Verlauf des Brennerbetriebs. Mit dieser Massnahme hat
der Feuerungsautomat die Inbetriebsetzung des Brenners abgeschlos-
sen. Er überwacht jedoch weiterhin die Flamme sowie seine Kontroll-
schlaufen, damit er beim Eintreten gefährlicher Betriebszustände die
Brennstoffventile sofort schliessen, den Brenner stillsetzen und die
Störabschaltung auslösen kann. Die Zeitspanne von weniger als eine
Sekunde für das Schliessen der Brennstoffventile im Störungsfall wird
auch als «Sicherheitszeit im Betrieb» bezeichnet.
Die Regelabschaltung wird durch den Kesselthermostaten ausgelöst,
wenn die Kesseltemperatur über den eingestellten Sollwert ansteigt
und derThermostat dadurch seinen Kontakt und die Kontrollschlaufe
öffnet. Das Öffnen der Schlaufe ist zugleich das Signal für den Steuer-
teil des Feuerungsautomaten, jetzt den Brenner und auch sein Pro-
grammwerk wieder in die Ausgangsstellung für den nächsten Start
zurückzuführen. Mit der Fremdlichtkontrolle beginnt er erst dann wie-
der, wenn die Flamme mit Sicherheit erloschen ist. Das ist erst dann
der Fall, wenn die in der Rohrleitung nach den Gasventilen noch vorhan-
denen und noch unter Druck stehenden Gasreste restlos ausgeströmt
und verbrannt sind.
Dieser Programmablauf zur Inbetriebsetzung eines grösseren Gasbren-
ners gilt in seinen Grundzügen auch für einen Ölbrenner gleicher Aus-
führung. Zweistoffbrenner, d.h. Gas / Ölbrenner können daher mit dem
gleichen Feuerungsautomaten gesteuert und mit dem gleichen Flam-
menfühler überwacht werden, sofern dieser (wie z.B. der Ultraviolett-
Fühler) blaue und gelbe Flammen gleich gut detektiert. Bei Brennern
kleiner bis mittlerer Leistung weicht jedoch das Inbetriebsetzungspro-
gramm eines Ölbrenners von dem eines Gasbrenners in einigen weni-
gen Punkten markant ab.
3.8.5 Sicherheitszeit
3.8.6 Regelabschaltung
54
Bei Ölbrennern kleiner bis mittlerer Leistung werden Gebläserad und
Ölpumpe meist vom gleichen Motor angetrieben. Bei einem Defekt die-
ses Motors wird daher weder Verbrennungsluft noch Brennstoff geför-
dert; es besteht also niemals die Gefahr, dass der Kessel wegen Luft-
mangels verrusst! Wird die Ölpumpe jedoch von einem separaten
Motor angetrieben, so empfiehlt sich grundsätzlich die Luftdrucküber-
wachung, da bei einem Ventilatordefekt keine Verbrennungsluft, wohl
aber Brennstoff gefördert würde!
Bei Schwerölbrennern muss das Heizöl vorgewärmt werden, damit es
leichter pumpfähig wird und ausreichend fein zerstäubt werden kann
(Schweröl wird bei sehr niedrigen Temperaturen so dickflüssig, dass es
eine gelatineartige Konsistenz annimmt!). Auch bei Leichtölbrennern
mit sehr kleiner Leistung muss das schon leichtflüssige Heizöl noch
zusätzlich vorgewärmt werden, da die kleine Brennerleistung (z.B. 1,5 kg
Öldurchsatz pro Stunde) eine sehr feine Bohrung der Zerstäubungsdüse
und eine dementsprechend angepasste Viskosität des Heizöls voraus-
setzt.
Die ausreichende Ölvorwärmung wird bei diesen Brennern meist nur
beim Start kontrolliert. Nach der Zündung des Brenners reicht in vielen
Fällen die Strahlungswärme der Flamme aus, um die kleine Ölmenge in
Düse und Düsenstock fortlaufend genügend vorzuwärmen. Bei Schwer-
ölbrennern muss dagegen die ausreichende Öltemperatur vom Start
bis zur Regelabschaltung kontrolliert werden. Zur Kontrolle der Ölvor-
wärmung wird der Kontakt des Öltemperaturwächters in die entspre-
chende Start- bzw. Betriebskontrollschlaufe des Feuerungsautomaten
einbezogen.
Für alle Ölbrenner, deren Ölpumpe vom Ventilatormotor angetrieben
wird, ist das Steuerprogramm des Feuerungsautomaten so ausgelegt,
dass der Zündtransformator zugleich mit dem Ventilatormotor einge-
schaltet wird. Diese lange Vorzündung dient indirekt zur Kontrolle der
Dichtheit der Ölventile: Falls das Ölventil undicht ist, wird bereits wäh-
rend der Vorspülzeit mehr oder weniger Heizöl im Feuerraum zerstäubt.
Weil der Zündfunke bereits vorhanden ist, zündet er das fehlerhaft aus-
tretende Heizöl und die vorzeitig gebildete Flamme wird vom Flammen-
überwachungskreis des Feuerungsautomaten als «Fremdlicht» detek-
tiert was ihn zu einer Störabschaltung veranlasst.
Bei Gasbrennern ist die lange Vorzündung nicht zulässig, weil bei evtl.
Undichtheiten in der Gaszufuhr ein explosionsfähiges Gas-Luftgemisch
im Feuerraum vorhanden sein könnte, das in der Vorspülungsphase aus-
geblasen werden muss. Die Vorzündung erfolgt deshalb erst kurz vor
Beginn der Sicherheitszeit, bzw. vor dem Öffnen des Brennstoffventils.
3.9 Besonderheiten bei der Steuerung
von Gebläsebrennern kleiner
bis mittlerer Leistung
3.9.1 Der Luftdruckwächter kann
vielfach entfallen
3.9.2 Kontrollierte Ölvorwärmung
3.9.3 Lange Vorzündung
55
Da bei Ölbrennern das Heizöl erst sieden und verdampfen muss, bevor
es mit dem Luftsauerstoff reagieren kann, zündet ein Ölbrenner im
allgemeinen weniger leicht als ein Gasbrenner. Aus diesem Grunde
unterstützt man das Zünden des Ölbrenners vielfach durch eine Nach-
zündung, d.h. der Zündtransformator wird nicht gleich beim ersten
Erscheinen der Flamme oder bei Ablauf der Sicherheitszeit ausgeschal-
tet, sondern er bleibt noch während einer definierten Zeitspanne weiter
in Betrieb.
Andere Automaten unterstützen die Flammenstabilisierung durch die
sogenannte Wiederzündung. Diese Automaten schalten beim Eintref-
fen des Flammensignals den Zündtransformator zwar aus, auch dann,
wenn die Sicherheitszeit noch nicht abgelaufen ist; sie schalten ihn
jedoch sofort wieder ein, sobald die Flamme zu erlöschen droht oder
kurzzeitig sogar ganz ausfällt. Diese Wiederzündversuche dürfen aber
insgesamt niemals länger dauern als die für den betreffenden Brenner
zulässige Sicherheitszeit.
Fig. 3-7 Inbetriebsetzungsprogramme für Öl- oder Gasbrenner
Links: Ölbrennersteuerprogramm Rechts: Gasbrennersteuerprogramm
mit langer Vorzündung t3» mit kurzer Vorzündung t3;
und Nachzündung t3n ohne Nachzündung
Bei Gasgebläsebrennern löst der Feuerungsautomat bei einem Flam-
menausfall während des Betriebs grundsätzlich die Störabschaltung
aus, um jedes Gefahrenmoment auszuschalten. Eine Ausnahme
machen hier nur Brenner mit sehr kleiner Leistung.
Bei den weniger gefährlichen Ölbrennern, bei denen z.B. schon eine
kleinere Luftblase in der Ölzuleitung einen Flammenausfall bewirken
kann, ist dagegen auch die sogenannte Startrepetition zulässig: Beim
Abfall des Flammenrelais während des Betriebs schliesst der Feue-
rungsautomat sofort die Ölventile, lässt seinen Programmgeber in die
Startstellung laufen (bei kleineren Automaten befindet er sich bereits in
dieser Stellung) und versucht gleich anschliessend, den Brenner wieder
programmgerecht in Betrieb zu setzen. Entsteht die perfekte Flamme
im Laufe der Sicherheitszeit nicht, dann besteht offenbar ein schwer-
wiegender Defekt, und der Feuerungsautomat löst endgültig die Störab-
schaltung aus.
t7 t1
t3
t2
t4
t11 t12 t5
t13
t7 t1 t6
t3 t3n
t3" t2
t4
t5t16
t11 t12 t13
T/pR
G1G2
Z
BV1
LR
LK
BV2
FS
100%
min..0.....
A B C D A B C D
t6
B63-6
M
R
M
3.9.4 Nachzündung / Wiederzündung
3.9.5 Startrepetition oder
Störabschaltung bei Flammenausfall
56
Bei der Steuerung und Überwachung atmosphärischer Gasbrenner ent-
fällt die Vorspülung und alle Kontrollmassnahmen, die mit ihr verbunden
sind. Die Inbetriebsetzung des Brenners beginnt jedoch nicht mit der
kurzen Vorzündung, sondern mit einer Wartezeit. Für die Inbetriebset-
zung ist sie ohne Bedeutung, aber wichtig im Störungsfall. Zündet z.B.
der Brenner nicht und kommt es im Laufe der Störungsbehebung
immer wieder zur Störabschaltung, dann muss der Feuerungsautomat
jedes Mal zuerst entriegelt werden, bevor er den nächsten Inbetriebset-
zungsversuch vornehmen kann. Würde nun die Inbetriebsetzung nicht
mit einer Wartezeit beginnen, gleich mit Vorzündung und Gasfreigabe,
dann käme es schnell zu gefährlichen Gasansammlungen, weil unter
Umständen mehr Gas freigegeben wird, als der natürliche Zug aus der
Brennkammer abführt. Die Wartezeit verhindert also eine zu schnelle
Aufeinanderfolge vergeblicher Inbetriebsetzungsversuche und dadurch
gefahrbringende Gasansammlungen im näheren Umkreis des Bren-
ners.
Für grosse atmosphärische Gasbrenner braucht man spezielle Varian-
ten, weil hier gewisse Modifikationen des Programms erforderlich sind.
Das sind z.B. längere Sicherheitszeiten oder auch spezielle Steuerpro-
gramme für Luftklappen, die die Menge der vom Brenner «angesaug-
ten» Sekundärluft auf das notwendige Minimum begrenzen (Verhinde-
rung von Wärmeverlusten!).
Fig. 3-8 Steuerprogramm für einen atmosphärischen Gasbrenner mit Wartezeit «tw»
12
7
4
11
5
1
t5
t4
t2
t3
twA B B’ C D
GPR/W
Z
BV1
ZV1
BV2
FS
B63-7
3.9.6 Besonderheiten bei der Steuerung
und Überwachung atmosphärischer
Gasbrenner
57
Bei einer Verbrennung (Oxydation) verbinden sich die Brennstoffmole-
küle mit Sauerstoff. Eine sogenannte stöchiometrische Verbrennung
wäre dann erreicht, wenn sich jedes Brennstoffmolekül mit einem Sau-
erstoffmolekül O2 verbinden würde und danach kein Sauerstoffmolekül
im Abgas mehr vorhanden wäre. Die Kennzahl für das Brennstoff/Luft-
verhältnis wird mit dem griechischen Kleinbuchstaben λ bezeichnet.
Eine ideale Verbrennung bei genau stöchiometrischem Brennstoff/Luft-
verhältnis λ = 1 bzw. Restsauerstoff im Abgas = 0 lässt sich bei natür-
lichen Brennstoffen wie Öl oder Erdgas wegen vorzeitiger Kohlenmono-
xyd- (CO) und Russbildung nicht erreichen (Fig. 3-9).
Bei Luftmangel (λ < 1) verbrennt der Brennstoff unvollständig. Dadurch
wird der Wirkungsgrad schlechter und die Russ- und Schadstoffanteile,
insbesondere das hochgiftige Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte
Kohlenwasserstoffe (CH) im Abgas steigen mit abnehmender λ-Zahl
sehr stark an.
Fig. 3-9 Schadstoffbildung und Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Brennstoff-/
Luftverhältnis
O2 Sauerstoff-Restgehalt
CO Kohlenmonoxyd-Gehalt
CH unverbrannte Kohlenwasserstoffe
η Wirkungsgrad der Verbrennung
λ Luftzahl (Brennstoff-/Luftverhältnis)
Die höchsten Wirkungsgrade und gleichzeitig niedrigsten Schadstoff-
konzentrationen werden bei kleinem Luftüberschuss
d.h. λopt. = 1.03....1.3 erreicht. (vgl. Diagramm)
Weil der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft von deren Dichte, und
diese wiederum von der Lufttemperatur abhängt, ändert sich dieser im
Verlaufe einer Heizperiode ständig mit der Aussentemperatur. Um den
Betrieb bei Luftmangel, auch bei ungünstigen Witterungsverhältnissen,
zu vermeiden, werden ungeregelte Feuerungen meist mit wesentlich
höherem Luftüberschuss betrieben als λopt.. Dadurch wird der feue-
rungstechnische Wirkungsgrad entsprechend stark vermindert. Je grös-
ser also die Brennerleistung, umso mehr lohnt sich die Investition für
eine λ-Regelung.
Ruß, CO, CH-BildungAbgaswärme-verluste
Rußgrenze
CO
CO CH
CH
O2
η O2
λ < 1 1,030,6
1,34,5 10,5 O2 %
2λ
B63-8
η
λopt.
3.10 Die stetige Regelung
des Restsauerstoffgehalts im Abgas
(λ-Regelung)
58
Während früher eine Rauchgasanalyse labormässig ca. 1 Stunde bean-
spruchte, wurde es mit der Zirkoniumdioxyd- (ZrO2) Sonde, in Verbin-
dung mit elektronischer Signalverstärkung, möglich, den Restsauer-
stoffgehalt im Abgas kontinuierlich zu messen und diesen Messwert
am Eingang eines stetigen Reglers mit dem eingestellten λopt.-Sollwert
zu vergleichen. Steht eine Abweichung an, korrigiert der Regler diese
durch Verstellen des Brennstoff-/Luftverhältnisses.
Ist die Anlage mit stufenweise oder stufenlos steuerbaren Brennern
ausgerüstet, dann muss der Sollwert des Restsauerstoffgehalts im
Abgas geführt werden. Grund hierfür ist, dass ein Brenner im Kleinlast-
bereich einen grösseren Luftüberschuss benötigt als bei Vollast, damit
ihm mehr kinetische Energie für den Mischprozess von Luft und Brenn-
stoff zur Verfügung steht. Der Sollwert des Restsauerstoffgehalts muss
also in Funktion der Brennerleistung geführt werden. Da für den Gas-
betrieb andere Verbrennungsluftmengen erforderlich sind als für den
Ölbetrieb, müssen Anlagen mit Zweistoff-Gas / Ölbrennern auch mit
zwei Führungsgebern ausgerüstet sein.
Die Digitaltechnik erlaubt auch auf diesem Gebiet «intelligente»
Lösungen.
Fig. 3-10 Sauerstoffühler zur Messung des Restsauerstoffgehalts in Abgasen von
Erdgas- und Leichtölfeuerungen (zusammen mit zugehörigem Steuergerät)
Funktionsprinzip
59
Bei der Raumtemperatur-Regelung unterscheidet man zwischen der
Einzelraum-Regelung in grossen Gebäuden (Bürogebäude, Hotels etc.),
die in Abschnitt 4.3 behandelt wird, und der Raumtemperatur-Regelung
in kleineren Gebäuden, wo die Wärmeabgabe an das ganze Gebäude
aufgrund derTemperatur in einem repräsentativen Wohnraum, dem
sogenannten Referenzraum geregelt wird. Solange das Temperatur-
verhalten des Referenzraumes und der Mehrzahl der übrigen Räume
einigermassen übereinstimmt, ist diese Regelungsart akzeptierbar.
Ausserdem ist sie überall dort sinnvoll, wo die Temperatur eines relativ
grossen Hauptraumes, nebst untergeordneten Nebenräumen, geregelt
werden muss. Dieses Prinzip der Raumtemperaturregelung wird z.B.
in Einfamilienhäusern, Läden, Restaurants,Turnhallen, Kinosälen usw.
angewendet.
Temperaturstörungen, die im Raum auftreten, werden vom Raumfühler
direkt erfasst und ausgeregelt.
Da ein Absinken der Heizkreistemperatur (z.B. während der Boiler-
Ladung) erst stark verzögert die Raumtemperatur beeinflusst, wird
auch die Störung erst dann ausgeregelt. Bis also der Fühler die Raum-
temperatur-Änderung erfassen kann, ist deren Ursache meist schon
wieder verschwunden. Das Stellglied wird dann aber fälschlicherweise
viel zu stark geöffnet, was zum Überschwingen der Raumtemperatur
führen kann.
Raumtemperatur-Regler sind entweder umschaltbar, oder in den beiden
Varianten, entweder als Zweipunktregler zur direkten Brennersteue-
rung, oder als Dreipunktregler zur quasistetigen Steuerung eines Misch-
Stellorgans erhältlich. Die gebräuchlichen Regelkonzepte sind:
• Raumtemperatur-Zweipunktregelung auf Brenner wirkend
• Stetige Raumtemperatur-Regelung auf Mischer wirkend
• Raumtemperatur-/Vorlauftemperatur-Kaskadenregelung
4.1 Raumtemperatur-Regelung
4.1.1 Allgemeines zur
Raumtemperatur-Regelung
Vorteil
Nachteil
4. Regeln und Steuern der Wärmeabgabe und Fernwärmeübergabe
60
Bei dieser Regelungsart (Fig. 4-1) schaltet der Raumthermostat (Zwei-
punktregler), bei Unterschreiten des Raumtemperatur-Sollwertes, direkt
den Brenner des Heizkessels ein. Die Kesselwassertemperatur und
damit auch die Vorlauftemperatur steigt, die Heizkörper werden wärmer
und die Raumtemperatur übersteigt schliesslich den Sollwert, so dass
der Regler den Brenner wieder ausschaltet. Durch die Trägheit der
Raumtemperatur-Regelstrecke führt diese Art der Regelung zu einer
Dauerschwingung der Regelgrösse, deren Schwankungsbreite umso
grösser wird, je grösser der Raum ist.
Fig. 4-1 Raumtemperaturregelung direkt auf Brenner wirkend
1 Raumthermostat
2 Gasventil
3 Heizkessel mit atmosphärischem Gasbrenner
4 Sicherheitstemperaturbegrenzer
Eine regeltechnische Verbesserung ist mit einer sogenannten «ther-
mischen Rückführung» möglich – erklärt am Beispiel eines Zweipunkt-
reglers mit Bimetallfühler.
Fig. 4-2 Zweipunktregler mit Rückführung
1 Bimetall-Fühler
2 Sollwert-Einstellmöglichkeit
3 Heizwiderstand
4 Schnappmagnet (für präzises Schalten)
20°C 21°C 19°C
N S
1 3
2
4
N
Ph
5
1
wϑR
4
2
3
B6
4-1
1
4.1.2 Raumtemperaturregelung
direkt auf Brenner wirkend
Thermische Rückführung
61
Schaltet der Bimetall-Fühler (1) den Brenner ein, wird gleichzeitig auch
eine kleine Heizwicklung (3) im Gehäuse des Raumthermostaten zuge-
schaltet. Diese erwärmt sich und täuscht dem Fühler ein rasches
Ansteigen der Raumtemperatur vor. Dadurch schaltet er den Brenner
frühzeitig wieder aus. Liegt die Raumtemperatur aber noch unter dem
Sollwert, kühlt sich die Heizwicklung schnell wieder ab und der Brenner
wird wieder eingeschaltet.
Durch diese thermische Rückführung wird also die Schaltfrequenz
stark erhöht. Die durch das Ein-/Ausschalten des Brenners erzeugten
Schwankungen der Vorlauftemperatur werden auf ein Minimum redu-
ziert und anschliessend durch die Trägheit des Raumes geglättet. So
wird eine Raumtemperaturregelung innerhalb einem Toleranzbereich
von ca. 1 K möglich.
Die hohe Schaltfrequenz eignet sich jedoch nicht für Gebläsebrenner,
bei denen ja jeder Brennerstart mit Verlusten behaftet ist, sondern vor
allem für atmosphärische Gasbrenner. Ausserdem kann sich der Kessel
im ausgeschalteten Zustand unter den Abgastaupunkt abkühlen. Diese
Regelungsart eignet sich also nur für Kessel deren Konstruktion bzw.
Material für den Niedertemperatur-Betrieb geeignet ist.
Die untenstehende Grafik zeigt den Regelverlauf eines Zweipunktreg-
lers mit Rückführung am Beispiel einer Mehrspeicher-Regelstrecke.
Fig. 4-3 Zweipunktregler mit Rückführung an Mehrspeicher-Regelstrecke
a) Verlauf der Regelgrösse x (Raumtemperatur) bei einem Aufheizvorgang
b) Verlauf der Rückführgrösse xr (Zusatztemperatur durch den
Rückführwiderstand)
c) Ausgangs-Stellimpuls (y)
0
y
t
t
x
SD
t
xr
Xrh
Xrh
w eb
xr
xr
Yh
Xrh
x + xr
Tr
Tt T
Raumtemperatur x
Aufheizkurve
a)
b)
c)
Ein
Aus
AusEin
Regelverlauf eines Zweipunktreglers
mit Rückführung
62
Durch den Einbau einer thermischen Rückführung ergeben sich bei-
spielsweise für eine Raumtemperaturregelung – die auf eine Heizgrup-
penpumpe wirkt – folgende Veränderungen:
Diese Raumthermostaten benötigen keine thermische Rückführung, da
sie eine kleine Schaltdifferenz haben (< 1 K). Die kleine Schaltdifferenz
führt aber – wie bei Raumthermostaten mit thermischer Rückführung –
zu einer Reduktion der Schaltzyklusdauer und damit zu häufigerem
Ein-/Ausschalten.
Fig. 4-4 Raumthermostat mit Sollwertwahlknopf und Ein/Ausschalter (mit Gasmembra-
ne als Fühlerelement)
ohne thermische mit thermischer
Rückführung Rückführung
Schwankungsbreite
der Regelgrösse 3.6 K 0.8 K
Schaltzyklusdauer 34 min 8 min
Raumthermostaten
mit Gasmembrane
63
Diese Regelungsart (Fig. 4-5) ermöglicht, den Kessel mit einer konstan-
ten Kesseltemperatur zu betreiben, die oberhalb dem Abgastaupunkt
gehalten werden kann. Die Verbraucher-Vorlauftemperatur kann dann
durch Beimischen von kaltem Rücklaufwasser auf den erforderlichen
Wert reduziert werden. Regeltechnisch gesehen ist diese Raumtempe-
ratur-Regelungsart bezüglich Störverhalten kaum besser als die unter
4.1.1 beschriebene direkte Brennersteuerung.
Fig. 4-5 Raumtemperaturregelung direkt auf Mischer wirkend
1 Raumtemperaturregler (z.B. CHRONOGYR REV...)
2 Misch-Stellgerät
3 Heizkessel mit Gebläsebrenner
4 Sicherheitstemperaturbegrenzer
5 Regelthermostat
Bei der Raumtemperatur-Regelung handelt es sich um eine sehr träge
Regelstrecke. Stellt der Regler eine Abweichung der Raumtemperatur
vom eingestellten Sollwert fest, gibt er einen entsprechenden Stellbe-
fehl an das Mischventil. Je nachdem öffnet oder schliesst der Stellan-
trieb das Mischventil ganz, bevor der Raumtemperatur-Fühler die Wir-
kung dieses Stelleingriffs erfassen kann. Das Resultat ist ein dauerndes
Über- und Unterschwingen der Raumtemperatur.
1
wϑR
B64
-2
24 5
3
4.1.3 Stetige Raumtemperatur-Regelung
auf Mischer wirkend
64
Bei dieser Regelungsart (Fig. 4-6) wird die Raumtemperatur-Regelung
in zwei Regelkreise aufgeteilt, nämlich in einen trägen Raumtempera-
tur-Regelkreis und einen schnellen Vorlauftemperatur-Regelkreis. Der
Hauptregler (P-Verhalten) wird an die Raumtemperatur-Strecke ange-
passt und der Hilfsregler (PI-Verhalten) an die Vorlauftemperatur-Regel-
strecke. Dabei erfasst der Hauptregler die Raumtemperatur-Regelab-
weichung und bildet daraus die Führungsgrösse für die Vorlauftempera-
tur-Regelung. Der Hilfsregler regelt die Vorlauftemperatur auf den vom
Raumtemperaturregler vorgegebenen Wert. In der Praxis sind beide
Regler meistens in einem einzigen Gerät zusammengefasst.
Fig. 4-6 Raum- /Vorlauftemperatur-Kaskadenregelung
1 Raumtemperatur-Regler (Fühler z.B. in Raumgerät QAW 70, rechts;
Führungsregler-Funktionen teilweise in Folgeregler (6) eingebaut)
2 Misch-Stellgerät
3 Heizkessel mit Gebläsebrenner
4 Sicherheitstemperaturbegrenzer
5 Regelthermostat
6 Vorlauftemperatur-Regler (Folgeregler z.B. SIGMAGYR RVP 200, rechts)
7 Vorlauftemperatur-Fühler
Bei der Kaskadenregelung wird somit die Vorlauftemperatur zur Stell-
grösse der Raumtemperatur-Regelung. Der Raumfühler misst die
Raumtemperatur und vergleicht sie mit dem Raumtemperatur-Sollwert.
Besteht keine Abweichung, wird die Vorlauftemperatur auf einen vorge-
gebenen Sollwert von z.B. 40 °C geregelt. Bei einer Abweichung wird
aber der Vorlauftemperatur-Sollwert verändert, d.h. eine um 1 K zu tiefe
Raumtemperatur bewirkt einen um z.B. 20 K höheren Vorlauftempera-
tur-Sollwert. Dieser Übertragungsbeiwert (Steilheit S) ist einstellbar. Er
muss möglichst gross gewählt werden, weil sonst die bleibende Regel-
abweichung entsprechend gross wird. Der Hilfsregler verstellt nun das
Stellglied so lange, bis die vom Vorlauffühler gemessene Temperatur mit
dem neuen Sollwert übereinstimmt. Bei der Kaskadenregelung werden
Störgrössen in der Vorlauf- und Raumtemperatur-Regelstrecke erfasst
und ausgeregelt.
1
w1
B64
-3
24 5
3
w2
67
ϑ1
ϑ2
4.1.4 Raum-/Vorlauftemperatur-
Kaskadenregelung
65
Der Raumtemperatur-Sollwert w1 ist auf 20 °C und der zugehörige
Vorlauftemperatur-Sollwert w2 auf 40 °C eingestellt (= Offset der Raum-
temperaturregelung). Die statische Kennlinie des Raumtemperatur-
Führungsreglers (Fig. 4-7) zeigt für abweichende Raumtemperaturen die
entsprechenden Vorlauftemperatur-Sollwerte (w2), bei einer Kaskaden-
Steilheit S von 20. Die Kaskaden-Steilheit S entspricht dem Übertra-
gungsbeiwert des Reglers KP (oft auch Reglerverstärkung genannt) und
ergibt bei 1 K Raumtemperaturdifferenz eine Vorlauftemperatur-Soll-
wertänderung Δw2 von 20 K.
Fig. 4-7 Statische Kennlinie eines Raumtemperatur-Kaskaden-Führungsreglers
�1 Raumtemperatur
w1 Raumtemperatur-Sollwert
w2 Vorlauftemperatur-Sollwert
S Kaskaden-Steilheit (Übertragungsbeiwert des Reglers KP)
Übertragungsbeiwert des Reglers KP =
Kaskaden-Steilheit S = =Δw2
=40 K
= - 20Δ�1 – 2K
Im vorliegenden Beispiel ergibt sich bei einem Vorlauftemperatur-Stell-
bereich Δw2 von 40 K (20...60 °C) für den Raumtemperatur-Regler ein
Proportionalband XP von 2 K und eine maximale bleibende Regeldiffe-
renz e (w-x) von –1 K bzw. +1 K.
°C90
80
70
60
50
40
30
20
10
17 18 19 21 22 23 °C
ϑ 1
Xp = 2 K
Δϑ 1
1
20
S
Δw
2
B64-4
2 w
Beispiel einer Reglereinstellung
66
Bei der aussentemperaturgeführten Vorlauftemperaturregelung (Fig.
4-8) handelt es sich um eine Vorlauftemperatur-Regelung (schnelle
Regelstrecke) und eine Raumtemperatur-Steuerung. Sie erfordert einen
Aussentemperaturfühler (8) und einen Vorlauftemperaturfühler (7). Der
Zusammenhang zwischen der Aussentemperatur und der Raumtempe-
ratur wird durch die Heizkennlinie (6) dargestellt und daraus ergibt sich
der Sollwert für den Vorlauftemperatur-Regler (1). Je tiefer die Aussen-
temperatur ist, desto höher muss die Vorlauftemperatur sein, um die
gewünschte Raumtemperatur sicherzustellen. Welche Vorlauftempera-
tur bei welcher Aussentemperatur notwendig ist, wird durch die Art der
Wärmeabgabe (Radiatorenheizung, Fussbodenheizung), die Wärme-
dämmung der Gebäudehülle und den Standort des Gebäudes (Sonnen-
und Windeinflüsse) beeinflusst und durch den Anfangspunkt und die
Steilheit der Heizkennlinie definiert (vgl. auch Fig. 4-9 und Fig. 4-10).
Bei einfacheren Reglern kann nur die Steilheit der Heizkennlinie einge-
stellt werden.
Fig. 4-8 Aussentemperaturgeführte Aussentemperaturgeführte
Vorlauftemperaturregelung Heizgruppe(n)
1 Vorlauftemperatur-Regler
2 Misch-Stellgerät
3 Heizkessel mit Gebläsebrenner
4 Sicherheitstemperaturbegrenzer
5 Kesseltemperatur-Regelthermostat
6 Vorlauftemperatur-Sollwertgeber (Heizkennlinie)
7 Vorlauftemperatur-Fühler
8 Aussentemperatur-Fühler
9 Thermostatisches Heizkörperventil
10 Umwälzpumpe Heizgruppe
B64
-5
24 5
3
8
9
6 w2
17
10
7
2
10
4.2 Aussentemperatur- oder witterungs-
geführte Vorlauftemperaturregelung
67
Besonders bei Gebäuden mit guter Wärmedämmung sinkt der Einfluss
einer Aussentemperaturänderung auf die Raumtemperatur, während
der Einfluss der Störgrössen wie Sonneneinstrahlung, Wind und Fremd-
wärmequellen zunimmt. Die nur aussentemperaturgeführte Vorlauf-
temperaturregelung kann dadurch verbessert werden, dass man Wind-
und / oder Sonneneinflüsse mit zusätzlichen Aussenfühlern erfasst und
damit die Grundeinstellung der Heizkennlinie korrigiert. In diesem Falle
spricht man von einer «witterungsgeführten» Vorlauftemperaturrege-
lung.
Änderungen der Kesselwassertemperatur werden vom Vorlauftempera-
turfühler schnell erfasst und ausgeregelt.
Störungen, die im Raum auftreten (innere Wärmegewinne), können
nicht erfasst und daher auch nicht ausgeregelt werden.
Fig. 4-9 zeigt die grafische Darstellung mathematisch berechneter Heiz-
kennlinien, im üblichen Steilheitsbereich von 0,25 bis 4,0. Weil die Heiz-
kennlinien nicht linear sind, weisen sie an jedem Punkt eine andere
Steilheit auf. Um dennoch eine definierte Steilheit zuordnen zu können
hat man für die Aussentemperatur Δ�A zwischen +20 °C und 0 °C
einen linearen Raster festgelegt der anzeigt, um wie viele K sich der
Vorlauftemperatur-Sollwert ändert, wenn sich die Aussentemperatur um
Δ�A = 20 K ändert.
Bei älteren digitalen Heizungsreglern sind die Einstellwerte oft um den
Faktor 10 erhöht, weil auf dem Display nur eine Dezimalstelle nach dem
Komma zu Verfügung stand. Die Steilheiten von 0,25 bis 4,0 konnten so
mit Einstellwerten zwischen 2,5 und 40 programmiert werden.
Fig. 4-9 Grafische Darstellung der Heizkennlinien im Steilheitsbereich von 0,25 bis 4,0
Da sich die Transmissionsverluste von Gebäuden proportional zur Diffe-
renz zwischen Raum- und Aussentemperatur erhöhen, die Wärmeleis-
tung der Heizkörper hingegen bei zunehmender Differenz zwischen
mittlerer Heizkörper- und Raumtemperatur stärker ansteigt, verläuft die
Heizkennlinie mit sinkender Aussentemperatur flacher.
2.52.753 2.25
20 10 −100 −20 −30 °C
3.5
2
1.75
1.5
1.25
1
0.75
0.5
0.25
°C
100
90
80
70
60
50
40
30
ΔϑA = 20 K B64-6
4
Witterungsgeführte
Vorlauftemperaturregelung
Vorteil
Nachteil
Heizkennlinie nicht linear
68
Die Heizkennlinie kann aber trotzdem als Gerade dargestellt werden,
wenn für die Aussentemperatur eine logarithmische Skaleneinteilung
(Fig. 4-10) gewählt und dadurch die Krümmung optisch linearisiert wird.
Fig. 4-10 Optisch linearisierte Heizkennlinie mit logarithmischer Aussentemperaturskala,
manuell einstellbar durch 2 Schiebe-Potentiometer bei +15 °C und –5 °C
Die eingestellte Heizkennlinie kann zur Korrektur derTagestemperatur
und zur Einstellung der Nachtabsenkung parallel verschoben werden.
Die Wirkung ist steilheitsunabhängig, so dass sich das Ausmass der Pa-
rallelverschiebung direkt als Raumtemperatur-Änderung auswirkt. Als
Ausgangspunkt für die Nachtabsenkung gilt die Höhe der eingestellten
Tages-Raumtemperatur. Fig. 4-11 zeigt diese Korrektur- bzw. Absenk-
möglichkeit an einem manuell einstellbaren Hardware-Regler.
Fig. 4-11 Manuelle Parallelverschiebung der Heizkennlinie mit Hilfe je eines
Potentiometers für die Raumtemperatur-Korrektur und für die Nachtabsenkung
Bei Korrekturen der Raumtemperatur am Tag und vor allem bei der
Nachtabsenkung ist zu beachten, dass die eingestellte Temperaturände-
rung erst nach einer gewissen Zeit erreicht wird. Diese Zeit ist direkt
von der Bauweise (Zeitkonstante) des Gebäudes (Wärme-Speicherver-
mögen, Wärmeschutz, Anteil der Fensterfläche usw.) abhängig.
ϑV120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
60
50
40
20
15 −5 −10
−4
−3
−2
−1
0
1
2
3
4
°C
0
−2
−4
−6
−8
°C
−10
−11
−12
ΔϑR ΔϑR
B64-8
°C 15 10 5 0 −5 −10 −15 −20 −35−25
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
B64-7
Optisch linerarisierte Heizkennlinie
4.2.1 Korrektur und Nachtabsenkung
des Raumtemperatur Sollwertes
69
Auch die Raumtemperatur kann als Einflussgrösse auf die Heizkennlinie
verwendet werden. Dazu wird die Raumtemperatur in einem Referenz-
raum gemessen. Wenn dort eine Störung auftritt (z.B. Sonneneinstrah-
lung, Änderung der Personenbelegung) wird die Heizkennlinie, entspre-
chend dem eingestellten Einfluss dieser Raumtemperatur-Abweichung,
parallel verschoben. Damit die Kompensation wirksam wird, muss der
Einfluss verhältnismässig gross sein. Weil sich aber Störgrössen, wie
Sonneneinstrahlung und innere Wärmequellen, nicht in allen Räumen
gleichmässig auswirken, muss der Führungseinfluss der Raumtempera-
tur sorgfältig überlegt werden. Wenn der Wärmegewinn individuell kom-
pensiert werden soll, empfiehlt sich der Einsatz von thermostatischen
Heizkörperventilen in allen Räumen oder der individuellen Einzelraumre-
gelung (siehe 4.3).
4.2.2 Führungseinfluss der
Raumtemperatur
70
Wie zuvor schon erwähnt, gibt es verschiedene Einflüsse, die eine Ver-
änderung der Raumtemperatur hervorrufen. Da diese störend auf den
Raumtemperaturregelkreis wirken, spricht man auch von Störeinflüs-
sen. Es sind dies hauptsächlich:
• Wärmeabgabe durch Personen
• Wärmeabgabe durch Geräte, Maschinen, Beleuchtung, ...
• äussere Einflüsse wie Sonneneinstrahlung, Wind, ...
Diesen störenden Einflüssen versucht man mit verschiedenen Arten
der Einzelraumtemperaturregelung zu begegnen.
Fig. 4-12 Übersicht verschiedener Einzelraum-Temperatur-Regelsysteme mit zentraler,
aussentemperatur- oder raumtemperaturgeführter Heizkreis-Vorregelung
1 Zentrales Heizkreis-Regel- und Steuergerät
2 Thermostatischer Heizkörperregler (auf Heizkörperventil montiert)
3 Thermostatischer Heizkörperregler mit Fernfühler
4 Heizkörperventil mit aufgebautem elektronischen Heizkörperregler
5 Heizkörperventil mit Stellantrieb und zeitprogrammierten
Raumtemperaturregler
6 Einzelraumregler mit Raumgerät (als Teil eines Gebäudeautomations-
systems) auf mehrere
Heizkörperventile mit Stellantrieb wirkend
7 Raumtemperaturfühler in Referenzraum (für Raumeinfluss)
8 Aussentemperaturfühler (evtl. auch Fühler für Sonnen- und Windeinfluss)
2
4
3
5
2
7
1
B64-9
8
6 Bus
4.3 Individuelle
Einzelraum-Temperaturregelung
71
Die witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung, in Kombination mit
thermostatischen Heizkörperreglern – die auf die einzelnen Heizkörper-
ventile montiert werden – kann bereits als einfaches Einzelraumregel-
system bezeichnet werden. Solche thermostatischen Heizkörperregler
erlauben zudem die Einstellung einer tieferen Raumtemperatur als die
durch die Heizkennlinie festgelegte (z.B. in Schlafzimmern).
Thermostatische Heizkörperregler sind P-Regler mit einer relativ gros-
sen bleibenden Regeldifferenz. Wird jedoch eine witterungsgeführte
Vorlauftemperaturregelung zur Vorregelung eingesetzt, müssen die ther-
mostatischen Heizkörperregler nur noch die Feinregelung im Raum
übernehmen. Dadurch macht sich die bleibende Regeldifferenz nur
noch beim Auftreten von Störgrössen bemerkbar.
Fig. 4-13 Thermostatische Heizkörperregler, rechts mit Fernfühler
(z.B. Siemens RT56...; RT76...)
Je nach Einbausituation kommen auch thermostatische Heizkörperreg-
ler mit Fernfühler zum Einsatz.
Fig. 4-14 Einbau eines thermostatischen Heizkörperreglers und Einbausituationen, die
einen Fernfühler erfordern
4.3.1 Thermostatische Heizkörperregler
72
Der Flüssigkeitsfühler (1) reagiert auf die Abweichungen vom einge-
stelltem Sollwert der Raumtemperatur. Bei steigender Raumtemperatur
dehnt sich die Flüssigkeit in der Metallkapsel aus und drückt den
Faltenbalg zusammen. Hierdurch wird über den Stössel (3) das Ventil
stetig geschlossen und die Wärmeabgabe des Heizkörpers reduziert.
Die Überhubvorrichtung (2) mit ihrer Feder sorgt bei geschlossenem
Ventil dafür, dass Kräfte, die durch weitere Ausdehnung des Faltenbalgs
entstehen, kompensiert werden und nicht auf den Ventilstössel weiter-
geleitet werden.
Bei sinkender Raumtemperatur dehnt sich der Faltenbalg wieder und
öffnet das Ventil. Die Wärmeabgabe des Heizkörpers wird vergrössert.
Dadurch entsteht eine stufenlose Betätigung des Heizkörperventils mit
einer feinen Regelung des Heizmittelstromes zum Heizkörper. Das
Resultat ist eine konstante Raum-temperatur nach dem gewünschten
Sollwert in den einzelnen Räumen.
Die Sollwerteinstellung erfolgt durch drehen des Kopfes des Heizkör-
perreglers. Dabei wird der Kopfteil des Heizkörperreglers (4) mehr oder
weniger in die Basishalterung (5) eingeschraubt und dadurch die Grund-
position des Ventilstössels verändert.
Fig. 4-15 Thermostatischer Heizkörperregler (Schnittbild)
1 Flüssigkeitsgefülltes Fühlerelement
2 Überhubvorrichtung (kompensiert Ausdehnung auch bei geschlossenem
Ventil)
3 Stössel für Ventilbetätigung aus Kunststoff (isoliert Ventil vom
Fühlerelement)
4 Kopfteil
5 Basishalterung
6 Anschlussverschraubung
1
2
3
4
5
6
Funktionsweise
73
Beim Einsatz von thermostatischen Heizkörperreglern dürfen vor allem
hydraulische Probleme nicht unterschätzt werden. Diese sind nur durch
eine sorgfältige Dimensionierung und einen einwandfreien hydrauli-
schen Abgleich mehr oder weniger in den Griff zu bekommen. Die
gegenseitige Beeinflussung einzelner Heizkreise unter verschiedenen
Betriebsbedingungen lässt sich dadurch aber auch nicht ganz unter-
binden.
Heizkörperventile mit integrierter Differenzdruckregelung – auch Mini-
CombiVentile (MCV) genannt – gewährleisten eine definierte Wärme-
abgabe unter allen Betriebsbedingungen. Sie können mit thermostati-
schen Heizkörperreglern oder auch mit elektrischen Antrieben bestückt
werden.
Fig. 4-16 Verlauf von Raumtemperatur, Anlagendruck und Volumenstrom mit normalen
thermostatischen Heizkörperventilen (links) und mit differenzdruckgeregeltem
Heizkörperventil MCV (rechts)
1 Regelventil 2 Differenzdruckregler
Die wichtigsten Funktionen sind:
• Regelventil für die Beeinflussung des Volumenstroms und gleich-
zeitig Druckregler für den automatischen Abgleich
• Kompensation der Differenzdruckschwankungen bei vollständiger
hydraulischer Entkopplung der Verbraucher
1 1
2
Hydraulische Probleme nicht
unterschätzen
Heizkörperventile mit integrierter
Differenzdruckregelung
(MiniCombiVentil – MCV)
74
Fig. 4-17 Differenzdruckgeregeltes Heizkörperventil (MiniCombiVentil MCV) Schnittbild
(links, mitte) und Durchgangs- und Eckventil (rechts)
1 Hubbegrenzer für Voreinstellung und Absperrfunktion
2 Stopfbüchse mit Blockierschutz
3 Komplettes Oberteil auf Kundenwunsch anpassbar
4 Ventilkegel aus Kunststoff, weichdichtend
5 Δp-Regler aus Kunststoff, hartdichtend
6 Dichtelemente
7 Membrane
8 Anschlussverschraubung separat lieferbar (nicht gezeichnet)
Heizkörperventile mit Stellantrieb (elektrisch oder thermostatisch), wel-
che von einem digitalen Raumtemperatur-Regelgerät geregelt/gesteuert
werden, erlauben eine individuelle Raum- oder Zonen-Temperaturrege-
lung mit zeitprogrammgesteuerter Umschaltung von Normal- auf Ab-
senktemperatur. Nebst einem individuellen Wochenheizprogramm und
wählbaren Temperatur-Sollwerten für den Normal- und Absenkbetrieb
sind noch weitere Zusatzfunktionen integriert, z.B.:
• PI(D)-Regelung ohne bleibende Abweichung,
• Anzeigefeld (Display) mit Zahlenwerten für den aktuellen Temperatur-
Sollwert, Balkendiagramm für das aktuelle 24-Std.-Heizprogramm
und Symbolen für Normal- und Absenkbetrieb,
• Manuelles Verändern des aktuellen Temperatur-Sollwertes
• Manuelles Umschalten zwischen Normal- und Absenkbetrieb
• Dauernd Normal- oder Absenkbetrieb
• Frostschutz
• Vorübergehendes Schliessen des Ventils bei plötzlichem Temperatur-
abfall, infolge geöffnetem Fenster (Fensterfunktion)
• Pumpen-Antiblockierprogramm während längeren Betriebsunter-
brüchen
• Handbetätigung des Ventils, z.B. durch Servicepersonal
4.3.2 Einfache Einzelraum-Temperatur-
Regelsysteme
75
Fig. 4-18 Einfache Einzelraum-Temperaturregler
Elektronischer Heizkörperregler zum direkten Aufbau auf Heizkörperventil
(z.B. Siemens REH92) Zeitprogrammierter Raumtemperaturregler (z.B. Siemens
REV32) der auf elektrische Stellantriebe wirkt (z.B. Siemens SAA..., STA...)
In Vielraumgebäuden wie Hotels oder Bürogebäuden werden digitale,
kommunikationsfähige Einzelraum-Regel- und Steuergeräte als Kompo-
nenten eines zentral geführten und überwachten Raumautomationssys-
tems eingesetzt. Dadurch erübrigen sich zeitraubende Programmier-
und Kontrollarbeiten in jedem einzelnen Raum, weil diese von einer
zentralen Automationsebene über einen Gebäudebus (z.B. LON, EIB, ...)
vorgenommen werden können.
Fig. 4-19 Einzelraumregler für Heizung und Kühldecke (z.B. Siemens Desigo RXC 10.1),
der über Bus (Kommunikationsnetzwerk LON) in ein Gebäudeautomations-
System integriert wird
Die Raumtemperaturen der einzelnen Räume werden dabei bedarfs-
geführt, d.h. nur wenn Komforttemperatur angefordert wird (z.B. durch
manuelle Betätigung einer Präsenztaste, Erfassung durch einen Prä-
senzfühler oder durch Sollwertvorgabe über die Automationsebene),
wird auch auf diese Temperatur geregelt.
3 4
1
2
w
6
4.3.3 Einzelraumregler integriert in
Gebäudeautomations-Systeme
76
Aktuelle Systeme bieten neben den Funktionen für Heizen und Kühlen
auch integrierte Funktionen zur Steuerung von Licht und Storen im
Raum.
Fig. 4-20 Aktuelle Einzeraumregelsysteme bieten integrierte Funktionen zur Regelung
von Heizung und Lüftung, aber auch zur Steuerung von Licht und Storen (z.B.
Siemens Desigo RX)
Spezielle digitale Systeme (Fig. 4-21) ermöglichen in Wohnbauten und
nicht-klimatisierten Bürogebäuden die individuelle Temperaturregelung
jedes einzelnen Raumes und erfassen gleichzeitig die verbrauchsabhän-
gigen Heizkosten je Nutzeinheit (z.B. einer Wohnung). Voraussetzung
dafür ist eine horizontale Verteilung der Heizkreise mit je einem separa-
ten Vor- und Rücklauf pro Wohnung oder Nutzeinheit. In diesen Vor- oder
Rücklauf pro Wohnung oder Nutzeinheit wird ein Wärmezähler oder ein
spezielles Stellgerät mit integrierter Durchfluss- und Temperaturdiffe-
renzmessung eingebaut. Aus diesen Messwerten wird die bezogene
Heizenergie berechnet und über einen Datenbus an die Gebäudezentra-
le übermittelt. Dort werden die Verbrauchsdaten auf einen elektroni-
schen Datenträger gespeichert und dienen anschliessend als Input für
die verbrauchsabhängige Heizkosten-Abrechnung.
Vorteile der Einzelraum-Temperaturregelung mit Messung des Energie-
verbrauchs:
• Mit dem programmierbaren Raumgerät kann die Raumtemperatur,
im Normal- und Absenkbetrieb, für jede Nutzeinheit, entsprechend
dem aktuellen Heizprogramm, genau auf die individuellen Bedürf-
nisse abgestimmt werden.
• Manuelle Betriebsarten-Umschaltung mit Hilfe der Spartaste
• Anzeige von wichtigen Informationen je Nutzeinheit, z.B. Soll- und
Istwerte der Raumtemperatur, Heizprogramm, momentaner Heiz-
wasserbezug, Zählerstand Wärmeverbrauch, Zählerstand am Stich-
tag, Fehler und Störungen
• Für jeden Raum kann – dank den Raumtemperaturreglern – ein indi-
viduellerTemperatur-Sollwert gewählt und eingehalten werden
4.3.4 Einzelraum-Regelsystem,
kombiniert mit der Messung des
Energieverbrauchs pro Nutzeinheit
Vorteile
77
Fig. 4-21 Einzelraum-Regelsystem, kombiniert mit der Messung des Energieverbrauchs
pro Nutzeinheit (z.B. Wohnung)
1 Zentrale Energieverbrauchs-Datenzentrale (Gebäudezentrale)
2 Zentrales Heizkreis-Regel- und Steuergerät
3 Wärmemess- und Regelventil
4 Digitales, programmierbares Raumgerät mit Temperaturfühler
5 Analoges Raumgerät mit Temperaturfühler
6 Raumtemperatur-Regelgerät
7 Radiatorventil-Stellantrieb
8 Kaltwasser-Zähler
9 Warmwasser-Zähler
10 Zählimpuls-Adapter
11 Gaszähler
6
7
4
10 10
9 8 11
3
6
7
59
10
3
1
2
M
B64-10
78
Bezogen auf die Gebäudezentrale ergeben sich unter anderen folgen-
den Vorteile:
• Zentrale Erfassung und Speicherung der Daten je Nutzeinheit,
z.B. Istwerte, Sollwerte, Betriebszustände, Eingriffe, Heizenergie-
verbrauch, Stichtag-Zählerstände, Störungen
• Zentrale Steuerung und Überwachung der ganzen Anlage
• Zentrale Beeinflussung der Raumtemperaturregelung in den Nutz-
einheiten, z.B. durch Minimal- und Maximalbegrenzung der Raum-
temperatur-Sollwerte oder der Komfortperioden.
• Führen des Vorlauftemperatur-Sollwertes pro Gruppenregler in
Abhängigkeit des tatsächlichen Wärmebedarfs der zugeordneten
Wohnungen (Lasteinfluss)
• Individuelle Heizkostenabrechnung je Nutzeinheit, aufgrund der tat-
sächlich verbrauchten Heizenergie. Damit wird ein wichtiger Anreiz
geschaffen, die individuelle Programmierbarkeit auch tatsächlich zu
nutzen.
Fig. 4-22 Gebäudezentrale Bodenheizungs-Wohnungsverteiler
SYNERGYR OZW30 (1) mit SYNERGYR Heizkostenverteilventil
und Heizungsregler RVL... (2) (3) und geregelten Heizkreisen
mit Antrieben (7)
Durch die Heizgrenzen-Schaltautomatik wird die Heizung während des
ganzen Jahres bedarfsabhängig ein- und ausgeschaltet, d.h. heizen so
wenig wie möglich aber doch so viel wie nötig. Sie bringt vor allem in
den Übergangsphasen zwischen kalten und warmen Jahreszeiten eine
Energieverbrauchs-Reduktion ohne Komfort-Einbusse.
Einfachere Regler berücksichtigen für die Heizgrenzen-Schaltautomatik
allein die «aktuelle» Aussentemperatur, komplexere auch eine soge-
nannte «gedämpfte» Aussentemperatur und für bestimmte Funktionen
auch eine «gemischte» Aussentemperatur.
Die «gedämpfte» Aussentemperatur ergibt sich aus derTatsache, dass
die Innentemperatur eines Gebäudes – wenn nicht geheizt wird – ge-
dämpft und verzögert dem Verlauf der Aussentemperatur folgt. Dieser
theoretische Raumtemperaturverlauf wird vom Regelsystem, aufgrund
der Gebäude-Zeitkonstante bzw. der Wärmespeicherfähigkeit des Ge-
bäudes (leichte, mittlere oder schwere Bauweise), berechnet.
Die «gemischte» Aussentemperatur ergibt sich aus der Addition des
einstellbaren, von der Gebäude-Zeitkonstanten abhängigen Anteils
«gedämpfter» plus des ergänzenden Anteils der aktuellen Aussentem-
peratur.
1
2
3
7
4.4 Heizgrenzen-Schaltautomatik
«gedämpfte» Aussentemperatur
«gemischte» Aussentemperatur
79
Die Umschaltung der Heizungsanlage von AUS auf Heizbetrieb und
umgekehrt erfolgt nicht mehr manuell durch den Benutzer, sondern sie
wird unter Berücksichtigung der Wärme-Speicherfähigkeit des Gebäu-
des, d.h. in Abhängigkeit von der «gedämpften» Aussentemperatur,
bedarfsabhängig ein- und ausgeschaltet. Die Jahres-Heizgrenze ist ein-
stellbar (z.B. 15 °C) Die Berücksichtigung der «gedämpften» Aussen-
temperatur für die sogenannte Jahres-Heizgrenzen-Schaltautomatik
bewirkt, dass die Heizung nicht eingeschaltet wird wegen einem oder
zwei kühleren Tagen. Die Jahres-Heizgrenzen-Schaltautomatik verhin-
dert somit, dass die Heizung in der Übergangszeit zu häufig ein- und
ausgeschaltet wird.
Bei komplexeren Regelsystemen ist im Heizbetrieb das Kriterium für
«Heizung Ein» und «Heizung Aus» durch die Tages-Heizgrenzen-Schalt-
automatik (Fig. 4-23) gegeben, welche die «aktuelle» und die «gemisch-
te» Aussentemperatur berücksichtigt. Die Schaltgrenzen zum Ein- und
Ausschalten der Heizung sind für den Tag- und Nachtbetrieb getrennt
einstellbar (Tages- und Nacht-Grenz-Sollwert).
Die Heizung wird eingeschaltet, wenn die «aktuelle» und die «gemisch-
te» Aussentemperatur unter den gewählten Grenz-Sollwert fürTag bzw.
Nacht absinken. Steigt aber eine der beiden Temperaturen über den
gewählten Grenz-Sollwert fürTag bzw. Nacht an, so wird die Heizung
ausgeschaltet (Pumpe aus, Stellgerät zu). Für das Ein- und Ausschalten
der Heizanlage wird also zusätzlich zur «aktuellen» Aussentemperatur
auch die Speicherfähigkeit des Gebäudes mitberücksichtigt.
Die direkte Anpassung an die Speicherfähigkeit erfolgt durch die Wahl
der Gebäude-Zeitkonstante, z.B. leichtere Bauweise 18 Std. oder mittel-
schwere Bauweise 36 Std. (siehe «gedämpfte» Aussentemperatur
unter 0) und indirekt durch die Wahl des Grenz-Sollwertes fürTag bzw.
Nacht (grössere Differenz zwischen Tag- und Nacht-Heizgrenze bei
schwererer Bauweise, kleinere Differenz bei leichterer Bauweise).
Fig. 4-23 Tages-Heizgrenzen-Schaltautomatik
�AA Aktuelle Aussentemperatur
�AM Gemischte Aussentemperatur
+4°
+25°
+20°+17°
+15°+16°
+10°
+5°
+0°
5°
−10°
24 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 h
ϑ
ϑAM
ϑAA
SD
SD
B64-11
4.4.1 Jahres-Heizgrenzen-
Schaltautomatik
(Sommer/Winter-Umschaltung)
4.4.2 Tages-Heizgrenzen-
Schaltautomatik
80
Die Optimierung verschiebt für eine gegebene Nutzungszeit die
Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Heizung zum Zwecke einer Energie-
Einsparung ohne Komfort-Einbusse.
Fig. 4-24 Optimierung der Ein- und Ausschaltzeiten
t1 Ende der Nutzungszeit (Raumtemperatur noch zulässig)
t2 Beginn der Nutzungszeit (Raumtemperatur schon genügend hoch)
t3 Umschalten auf reduzierten Betrieb (Ausschaltzeit, vor Ende der
Nutzungszeit)
t4 Start der Aufheizphase (optimierte Einschaltzeit)
t5 gewünschter Sollwert erreicht (nach Nutzungsbeginn)
t6 Start Stützbetrieb (reduzierter Sollwert einhalten, falls notwendig)
Der Regler errechnet aufgrund des vorgegebenen Heizprogramms (Nut-
zungszeiten), der Aussentemperatur, Raumtemperatur und Gebäude-
Speicherfähigkeit selbständig die idealen Zeitpunkte für den Beginn
der Aufheiz- und Absenkphase. Dadurch wird die Anlage immer so
geschaltet, dass zum gewünschten Zeitpunkt (Schaltuhr-Einstellung)
der effektive Raumlufttemperatur-Sollwert annähernd erreicht bzw.
beim Umschalten auf Absenkbetrieb noch innerhalb einer definierten
Abweichung (z.B. 1 K in Fig. 4-24) eingehalten wird.
Diese Optimierung sorgt also dafür, dass:
• das Umschalten auf reduzierten Betrieb so früh wie möglich erfolgt
• die Absenkung auf den reduzierten Raumtemperatursollwert ohne
jegliche Energiezufuhr erfolgt (Schnellabsenkung).
• die Wiederaufheizung möglichst kurz ist (Schnellaufheizung).
• die gewünschte Normal-Raumtemperatur weder zu früh noch zu
spät erreicht wird.
ϑR
WϑRWϑR
1 K
WϑR
t3 t1 t4 t2 t5 (Zeit)
t
B64-12
1 K
Nutzungszeit Nutzungszeit
t6
4.5 Optimierung der Ein- und
Ausschaltzeiten
81
Nach dem Umschalten von Tag- auf Nacht-Sollwert wird bei Anlagen mit
Raumtemperaturfühler die Heizung so lange ausgeschaltet, bis der
eingestellte Nacht-Sollwert erreicht ist. Erst dann wird auf die entspre-
chende Nachttemperatur geregelt.
Bei Anlagen ohne Raumtemperaturfühler berechnet der Regler eine
von den Gebäude-Eigenschaften abhängige Zeitdauer, während der die
Heizung abgeschaltet bleibt.
Fig. 4-25 Schnellabsenkung und Schnellaufheizung
ΔT1 Sollwertüberhöhung bei Schnellaufheizung
T2 Raum-Nennsollwert
T3 Raum-Reduziertsollwert
Nach dem Umschalten von Nacht- auf Tag-Sollwert wird die Vorlauftem-
peratur über den, der Heizkennlinie entsprechenden, Sollwert angeho-
ben, um ein rasches Erwärmen der Räume zu erreichen. Die Schnellauf-
heizung ist bei modernen Reglern selbstanpassend, d.h. ihre Wirkung
ist von der Dauer und Grösse der vorgängigen Absenkung abhängig
und kann den Gebäude-Verhältnissen angepasst werden (mit oder ohne
Raumtemperaturfühler). Sie erfolgt also ähnlich wie unter 4.5 beschrie-
ben, wobei aber der gewünschte Sollwert zu Beginn der Nutzungszeit
erreicht wird.
Die Heizkennlinie wird durch dauerndes Überprüfen von Raumluft-,
Aussenluft- und Vorlauftemperatur automatisch den Eigenschaften des
Gebäudes angepasst. Durch tägliche Mittelwertbildung der erfassten
Sollwert-Abweichungen werden kleine Kennlinien-Korrekturen vorge-
nommen, bis die Kennlinie über den gesamten Aussentemperaturbe-
reich angepasst ist. Ein Verfälschen der Anpassung durch Störgrössen
(offene Fenster, Fremdwärme usw.) wird durch spezielle Korrektur-
Begrenzungen verhindert.
ϑR Δt5
ΔT1 = 5 KT2
T3
W X
ON OFF ONB64-13
4.6 Schnellabsenkung /
Schnellaufheizung
4.7 Adaptive (selbstlernende)
Heizkennlinie
82
Der Regler steuert die Umwälzpumpe bedarfsabhängig, d.h. sie ist nur
dann eingeschaltet, wenn geheizt werden soll oder wenn der Frost-
schutz angesprochen hat.
Damit die Pumpe in einer Anlage nicht unnötig viel Wasser fördert, wer-
den sehr oft elektronisch drehzahlgeregelte Pumpen eingesetzt. Sie
passen die geförderte Wassermenge dem Lastverhalten der Anlage an,
in dem sie den Differenzdruck regeln. Dabei kommen zwei Arten der
Differenzdruckregelung zum Einsatz:
• Regelung auf konstanten Differenzdruck
• Regelung auf einen gleitenden Differenzdruck
Die nachfolgenden Ausführungen gelten für mengenvariable hydrauli-
sche Schaltungen, wie sie z.B. in einem Nahwärmeverbund mit einzel-
nen Unterstationen (vgl. 4.12.1, Seite Wärmelieferant) oder in Anlagen
mit thermostatischen Heizkörperreglern (vgl. 4.3) vorkommen. Welche
Art der Differenzdruckregelung gewählt werden soll, hängt vom Teillast-
verhalten der verschiedenen Verbraucher in einer Anlage ab.
In Anlagen mit Verbrauchern, die unterschiedliches Verhalten im Teil-lastbetrieb aufweisen, wird die Drehzahlregelung auf konstantenDifferenzdruck gewählt. Dadurch ist sichergestellt, dass keine Unter-
versorgung einzelner Verbraucher im Teillastbetrieb entstehen kann.
In Anlagen mit Verbrauchern, die gleiches Teillastverhalten aufweisen,
kann die Pumpe auf einen gleitenden Differenzdruck geregelt wer-
den, was zu höheren Energieeinsparungen führt als bei der Regelung
auf konstanten Differenzdruck.
Dazu einige Überlegungen:
Pumpen, an denn keine Drehzahländerung vorgenommen wird, haben
eine fallende Kennlinie (1 in Fig. 4-26), d.h. die Förderhöhe (Δp) sinkt
mit zunehmendem Förderstrom (V·). Wird nun durch Eingriffe von Venti-
len (z.B. thermostatische Heizkörperregler) die Anlagenkennlinie verän-
dert (z.B. von 3 nach 4), so verschiebt sich auch der Betriebspunkt der
Pumpe von A nach B. Die Leistungsaufnahme verringert sich dabei
auch entlang der Leistungsaufnahmekennlinie 5 von A nach B.
Wünschenswert wäre es allerdings, die Proportionalitätsgesetze, die für
Heizungsanlagen gelten, auszunutzen und durch Änderung der Pum-
pendrehzahl den Betriebspunkt der Anlagenkennlinie entlang nach C zu
verschieben. Dadurch ergäbe sich auch eine grössere Reduktion der
Leistungsaufnahme, nämlich von A auf der Kurve 5 nach C auf der
Kurve 6. Weiter würde dadurch auch die an den Ventilen auftretende
Druckdifferenz reduziert.
4.8 Pumpenregelung und -steuerung
4.8.1 Differenzdruckabhängige
Drehzahlregelung
83
Fig. 4-26 Änderung von Betriebspunkt und Leistungsaufnahme durch zusätzliche Wider-
stände resp. Anpassung der Pumpendrehzahl
1 Pumpenkennlinie (bei einer bestimmten Drehzahl n)
2 Pumpenkennlinie bei reduzierter Drehzahl (Teillastverhalten)
3 Anlagekennlinie im Auslegezustand
4 Anlagekennlinie verändert durch zusätzlichen Widerstand
5 Leistungsaufnahmekennlinie für Drehzahl im Auslegezustand (1)
6 Leistungsaufnahmekennlinie bei reduzierter Drehzahl (2)
A Betriebspunkt und Leistungsaufnahme der Pumpe im Auslegezustand
(Drehzahl 1)
B Betriebspunkt und Leistungsaufnahme der Pumpe durch zusätzliche
Widerstände (z.B. Ventile schliessen) bei gleichbleibender Drehzahl (1)
C Betriebspunkt und Leistungsaufnahme der Pumpe mit reduzierter
Drehzahl (2)
3
4
Δp
1
V
.
P
V
.
A
B
A
B
C
C
2
5
6
84
Dieser Grundüberlegung folgt die Regelung auf gleitenden Differenz-
druck. Der letzte Verbraucher im Netz hat im Auslegezustand einen
Differenzdruck der sichergestellt werden muss. Man spricht auch vom
Differenzdruck im «Schlechtpunkt» der Anlage. Die Drehzahlregelung
verändert nun den Differenzdruck entlang einer Geraden (Regelkenn-
linie 3 in Fig. 4-27) zwischen der Druckdifferenz im Schlechtpunkt und
der maximal notwendigen Druckdifferenz (A).
Oft erfolgt diese gleitende Drehzahlregelung zwischen der max. Förder-
höhe HS und 50 % der max. Förderhöhe HS, da sich diese Werte in der
Praxis bewährt haben und kein grosser Aufwand seitens des Heizungs-
fachmanns notwendig ist.
Für das betrachte Beispiel ergibt sich somit der Betriebspunkt D mit der
zugehörigen Leistungsaufnahme PD.
Das Verfahren weist aber den Nachteil auf, dass Verbraucher am Anfang
der Anlage im Teillastbetrieb eventuell nicht mehr mit dem für sie not-
wendigen Differenzdruck bedient werden – vor allem, wenn diese Ver-
braucher ein anderes Teillastverhalten aufweisen.
Regelung auf gleitenden
Differenzdruck
85
Fig. 4-27 Betriebspunkte und mögliche Einsparungen für drehzahlgeregelte Pumpen
1 Pumpenkennlinie (bei einer bestimmten Drehzahl n)
2 Anlagekennlinie im Auslegezustand
3 Regelkennlinie bei Regelung auf gleitende Druckdifferenz
4 Regelkennlinie bei Regelung auf konstante Druckdifferenz
A Betriebspunkt und Leistungsaufnahme PA der Pumpe im Auslegezustand
(Drehzahl 1)
B Betriebspunkt und Leistungsaufnahme PB der Pumpe durch zusätzliche
Widerstände (z.B. Ventile schliessen) bei gleichbleibender Drehzahl (1)
C Betriebspunkt und Leistungsaufnahme PC der Pumpe mit max. reduzierter
Drehzahl
D Betriebspunkt und Leistungsaufnahme PD bei gleitendem Differenzdruck
(Regelkennlinie 3)
E Betriebspunkt und Leistungsaufnahme PE bei konstantem Differenzdruck
(Regelkennlinie 4)
Um auch am ersten Verbraucher immer einen genügend hohen Diffe-
renzdruck sicherzustellen, wird auf konstante Druckdifferenz geregelt
(Regelkennlinie 4 in Fig. 4-27). Dadurch werden der Drehzahlbereich
und die möglichen Energieeinsparungen etwas eingeschränkt. Für das
Beispiel ergibt sich dann der Betriebspunkt E mit der zugehörigen Leis-
tungsaufnahme PE.
2
Δp
1
V
.
P
V
.
A
A
B
3
4
B
C
D
E
D
E
PA
PB
PE
PD
PC C
HS
50% HS
VA
.
VA
.
50 % VA
.
50 % VA
.
Regelung auf konstanten
Differenzdruck
86
Aus Fig. 4-27 ist ersichtlich, dass – je nach angewandter Drehzahlrege-
lung – die Leistungsaufnahme beachtlich reduziert werden kann (z.B.
auf 50 % bei PE oder auf 35 % bei PD – im Vergleich zu PA). Mit den
dabei angewandten Regelkennlinien kann die Leistungsaufnahme aber
nicht auf den maximal möglichen (theoretischen) Wert von ca. 20 % bei
PC reduziert werden.
Eine andere Möglichkeit, die Pumpendrehzahl den Gegebenheiten in
einer Anlage anzupassen, ist die Drehzahlregelung auf Grund der Ventil-
position der Verbraucher.
Diese Art der Drehzahlregelung ist dann sinnvoll, wenn die aktuellen
Stellpositionen der einzelnen Verbraucherventile in einem Gebäudeauto-
mations-System erfasst und ausgewertet werden können. Das Gebäu-
deautomations-System kann dann den notwendigen Sollwert für die
Drehzahlregelung vorgeben. So kann sichergestellt werden, dass das
Ventil mit dem grössten Bedarf immer möglichst weit geöffnet ist (z.B.
95 %).
Schliesst der Regler das Stellgerät bzw. schaltet er den Brenner aus, so
lässt der Regler die Pumpe noch z.B. 5 Minuten weiterlaufen. Der Pum-
pen-Nachlauf schützt dadurch den Kessel bzw. den Wärmetauscher vor
Überhitzung durch Wärmestau.
Diese Funktion schützt die ausgeschaltete Pumpe vor Festsitzen,
indem der Regler die Pumpe z.B. alle 150 Stunden für 30 Sekunden in
Betrieb nimmt (Pumpen-Kick).
Dank dieser Funktion ist die Anlage – auch bei abgeschalteter Heizung
(Protection = Betriebsbereitschaft) – vor Einfrieren geschützt. Diese
Funktion ist sehr oft zweistufig.
Sinkt in Anlagen mit Aussentemperaturfühler die aktuelle Aussentem-
peratur unter z.B. +1 °C, so schaltet die Umwälzpumpe intermittierend
ein (z.B. alle 6 Stunden während 10 Minuten) und der Regler regelt auf
eine minimale Vorlauftemperatur. Sinkt die Aussentemperatur weiter ab
auf z.B. –5 °C, wird die Umwälzpumpe dauernd eingeschaltet. Steigt
die Aussentemperatur wieder um eine Schaltdifferenz (z.B. 1 K) über
den eingestellten Grenzwert, dann schaltet die aktive Frostschutzstufe
wieder aus.
In Anlagen ohne Aussentemperaturfühler wird – sofern der Regler einen
Kessel- oder Vorlauftemperaturfühler erfordert – diese Temperatur mit
entsprechenden Schaltgrenzen (z.B. Vorlauftemperatur = 10 °C resp.
5 °C) zum Einschalten der Umwälzpumpe (intermittierend resp. dauernd
ein) herangezogen.
Der Gebäudefrostschutz schützt die Räume vor zu tiefen Temperaturen.
Er wirkt in allen Betriebsarten als Raumtemperatur-Minimalbegrenzung
und ist mit und ohne Raumgerät möglich. Bedingung dazu ist, dass die
Heizkennlinie korrekt eingestellt ist.
Fällt z.B. im Ferienbetrieb in Heizungsregelungen mit Raumgerät die
Raumtemperatur unter die eingestellte Frostschutztemperatur, so
schaltet die Heizung ein, und es wird auf den Einstellwert geregelt (z.B.
Raumtemperatur 5 °C).
In Regelungen ohne Raumgerät schaltet der Regler basierend auf der
gedämpften Aussentemperatur (z.B. < 5 °C) die Heizung ein.
Beispiel für mögliche Einsparungen
4.8.2 Drehzahlregelung nach
Ventilposition der Verbraucher
4.8.3 Pumpen-Nachlauf
4.8.4 Periodischer Pumpenlauf
4.9 Frostschutzfunktionen
4.9.1 Anlagenfrostschutz
4.9.2 Raum- oder Gebäude-Frostschutz
87
Für die Kaminfegermessungen werden vorübergehend folgende
Funktionen bewirkt:
• Die Kesselminimaltemperatur wird z.B. auf 64 °C und die Maximal-
begrenzung z.B. auf 89 °C gesetzt.
• Die Vorlauftemperatur wird z.B. auf 44 °C geregelt, falls keine
Wärmeanforderung besteht.
• Die Umwälzpumpe wird eingeschaltet.
Die Kaminfegerfunktion endet in der Regel eine Stunde nach Betäti-
gung der betreffenden Betriebsartenwahltaste oder nach Schliessen
des Gehäusedeckels des Kesselsteuer- und Regelgerätes.
Für die Betriebsart «Handbetrieb» gilt im allgemeinen:
• Bei Zweipunkt-Regelung:
Pumpe eingeschaltet, Brenner freigegeben (wird vom Kesseltem-
peraturbegrenzer überwacht). Elektrothermischer Stellantrieb span-
nungslos (geschlossen).
• Bei Dreipunktregelung:
Pumpe eingeschaltet, elektro-motorischer Stellantrieb spannungslos
(Bedienung mit Handhebel oder spez. Impulstasten am Regelgerät).
Die Kesseltemperaturregelung geschieht autonom.
Die Übergabestation ist das Bindeglied zwischen dem Nah- und Fern-
wärme-Verteilnetz und dem hausinternen Verbraucherkreis. Die geliefer-
te Wärme kann dabei entweder durch direkte (Fig. 4-28a) oder durch
indirekte Einspeisung (Fig. 4-28b) an den hausinternen Verbraucherkreis
übertragen werden.
Fig. 4-28 Schema einer Nah- / Fernwärme-Übergabestation
a) mit direkter Einspeisung
b) mit indirekter Einspeisung
A Verteilnetz-Anschluss 1 Wärmezähler (üblicherweise
B Übergabestation im Rücklauf eingebaut)
C Hausinterner Verbraucherkreis 2 Druckdifferenz-Regler
3 Sekundär-Vorlauftemperatur-Regelung
4 Wärmeübertrager
0 0 0Σ
1
23
A B C
1
2
3
4
A B C
B64-14
0 0 0Σ
4.10 Kaminfeger-Funktion
4.11 Handbetrieb der Heizungsanlage
4.12 Regelung und Steuerung der Nah-
und Fernwärme-Übergabe
4.12.1 Übergabestation
88
Fig. 4-29 Übergabestation in einem Nahwärmeverbund einer Wohnüberbauung
In jede Übergabestation gehört ein Wärmezähler, damit die gelieferte
Wärmemenge auch korrekt verrechnet werden kann. Dabei wird unter-
schieden, ob die bezogene Wärmemenge zu einem festgelegten Preis
pro kWh oder ob die gesamten Betriebskosten einer Nahwärmeversor-
gung auf die Wärmebezüger aufgeteilt werden. (Heizkosten-Abrech-
nung). Für die Verrechnungsart kWh gegen Geld sind amtlich geprüfte
und geeichte Wärmezähler vorgeschrieben, während für die Heizkosten-
Verteilung auch ungeeichte Zähler eingesetzt werden können.
Eichfähige Wärmezähler sind:
– Ultraschall-Wärmezähler
– Magnetisch-induktive Wärmezähler
– Flügelrad-Wärmezähler
Fig. 4-30 Ultraschall Wärmezähler (Siemens «ULTRAHEAT»)
Heizgruppenregler (geführt nach Aussentemperatur) Vorlauf-Temperaturfühler und Anlegethermostat (Fussbodenheizung) Gruppenpumpe Durchgangsventil und Antrieb Wärmeübertrager (isoliert)
4.12.2 Wärmezähler
89
Die Hersteller schreiben normalerweise vor, den Wärmezähler im Rück-
lauf einzubauen. Der Grund dafür ist nicht primär die tiefere Mediums-
temperatur, sondern die korrekte Berechnung des Massenstromes. Die
Durchflussmessung des Wärmezählers erfasst nur den Volumenstrom
in m3/h, während die Wärmeabgabe vom Massenstrom in kg abhängig
ist. Der Volumenstrom muss also mit der Dichte des Mediums multi-
pliziert werden und die Dichte variiert mit der Mediumstemperatur. Ist
der Wärmezähler für den Einbau im Rücklauf vorgesehen, dann ist sein
Rechenwerk so programmiert, dass es die Rücklauftemperatur zur
Berechnung der Dichte einsetzt. Wird nun der Wärmezähler im Vorlauf
eingesetzt, misst er den Volumenstrom im Vorlauf und berechnet den
Massenstrom mit der auf die Rücklauftemperatur bezogenen Dichte,
was zu einem Messfehler führt. Will man aus irgend einem Grunde den
Wärmezähler im Vorlauf einbauen, dann muss der Lieferant das Gerät
entsprechend umprogrammieren und kennzeichnen, damit bei einem
späteren Austausch auch das Ersatzgerät umprogrammiert wird.
Sinkt die Durchflussmenge durch einen Wärmezähler unter 10 % des
Nenndurchflusses, steigt der Messfehler sehr stark an. Insbesondere
bei solchen mit mechanisch bewegten Messelementen (Flügelrad)
kann bei einer bestimmten kleinen Durchflussmenge die Messung zum
Stillstand kommen. Der so nicht mehr gemessene Durchfluss wird als
«Schleichmenge» bezeichnet. Um diesen Betriebszustand zu vermei-
den, verfügen die Fernwärme-Regelsysteme über eine sogenannte
Schleichmengen-Unterdrückung, d.h. sobald die Stellgrösse des Über-
gabe-Regelventils kleiner wird als 10 % seines Stellbereiches, wird das
Ventil ganz geschlossen.
Einbau im Vor- oder Rücklauf?
Schleichmengen-Unterdrückung
90
Die Grundkennlinie eines Ventils zeigt den Volumenstrom durch das
Ventil, in Abhängigkeit vom Ventilhub, bei konstanter Druckdifferenz
über dem Ventil. Die Fernwärme-Versorgungsunternehmen sind darauf
angewiesen, den maximalen Volumenstrom-Bezug jeder Übergabesta-
tion zu kennen und auch zu begrenzen. Wird also die Druckdifferenz
über dem Ventil konstant gehalten, kann mit einer mechanischen,
elektromechanischen oder elektronischen Hubbegrenzung auch der
maximale Volumenstrom durch das Ventil begrenzt werden. Meistens
wird diese Volumenstrom-Begrenzung durch das Fernwärme-Versor-
gungsunternehmen plombiert. Durch den Ausgleich der Druckschwan-
kungen im Fernwärme-Verteilnetz wird auch die Regelbarkeit der Über-
gabestation verbessert.
Weil die Druckdifferenz-Regelung und die Sekundär-Vorlauftemperatur-
regelung (auf ein primärseitiges Regelventil wirkend) zum Standart
jeder Übergabestation gehört, bieten die Regelgeräte-Hersteller soge-
nannte «Kombiventile» (Fig. 4-31) an. Das sind Durchgangs-Regelventi-
le mit eingebautem Druckdifferenz-Regler.
Fig. 4-31 Kombiventil (Front und Ansicht auf Druckleitungen)
Fig. 4-32 Druckmessorte und Druckverhältnisse am Kombiventil
P1 = Druck vor dem Kombiventil
P2 = Druck nach dem mengenregelnden Teil des Ventils
P3 = Druck nach dem Kombiventil
Δpw = Wirkdruck über dem mengenregelnden Teil des Kombiventils
Δpr = Druckabfall über dem Differenzdruckregler
Δpges = Druckdifferenz über dem gesamten Kombiventil (Δpges = Δpw + Δpr)
Δpmax = maximal zulässige Gesamtdruckdifferenz über dem fast geschlossenen
Ventil, bei der die Kavitation weitgehend vermieden werden kann
Δpmin = minimal erforderliche Druckdifferenz über dem ganz geöffneten Ventil
bei Nennhub, damit der Differenzdruckregler noch sicher anspricht
pstat = statischer Wasserdruck in den Rohrleitungen der Anlage
� = Wassertemperatur primärseitig
M = Pumpe
P1 P2
Δpw Δp
r
P3
4374Z
06
Δp
P1
w Δp r
Δpges
P2 P3
43
74
H0
1
M
/Δ max Δ minp p( )
pstat
ϑ
4.12.3 Druckdifferenz-Regelung
91
• Sekundärseitige Vorlauftemperatur-Maximalbegrenzung bei Fern-
wärmenetzen mit höherer Vorlauftemperatur als im hausinternen
Verbraucherkreis maximal zulässig ist
• Primärseitige Rücklauftemperatur-Maximalbegrenzung (konstant
oder konstant-gleitend): Sie verhindert den unwirtschaftlichen
Wärme-Rücktransport zum Fernheizwerk.
• Rücklauftemperatur-Minimalbegrenzung: Zum Schutz der Wärme-
erzeuger.
• DRT-Begrenzung (Differenz der Rücklauf-Temperaturen):
Überschreitet in einem Fernwärmenetz z.B. im Anfahrbetrieb die
Differenz zwischen Primär- und Sekundär-Rücklauftemperatur den
eingestellten DRT-Wert (z.B. 10 K), so wird das Regelventil soweit
geschlossen und damit der Primär-Volumenstrom reduziert, bis sich
die Primär-Rücklauftemperatur auf den DRT-Wert abkühlt. Zweck und
Nutzen dieser DRT-Begrenzung wird anhand der Fig. 4-33 erklärt.
Fig. 4-33 Anwendungsbeispiel der DRT-Begrenzung
Ein Wärmeübertrager wird so dimensioniert, dass er im Volllastbetrieb
die maximal erforderliche Wärmeleistung überträgt. Im vorliegenden
Beispiel ist der Volllastbetrieb bei 120 / 70 °C auf der Primär- und bei
80 / 60 °C auf der Sekundärseite ausgelegt. Die übertragene Wärme-
leistung ergibt sich bekanntlich aus der Wärmeübertragungsfläche und
der mittleren Temperatur-Differenz zwischen dem Primär- und Sekundär-
kreislauf. Kommt nun im Anfahrbetrieb der Sekundär-Rücklauf mit 20 °C,
statt den für den Volllastbetrieb berechneten 60 °C, wird die mittlere
Temperatur-Differenz zwischen dem Primär- und Sekundärkreislauf
wesentlich grösser als beim Volllastbetrieb und damit steigt auch die
übertragene Wärmeleistung deutlich über die für den Volllastbetrieb
berechnete. Dieser Zustand kann dazu führen, dass im Anfahrbetrieb
die näher am Fernheizwerk liegenden Übergabestationen wesentlich
mehr Wärme beziehen als die maximal berechnete, während für weiter
entfernten Stationen die Wärmeversorgung in der Aufheizphase
zusammenbricht.
B64-15
4.12.4 Begrenzungs-Funktionen
92
In vielen Anlagen erfolgt die Brauchwasser-Erwärmung mit dem
gleichen Erzeuger wie er für die Raumheizung eingesetzt wird. Dabei
werden hauptsächlich zwei Haupttypen der Brauchwasserladung
eingesetzt.
• Brauchwasserladung mit innenliegendem Wärmetauscher• Brauchwasserladung mit externem Wärmetauscher
Diese beiden Haupttypen und die dazu gehörenden Arten der Brauch-
wasserladung werden ab Abschnitt 5.1 beschrieben.
Zuerst einige allgemeine Informationen zu Brauchwasserladungen.
Die Brauchwasserladung kann – je nach eingesetztem Regler oder
System – über 1 oder 2 Fühler ein-/ausgeschaltet werden, oder auch
mittels Thermostaten. Werden Fühler mit einem Regler eingesetzt, las-
sen sich die Sollwerte am Regler einstellen und der Istwert kann abge-
lesen werden. Weiter lässt sich darüber auch eine eventuelle Frost-
schutzfunktion realisieren.Thermostaten müssen vor Ort eingestellt
werden (Zugänglichkeit) und bieten keine zusätzlichen Funktionen. Die
geeignetste Lösung ist je nach Anforderungen der zu realisierenden
Anlage und den Möglichkeiten der eingesetzten Regler und Systeme zu
wählen.
Fig. 5-1 Brauchwasserladung mit Fühlern/Thermostaten zur Ein-/Ausschaltung
B1,2 = Speicher-Fühler; Sollwerte am Regler (R) einstellbar
T1,2 = Speicher-Thermostaten; Sollwerte nur direkt an den Thermostaten
(T1,2) einstellbar
Die Ladetemperatur sollte so tief wie sinnvoll gewählt werden
(z.B. 58 °C), da bei zu hohen Ladetemperaturen (über ca. 65 °C) Kalk-
und Mineralausscheidungen auftreten, welche die Wartungs- und
Unterhaltskosten sowie die Lebenszeit einer Brauchwasseranlage
ungünstig beeinflussen.
B65-1
1
2
1
2
R
Ein-/Ausschalten der
Brauchwasserladung
Ladetemperatur
5. Regeln und Steuern von Brauchwarmwasser-Anlagen
93
Die Heizgruppe für die Brauchwasser-Erwärmung wird meist separat
auf dem Hauptverteiler oder auf dem Verteiler in einer Unterstation
angesiedelt.
Fig. 5-2 Heizverteiler mit Brauchwarmwasser-Gruppe (Ventil Auf / Zu)
Wie schon in Kapitel 1 und 2 erwähnt, ist die Platzierung einer Heiz-
gruppe auf dem Verteiler vor allem im Anfahrzustand entscheidend.
Daher werden Gruppen zur Brauchwassererwärmung meistens am
Verteileranfang platziert, damit diese vom anstehenden Warmwasser
vollumfänglich Gebrauch machen können und nicht unnötige «Regler-
Aktivitäten» bei den anderen Gruppen verursachen. Weiter wird da-
durch im Sommerbetrieb während der Brauchwasserladung nicht der
ganze Verteiler erwärmt (mit entsprechender Bypass-Anordnung, vgl.
Fig. 5-2 und auch 1.7.2.1).
Bei Anlagen deren Erzeuger in Abhängigkeit der Aussentemperatur
gefahren werden (vgl. Kapitel 1), ist es notwendig, die Betriebstempe-
ratur für die Dauer der Brauchwasserladung auf den notwendigen Lade-
sollwert (z.B. 65 °C) zu erhöhen. Dabei ist gerade bei ausgedehnteren
Anlagen wie beispielsweise in einer Wohnüberbauung mit einer Heiz-
zentrale, darauf zu achten, dass:
• die Ladung eines Brauchwasserspeichers erst erfolgt, wenn am
Verteiler auch die dazu notwendige Temperatur ansteht z.B. über
einen Freigabe-Thermostat (vgl. Fig. 5-3)
• diese Umschaltung auch ausserhalb einer Zwangsladung koordiniert
erfolgt und in einem solchen Falle alle angeschlossenen Brauchwas-
serspeicher geladen werden
• der Erzeuger nach erfolgter Ladung wieder auf die witterungsge-
führte Regelung zurückgestellt wird
Wird das Brauchwarmwasser auch im Sommer mit dem Heizkessel
erzeugt, so muss unbedingt darauf geachtet werden, dass:
• der Heizkessel nur in Betrieb genommen wird, wenn der Wasserer-
wärmer Wärme verlangt � koordiniert bei mehreren Unterstationen
mit Brauchwasserladung
• die Ladepumpe erst freigegeben wird, wenn die Kesselwasser-
temperatur resp. die Temperatur am Verteiler für die Brauchwasser-
ladung genügend hoch ist, z.B. über einen Freigabethermostat
(vgl. Fig. 5-3)
B65-2
Platzierung auf Verteiler
Sollwertanpassung Erzeugerseite
Sommerbetrieb
94
Die oben angesprochenen Koordination mehrerer Unterstationen mit
Brauchwasserladung kann mit Hilfe von Regelgeräten realisiert werden,
die untereinander über ein Kommunikationsnetzwerk verbunden sind.
Oft wird diese Koordination auch mit einer entsprechenden elektrischen
Schaltung (Schliesser / Öffner) oder einem einfachen schaltenden Bus-
system (Relaisbus) realisiert.
Dabei sind folgende Funktionen zu erfüllen:
• schaltet eine Brauchwasserladung ein, werden die anderen eben-
falls zwingend eingeschaltet (z.B. Überbrücken des «Ein»-Thermos-
taten), um das zur Verfügung stehende Temperaturniveau auszu-
nutzen und zu verhindern, dass eine Brauchwasserladung nach der
anderen ein- und ausschaltet und den Erzeuger jedesmal wieder neu
auf die höhere Temperatur schaltet
• jede einzelne Brauchwasserladung schaltet individuell aus, wenn der
Brauchwasserspeicher gefüllt ist (z.B. «Aus»-Thermostat)
• die letzte Brauchwasserladung die ausschaltet veranlasst auch, dass
der Erzeuger wieder auf die normale Kesseltemperatur zurückfährt
Viele Regelgeräte verfügen über sehr komplexe Koordinations- und
Zwangsladungs-Funktionen (siehe weiter unten). Dazu sollten die ent-
sprechenden technischen Unterlagen konsultiert werden.
In den meisten Anlagen ist es sinnvoll oder notwendig (je nach
Speichervolumen), dass die Brauchwasserspeicher in vordefinierten
Intervallen (z.B. 01:00 – 04:00 Uhr) einmal oder mehrmals täglich gela-
den werden. Die Dimensionierung des Speichers sollte unter Einbezug
der Anlagebedingungen (Ladezeiten, Platzverhältnisse, geografische
Ausdehnung usw.) erfolgen.
Viele Anlagen benötigen auf der Verbraucherseite eine Zirkulationspum-
pe (siehe z.B. Fig. 5-3), damit die Zeit bis warmes Wasser an den Zapf-
stellen zur Verfügung steht, in akzeptablen Grenzen bleibt. Bei der
Durchflussregelung (externer Wärmetauscher ohne Speicher, vgl. 5.2.1)
ist der Einsatz einer Zirkulationspumpe auch aus regeltechnischen
Überlegungen sehr empfehlenswert.
Die meisten der nachfolgend besprochenen Arten der Brauchwasser-
ladung können mit einem Elektroeinsatz ergänzt werden, beispiels-
weise um ausserhalb der Heizsasion den Erzeuger ausgeschaltet zu
lassen. Der Elektroeinsatz verfügt üblicherweise über seine eigenen
Regel- und Sicherheitseinrichtungen (z.B.Thermostaten, die separat
eingestellt werden müssen).
Die Brauchwassererwärmung kann auch ausschliesslich mit einem
Elektroregister erfolgen. Viele handelsübliche Regler und Systeme bie-
ten auch Funktionen zur Steuerung dieser Art der Brauchwassererwär-
mung, welche hier aber nicht detaillierter betrachtet wird.
Koordination mehrerer
Brauchwasserladungen
Zwangsladung
Zirkulationspumpe
Elektroeinsatz
95
Oft wird die zur Erzeugung des Brauchwarmwasser notwendige Ener-
gie mit einem separaten Wärmezähler erfasst, damit diese entspre-
chend in eine Heizkostenabrechnung einfliessen kann. Dabei ist auf den
korrekten Einbauort im Verteiler zu achten.
Fig. 5-3 Brauchwasserladung mit Wärmemessung, Freigabethermostat und Zirkulations-
pumpe
WZ = Wärmezähler
T1 = Freigabethermostat für BWW-Ladung
MZ = Zirkulationspumpe
Diese Art der Brauchwasserladung wird sehr häufig angewandt, vor
allem für einzelne kleinere Brauchwasserspeicher. Sie ist sehr kosten-
günstig, da handelsübliche, vorgefertigte Brauchwasserspeicher einge-
setzt werden können.
Fig. 5-4 Brauchwasserladung mit innenliegendem Wäremtauscher
Gegen Ende des Ladevorganges steigt die Rücklauftemperatur bei die-
ser Art der Brauchwasserladung stark an (vgl. Fig. 5-6). Daher ist diese
nicht geeignet für Verteiler, die einen tiefen Rücklauf zum Erzeuger
erfordern wie z.B. kondensierende Heizkessel, Anlagen mit einem
Speicher oder Wärmepumpen-Anlagen.
Die häufigst angewandten Schaltungen bei Brauchwasserladungen mit
innenliegendem Speicher sind:
• mit Ladepumpe, ohne Vorlaufregelung
• Vorlaufregelung mit Beimischschaltung
• Umlenkschaltung
B65-3
Σ0 0 0
Σ0 0 0
Raum-
heizung
MZ
T1
WZ WZ
vonFern-leitung
Wärmemessung
5.1 Brauchwasserladung mit
innenliegendem Wärmetauscher
Geeignete Verteilerbauart
96
Die Ladung des Brauchwasserspeichers erfolgt durch Steuern der Lade-
pumpe. Erfassen der Brauchwassertemperatur mit einem (oder zwei)
Thermostaten oder Fühler. Oft wird bei dieser Art der Brauchwasser-
ladung auch ein Absperrorgan (z.B. ein Durchgansventil S in Fig. 5-5)
eingesetzt, das aber keine Regelfunktion hat.
Fig. 5-5 Brauchwasserladung mit Ladepumpe, ungeregelt
T = Speicherthermostat (Ein / Aus)
ML = Ladepumpe
S = Absperrorgan (Auf / Zu)
MZ = Zirkulationspumpe
Diese einfache Art der Brauchwasserladung hat den Nachteil, dass der
Wärmetauscher mit der anstehenden Vorlauftemperatur (z.B. Kessel-
vorlauftemperatur) betrieben wird, die je nach Qualität der Vorregelung
stark schwanken kann. Dadurch ist kein Verkalkungsschutz gewähr-
leistet, d.h.Temperaturen > ca. 65 °C können im normalen Ladebetrieb
auftreten.
Fig. 5-6 Verlauf (vereinfacht) der Eintritts- und Austrittstemperatur über den Ladezustand
�1 Ladetemperatur Brauchwasserspeicher
�2 Austrittstemperatur aus internem Wärmetauscher
B65-5
0 50 100%
°C
20
40
60
80
Ladezustand
ϑ2
ϑ1
B65-4
MZ
S ML ϑ1
ϑ2
T
5.1.1 Mit Ladepumpe, ohne
Vorlaufregelung
Funktion
97
Die Ladung des Brauchwasserspeichers erfolgt durch das ansteuern
der Ladepumpe und des Mischventils. Die Vorlauftemperatur zum
Speicher wird vom Regler mit dem Mischventil geregelt. Der Regler
schaltet auch die Brauchwasserladung Ein / Aus, über die Temperatur,
die vom Speicherfühler gemessen wird.
Fig. 5-7 Brauchwasserladung mit Mischer
B1 = Vorlauftemperaturfühler (Regelfühler)
B2 = Speicherfühler (Ein / Aus über Regler)
Y = Mischventil
ML = Ladepumpe
MZ = Zirkulationspumpe
Bei dieser Art der Brauchwasserladung sollte der Sollwert (w) für die
Vorlauftemperatur (B1) ca. 2-5 K über der gewünschten Speicher-
temperatur eingestellt werden für einen unproblematischen Betrieb.
B65-6
w
MZ
ML Y
B1 B2
5.1.2 Vorlaufregelung mit
Beimischschaltung
Funktion
98
Die Ladung des Brauchwasserspeichers erfolgt durch Steuern des
Umlenkventils. Dieses stellt um zwischen Heizkreis und Brauchwasser-
ladung, d.h. Ladung mit absolutem Vorrang (vgl. 5.3).
Fig. 5-8 Brauchwasserladung mit Umlenkventil
T = Speicherthermostat (Ein / Aus)
S = Umlenkventil
M = Gruppenpumpe (auch Ladepumpe)
MZ = Zirkulationspumpe
B65-7
MZ
T S
M
5.1.3 Umlenkschaltung
Funktion
99
Diese Art der Brauchwasserladung kommt zum Einsatz, wenn die
Rücklauftemperatur zum Erzeuger tief gehalten werden muss (z.B.
Fernheizungs-Unterstation, Wärmepumpenanlage, ...).
Fig. 5-9 Brauchwasserladung mit Brauchwasserladung mit aufgebauter
externem Wärmetauscher Ladeeinheit (mit externem
(vorne, isoliert) Wärmeübertrager, Ladepumpe, usw.)
5.2 Brauchwasserladung mit externem
Wärmetauscher
Geeignete Verteilerbauart
100
Die Brauchwasserbereitung erfolgt ab Wärmetauscher (Durchflussrege-
lung). Die sekundärseitige Vorlauftemperatur (B1) des Wärmetauscher
wird mit dem primärseitigen Durchgangsventil (Y) geregelt. Die primär-
seitige Pumpe (MP) wird durch den Ein-Befehl vom Speicher eingeschal-
tet (T1), die Regelung wird aktiviert und damit das Ventil geöffnet. Die
sekundärseitige Pumpe wird durch einen Ladefreigabe-Thermostaten
(T3) eingeschaltet, wenn die primärseitige Vorlauftemperatur genügend
hoch ist. Dadurch lässt sich ein auskühlen und durchmischen des Spei-
chers verhindern. Der Ladevorgang wird abgestellt, wenn der untere
Speicherthermostat (T2), die eingestellte Temperatur erreicht.
Der Ladesollwert (w) sollte etwa 2 K höher angesetzt werden als die
Aus-Temperatur, um einen unproblematischen Betrieb sicher zu stellen.
Wird diese Schaltung ohne Speicher eingesetzt, empfiehlt es sich aus
regeltechnischen Gründen (und nicht nur aus Komfortgründen) eine
Zirkulationspumpe einzusetzen.
Fig. 5-10 Vorlauf geregelt mit primärseitigem Ventil
T1 = Speicherthermostat (Ein)
T2 = Speicherthermostat (Aus)
T3 = Freigabe-Thermostat (MS Ein)
B1 = Vorlauftemperaturfühler (sekundärseitig)
Y = Durchgangsventil
MP = Pumpe primärseitig
MS = Pumpe sekundärseitig (auch Ladepumpe)
MZ = Zirkulationspumpe
B65-8
Ein 55 °C
Aus 58 °C
B1
P
MS
Y
T3
T1
T2
MZ
w
5.2.1 Vorlauf geregelt mit
primärseitigem Ventil
Funktion
Zirkulationspumpe
101
Die sekundärseitige Vorlauftemperatur (B1) wird in erster Sequenz über
das sekundärseitige Ventil (Y1) und in zweiter Sequenz über das primär-
seitige Ventil (Y2) geregelt (vgl. Fig. 5-12). Dies erlaubt eine saubere
Schichtung des Brauchwasserspeichers und gleichzeitig eine gezielte
Ausnützung der Wärmetauscherleistung. Die korrekte Auslegung des
Wärmetauschers auf die Leistungs- und Temperaturverhältnisse ist für
einen optimalen Betrieb entscheidend. Die Ein- und Ausschaltung der
beiden Pumpen und der Regelung erfolgt über 2 Thermostaten (T1,2)
oder 2 Fühler.
Zusätzlich könnte, je nach Anlage, eine maximale Ladetemperatur (B2)
oder eine minimale Rücklauftemperatur (B3) vorgeschrieben sein, die in
die Regelung integriert wird.
Fig. 5-11 Speichervorlauf geregelt mit primär- und sekundärseitigem Ventil
T1 = Speicherthermostat (Ein)
T2 = Speicherthermostat (Aus)
B1 = Vorlauftemperaturfühler (sekundärseitig)
Y1 = Mischventil sekundärseitig (1. Sequenz)
Y2 = Mischventil primärseitig (2. Sequenz)
MP = Pumpe primärseitig
MS = Pumpe sekundärseitig (auch Ladepumpe)
B2 = max. Ladetemperatur (primärseitig, optional)
B3 = min. Rücklauftemperatur (primärseitig, optional)
MZ = Zirkulationspumpe
Das Diagramm Fig. 5-12 zeigt das Verhalten des primär- und sekundär-
seitigen Ventils (Y1,Y2) in Abhängigkeit der Regelabweichung xw (x-w),
sowie den Verlauf der verschiedenen Temperaturen über den Lade-
zustand.
Fig. 5-12 Stellgrössen Y1 und Y2 in Abhängigkeit der Regelabweichung xw (x – w) und
Verlauf der verschiedenen Temperaturen über den Ladezustand
x - w
Y1 Y2
100%
0%
Y
B65-10
0 50 100%
°C
20
40
60
80
Ladezustand
ϑ1
ϑ2
ϑ3
ϑ4
w
Y1
Y2
B65-9
Ein 55 °C
Aus 58 °C
B2
B3
MP
MS
B1
T1
T2
MZ
ϑ1
ϑ4
ϑ2
ϑ3
5.2.2 Speichervorlauf geregelt mit
primär- und sekundärseitigem Ventil
Funktion
102
Durch die gezielt knappe Dimensionierung von Heizkesseln unter
Berücksichtigung von Gleichzeitigkeitsfaktoren usw. und die im Verhält-
nis kleineren notwendigen Leistungen für die Raumheizung (z.B. besse-
re Isolation), wird der Leistungsanteil für die Brauchwasserbereitung
grösser. Dadurch wird es unumgänglich, einerseits diesen Leistungsteil
in den Berechnungen zu berücksichtigen, andererseits aber auch die
Steuerung der Heizungsanlage auf diese Situation auszurichten. Eine
Massnahme ist, während der Brauchwasserladung die Leistung für die
Raumheizung zu drosseln oder ganz abzuschalten. Dies führt in den
meisten Fällen auf Grund der Gebäudeträgheit kaum zu nennenswerten
d.h. spürbaren Temperaturveränderungen.
Einige Geräte, die zur Regelung und Steuerung von Heizgruppen und
Brauchwasserladung eingesetzt werden können, bieten spezielle Funk-
tionen zur Vorrangschaltung der Brauchwasserregelung gegenüber einer
oder mehrer Heizgruppen. Dabei wird meist zwischen zwei Arten von
Vorrangschaltungen unterschieden:
• absoluterVorrang:Heizkreise werden während der Brauchwasserladung gesperrt
• gleitenderVorrang:Heizkreise werden während der Brauchwasserladung gedrosselt
z.B. Mischventil
Diese wird in regelmässigen Intervallen (z.B. einmal pro Woche) durch-
geführt. Dabei wird das Brauchwarmwasser auf eine höhere Tempera-
tur (min. > 60 °C) als die normale Ladetemperatur erhitzt, um die Bil-
dung von Erregern der Legionellenkrankheit zu verhindern. Dabei ist zu
beachten, dass auch die Vorlauftemperatur vom Erzeuger entsprechend
angepasst werden muss, d.h. höher als der übliche Sollwert für die
Brauchwasserladung.
Diese Begrenzung kommt in Anlagen mit Fernwärmeumformer (vgl.
Kapitel 4) zum Einsatz, in denen die Brauchwasserbereitung auf der
Sekundärseite des Wärmetauschers abgenommen wird. Sie ist norma-
lerweise während der Brauchwasserladung aktiviert. Die technischen
Unterlagen der einzelnen Regelgeräte geben die dazu notwendigen
Detailinformationen.
Die DRT Begrenzung (Rücklaufdifferenz-Maximalbegrenzung; vgl. Kapi-
tel 4) wird im Falle einer Brauchwasserladung bei vielen Reglern ausge-
schaltet. Die technischen Unterlagen der einzelnen Regelgeräte geben
die dazu notwendigen Detailinformationen.
5.3 Spezielle Funktionen bei
Brauchwasserladungen
Vorrangschaltung der
Brauchwasserladung
Legionellenfunktion
Rücklaufmaximalbegrenzung
Brauchwasser
DRT Begrenzung
103
Die Elektro-Wärmepumpe kann durch Ausnutzung der Umweltwärme
normalerweise zwei- bis dreimal mehr Wärmeenergie erzeugen, als zu
ihrem Betrieb an elektrischer Energie benötigt wird. Somit ermöglicht
die Elektro-Wärmepumpe einen äusserst wirkungsvollen Einsatz von
Elektrizität zur Gebäudeheizung.
Mit der Wärmepumpe werden in einem geschlossenen Kreisprozess
(vgl. Fig. 6-1) die thermodynamischen Eigenschaften eines Kältemittels
(z.B. Freon R134a) ausgenützt.
Ein Kältemittel hat die besondere Eigenschaft bei sehr niedrigerTempe-
ratur zu verdampfen. Dies ermöglicht es, dass die sehr reichlich vorhan-
denen Umweltenergien (Aussenluft bis – 20 °C, See- oder Grundwasser
von 4 – 12 °C und Erdreich von 0 – 20 °C) als Wärmequelle vom Tempe-
raturniveau her bestens genügen, um das Kältemittel zu verdampfen.
Die Wärmequelle kühlt sich dabei um einige Kelvin ab. Zum Verdampfen
einer Flüssigkeit wird immer Energie benötigt. In diesem Fall wird die
Verdampfungsenergie der Umwelt entzogen. Das verdampfte Kältemit-
tel hat diese Verdampfungsenergie im Verdampfer in sich aufgenom-
men, ohne dass dadurch die Temperatur angestiegen ist. Das niedrige
Temperatur-Niveau lässt es nicht zu, dass dieses Medium direkt in Hei-
zungsanlagen zur Anwendung kommt.
Fig. 6-1 Kältemittel-Kreislauf in einer Wärmepumpe
Bei der gleichen Temperatur da ein Medium verdampft, wenn ihm
Wärme zugeführt wird, kondensiert (verflüssigt) es auch, wenn es
abgekühlt, d.h. Wärme entzogen wird. Deshalb bezeichnet man diese
Temperatur einmal als Verdampfungstemperatur und im andern Fall als
Kondensationstemperatur.
Die Verdampfungs- bzw. Kondensationstemperatur ist druckabhängig.
Bei steigendem Druck steigt auch der Verdampfungs- bzw. Kondensa-
tionspunkt bezüglich Temperatur an. Aus diesen physikalischen
Zusammenhängen heraus wird der nächste Schritt sehr logisch: Erhö-
hung des Druckes um den Verdampfungs-/Kondensationspunkt anzu-
heben in einen Bereich, da die Kondensation für die Heizungsanlage
genutzt werden kann.
Entspannen
Verdichten
Luft Wasser Erdreich
Verflüssigen Verdampfen
Flüssiges
Kältemittel
Gasförmiges
Kältemittel
Zusatzenergie
Wärmequellen
Hochdruck Niederdruck
6.1 Einleitung
Mit Elektro-WP äusserst gute
Ausnutzung der Elektroenergie
6.2 Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Wärme aus der Umwelt
Verdampfungs- und Kondensations-
Temperatur
6. Regeln und Steuern von Wärmepumpenanlagen
104
Dies geschieht mit einem Kompressor (Verdichter), welcher das nun-
mehr gasförmige Kältemittel ansaugt und zusammenpresst. Hierzu ist
Zusatzenergie (z.B. Elektrizität) notwendig. Wenn es sich um einen
sauggasgekühlten Verdichter handelt, geht diese Energie (Motorenwär-
me) nicht verloren, sondern gelangt in das zu verdichtende Kältemittel
und erwärmt dieses.
Im nachgeschalteten Kondensator (Verflüssiger) kühlt das Heizungs-
wasser das Heissgas ab und bringt es zum Kondensieren und das Hei-
zungswasser wird erwärmt.
Nach dem Kondensator ist alles Kältemittel wieder flüssig, aber noch
auf hohem Druck. Mit Hilfe eines Expansionsventils wird der Druck
wieder abgebaut und der Kreisprozess beginnt von vorne.
Fig. 6-2 Mechanische Hauptkomponenten einer Wärmepumpe
Der Name Wärmepumpe hat seinen Ursprung aus diesem physika-
lischen Vorgang heraus erhalten: Auf tiefem Temperaturniveau aufge-
nommene Wärmeenergie wird «hoch gepumpt» auf ein Niveau das zu
Heizzwecken gebraucht werden kann.
Kompressor (Verdichter)
Kondensator
(Verflüssiger)
Expansions-
ventil
Verdampfer
Hochdruck Niederdruck
Gasförmiges
Kältemittel
Flüssiges
Kältemittel
Herkunft des Namens Wärmepumpe
105
Die Wärmequelle liefert die notwendige Verdampfungswärme für die
Wärmepumpe.
Fig. 6-3 Wärmequelle Aussenluft
Aussenluft hat eine sehr hohe Verfügbarkeit und wird deshalb oft
benutzt. Es müssen jedoch folgende Eigenschaften berücksichtigt
werden.
• Die Wärmepumpe und deren Antriebsleistung muss relativ gross für
den kältesten Tag ausgelegt werden (Leistungszahl ist dann am
kleinsten, vgl. 6.6.1).
• Bei mildem Wetter und entsprechend geringem Heizwärmebedarf
steht ein grosses Überangebot von Wärmepumpen-Heizleistung an,
welches unter Umständen gespeichert werden muss.
• Bei Aussenlufttemperaturen im Bereich von + 5 °C bis –10 °C tritt
am Verdampfer starke Vereisung auf (kondensierte Luftfeuchtigkeit
friert an der Verdampferoberfläche mit Temperatur < 0 °C fest). Hier-
bei sinkt die Verdampferleistung stark ab. Das Eis muss mit einer
geeigneten (energieverbrauchenden!) Methode regelmässig abge-
taut werden.
• Durch die Luftumwälzung können störende Ventilatorengeräusche
entstehen, die durch entsprechende Schallschutzmassnahmen redu-
ziert werden müssen.
Fig. 6-4 Wärmequelle Erdreich
Beim Erdreich als Wärmequelle werden entweder Erdkollektoren(grossflächiges Rohrnetz normalerweise gefüllt mit frostsicherer Flüs-
sigkeit, z.B. Wasser-Glykol, min. 1,5 m unter Erdoberfläche installiert)
oder Erdsonden (Tiefenbohrung erforderlich) zur Nutzung eingesetzt.
Die Verwendung von Erdkollektoren bedingt die Verfügbarkeit eines
entsprechend grossen Grundstückes und erfordert normalerweise hohe
Investitionskosten. Ebenso sind bei der Verwendung von Erdsonden
Bohrungen notwendig, die entsprechende Investitionskosten verur-
sachen.
6.3 Die Wärmequellen
6.3.1 Wärmequelle Aussenluft
Immer verfügbare Wärmequelle
6.3.2 Wärmequelle Erdreich
Besser als Luft als Wärmequelle,
aber teurer
106
Bei der Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle ist sehr sorgfältig da-
rauf zu achten, dass sich die Wärmequelle wieder regenerieren kann
(evtl. Entlastungseinrichtung wie Sonnenkollektoren einbauen), da
sonst die Bodentemperatur zu stark absinkt und dadurch die notwen-
dige Leistung nicht mehr zur Verfügung steht.
Bei Erdsonden ist aus den gleichen Überlegungen darauf zu achten,
dass der Wärmentzug pro Meter Sonde nicht zu gross ist, da sich sonst
die Jahresarbeitszahl unweigerlich verschlechtert.
Richtig dimensioniert und konzipiert ist für den Wärmepumpenbetrieb
das Erdreich eine der unproblematischsten Wärmequellen.
Fig. 6-5 Wärmequelle Grundwasser
Beim Grundwasser als Wärmequelle ist dessen Verfügbarkeit und
Qualität das grösste Problem. Sofern jedoch in ausreichender Menge,
Qualität und mit geeignetem Temperaturniveau verfügbar, ist diese
Wärmequelle annähernd ideal für den Wärmepumpenbetrieb (Bewil-
ligungspflicht!).
Wärmepumpen werden (im deutschen Sprachgebrauch) benannt nach
dem Prinzip
X – Y – Z – Wärmepumpe, wobei gilt:
X: Wärmequellen- Wärmeträgermedium (z.B. Luft, Wasser, Sole, usw.)
Y: Heizanlagen-Wärmeträgermedium (z.B. Wasser, Luft, usw.)
Z: Kompressor-Antriebsenergieart (Elektrizität, Dieselöl, Gas, usw.)
Beispiele:
Wärmequelle Wärmepumpen-Benennung
Aussenluft Luft – Wasser – Elektro – Wärmepumpe
Erdreich Sole – Wasser – Elektro – Wärmepumpe
Grundwasser Wasser – Wasser – Elektro – Wärmepumpe
6.3.3 Wärmequelle Grundwasser
Die beste Wärmequelle, aber selten
zur Verfügung
6.4 Wärmepumpen-Benennung
Bezeichnung der Wärmepumpe
107
monovalente Betriebsweise (mono = ein, einzig)
In einer monovalenten Wärmepumpen-Heizanalage stellt allein die
Wärmepumpe (Fig. 6-7) in allen möglichen Betriebszuständen die erfor-
derliche Heizwärme bereit. Die Wärmepumpe muss also für den maxi-
malen Wärmebedarf der Gebäudeheizung ausgelegt werden. Die maxi-
mal möglichen Heizwasser-Vor- und Rücklauftemperaturen müssen auf
die maximal zulässige Kondensator-Austrittstemperatur ausgelegt wer-
den (vgl. 6.8.2).
Fig. 6-6 Monovalent betriebene Anlage mit Speicher und Heizungsgruppen
Fig. 6-7 Temperatur-Häufigkeitskurve für monovalenten Betrieb
Bei Ausfall der Wärmepumpe steht in einer monovalenten Anlage keine
Alternativheizung zur Verfügung.
0
- 5
- 10
5
10
15
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
B66
-07
Heizgrenze
Auslegepunkt ϑA
Wärmepumpe
B66-06
6.5 Betriebsarten
6.5.1 Monovalenter Betrieb
108
Da die maximale Leistung einer Anlage nur während relativ kurzer Zeit
zur Verfügung stehen muss, wird für Einfamilienhäuser oft als Lösung
eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit elektrischer Zusatzheizung zur
Spitzenlastdeckung eingesetzt. Dies ist eigentlich ein bivalent-alterna-
tiver Betrieb (vgl. 6.5.2.1), da aber nur eine Energieform, in diesem
Falle Elektrizität zugeführt wird, spricht man von monoenergetischer
Betriebsweise. Erfahrungsgemäss benötigt eine Anlage weniger Ener-
gie, wenn diese Umschaltung von Hand erfolgt. Ebenso sollte auf eine
Nachtabsenkung bei tiefen Aussentemperaturen verzichtet werden,
damit keine Schnellaufheizung notwendig wird.
bivalente Betriebsweise (bi = zwei, doppelt)
In einer bivalenten Wärmepumpen-Heizanlage erzeugt die Wärmepum-
pe bei mildem und durchschnittlich kaltem Winterwetter allein die not-
wendige Heizwärme. Bei starker Kälte wird der Heizwärmebedarf durch
eine Zusatzheizung (vgl. Fig. 6-8). ergänzend (parallel) oder gänzlich
(alternativ) gedeckt
Fig. 6-8 Bivalent betriebene Anlage mit Wärmepumpe, Speicher und Heizkessel zur
Deckung des Spitzenwärmebedarfs
Die Wärmepumpe muss also nur für einen Teil des maximalen Wärme-
bedarfs der Gebäudeheizung ausgelegt werden.
Die Zusatzheizung kann auf verschiedene Arten zur Wärmepumpe
betrieben und muss entsprechend ausgelegt und eingesetzt werden.
Man unterscheidet die folgenden Betriebsarten:
• bivalent-alternativer Betrieb
• bivalent-paralleler Betrieb
• bivalent-parallel/alternativer Betrieb
B66-08
Δp
PID
6.5.1.1 Spezialfall
monoenergetischer Betrieb
6.5.2 Bivalenter Betrieb
109
Hierzu ist die Wärmepumpe nur bei mildem und durchschnittlich kaltem
Winterwetter in Betrieb. Bei starker Kälte und zur Deckung des maxi-
malen Wärmebedarfes wird die Wärmepumpe aus- und die Zusatz-
heizung eingeschaltet.
Fig. 6-9 Temperatur-Häufigkeitskurve für bivalent-alternativen Betrieb
Die Heizwasser-Vor- und Rücklauftemperaturen müssen für die Last-
zustände mit Wärmepumpenbetrieb auf die maximal zulässige Konden-
sator-Austrittstemperatur ausgelegt sein (vgl. 6.8.2). Für die Lastzu-
stände mit alternativem Zusatzheizungsbetrieb dürfen die Heizwasser-
Vor- und Rücklauftemperaturen über diese maximal zulässigen Werte
steigen. Die Zusatzheizung muss jedoch hydraulisch derart in den Heiz-
wasserkreislauf geschaltet werden, dass bei Zusatzheizungsbetrieb
kein Heizwasser durch den Wärmepumpen-Kondensator zirkulieren
kann (Hochdruck-Betriebsgrenze).
Die Zusatzheizung muss für den gesamten maximalen Heizwärme-
bedarf ausgelegt werden.
Im Betrieb muss von der Wärmepumpe auf die Zusatzheizung umge-
schaltet werden, sobald die Wärmepumpen-Heizleistung nicht mehr
ausreicht. Dies wird regeltechnisch in Abhängigkeit der Aussentempe-
ratur und/oder der Wärmequellentemperatur gemacht.
0
- 5
- 10
5
10
15
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
B66
-09
Bivalentpunkt
Heizgrenze
Auslegepunkt
Wärmepumpe Kessel
[Tage/a]
ϑA
6.5.2.1 Bivalent-alternativer Betrieb
110
Hierzu sind die Wärmepumpe und die Zusatzheizung bei der Deckung
des maximalen Wärmebedarfs der Gebäudeheizung gemeinsam in
Betrieb.
Fig. 6-10 Temperatur-Häufigkeitskurve für bivalent-parallelen Betrieb
Die Heizanlage muss für die maximal zulässige Rücklauftemperatur
(Kondensator-Entrittstemperatur, vgl. 6.8.2.1) ausgelegt sein. Die Zu-
satzheizung muss hydraulisch in Serie zur Wärmepumpe in den Heiz-
wasservorlauf geschaltet werden. Mit der Zusatzheizung wird die Kon-
densator-Austrittstemperatur auf die notwendige Vorlauftemperatur
erhöht.
Die Zusatzheizung muss für den Teil des maximalen Wärmebedarfes
ausgelegt sein, welcher durch die Wärmepumpe nicht gedeckt wird.
Die Zuschaltung der Zusatzheizung erfolgt sobald im Betrieb die Wär-
mepumpen-Heizleistung allein nicht mehr ausreicht. Dies wird rege-
lungstechnisch in Abhängigkeit der Heizwasser-Vorlauftemperatur
bewerkstelligt.
0
- 5
- 10
5
10
15
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
B66
-10
Bivalentpunkt
Heizgrenze
Auslegepunkt
Wärmepumpe
Kessel
[Tage/a]
ϑA
6.5.2.2 Bivalent-paralleler Betrieb
111
Hierzu sind paralleler- und alternativer Betrieb kombiniert.
Bei geringem bis mittlerem Heizwärmebedarf wird dieser durch die
Wärmepumpe allein gedeckt. Steigt der Wärmebedarf über die Heizleis-
tung der Wärmepumpe, so wird die Zusatzheizung parallel betrieben, in
Abhängigkeit der Vorlauftemperatur. Steigt der Wärmebedarf weiter
über die Betriebsgrenze der Wärmepumpe an, so wird diese abgeschal-
tet (Aussentemperatur- oder Wärmequellen-temperaturabhängig) und
der gesamte maximale Wärmebedarf wird durch die Zusatzheizung
gedeckt.
Fig. 6-11 Temperatur-Häufigkeitskurve für bivalent-parallel/alternativen Betrieb
Die Zusatzheizung muss hydraulisch derart in das System integriert
werden, dass sie:
• im Parallelbetrieb in Serie zur Wärmepumpe in den Heizwasservor-
lauf geschaltet ist
• im Alternativbetrieb kein Heizwasser durch den Wärmepumpen-Kon-
sensator zirkulieren kann
• die Zusatzheizung muss für den gesamten maximalen Heizwärme-
bedarf ausgelegt werden
Die Wahl der günstigsten (Energie- und Kosten/Nutzen optimalsten)
Betriebsweise ist von den folgenden Kriterien abhängig:
• Jahresverlauf des Heizwärmebedarfs des Gebäudes
• Jahresverlauf der Heizwärmeleistung der Wärmepumpe
• bedarfsabhängiger Verlauf der Heizwasser-Vor- und Rücklauf-
temperatur
• jährliche Häufigkeit der auftretenden Heizlastzustände
0
- 5
- 10
5
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0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
B66
-11
Bivalentpunkt
Heizgrenze
Auslegepunkt
Wärmepumpe
Kessel
[Tage/a]
ϑA
6.5.2.3 Bivalent-parallel/alternativer
Betrieb
6.5.3 Wahl der Betriebsart
Die richtige Betriebsweise
112
Die Leistungszahl ε (Epsilon) bietet eine Vergleichsmöglichkeit einzelner
Wärmepumpen zueinander und ist das Verhältnis von der momentanen
Wärmeleistung zur hierfür zugeführten (elektrischen) Leistung einer
(elektrisch betriebenen) Wärmepumpenanlage.
Leistungszahl ε =momentane Wärmeleistung
=Nutzwärme
zugeführte (elektrische) Leistung Energieverbrauch
� je grösser ε, um so energieoptimaler ist der Wärmepumpenbetrieb
Häufig spricht man in diesem Zusammenhang auf vom COP-Wert
(Coefficient of Performance), der aus der (amerikanischen) Kältetechnik
stammt und auch bei Kältemaschinen zur Anwendung kommt.
Für das Betriebskonzept einer Wärmepumpen-Heizanlage muss unbe-
dingt berücksichtig werden, dass sich ε (und somit die Heizleistung der
Wärmepumpe) bei kleiner werdender Differenz zwischen Kondensa-
tions- und Verdampfungstemperatur vergrössert.
Dies bedeutet praktisch, das normalerweise eine Wärmepumpe zur
Gebäudeheizung:
• bei grösstem Heizwärmebedarf die kleinste Leistungszahl, d.h. die
geringste Wärmeleistung bringt
• mit abnehmendem Heizwärmebedarf zunehmende Leistungszahl,
d.h. zunehmende Wärmeleistung erbringt
• bei geringstem Heizwärmebedarf die grösste Leistungszahl, d.h. die
grösste Wärmeleistung bringt
Eine bestimmte Leistungszahl ε ist nur gültig für einen bestimm-ten, momentanen Betriebszustand.
Fig. 6-12 Beispiel für den Verlauf der Leistungszahl in Abhängigkeit der
Temperaturdifferenz zwischen Kondensations- und Verdampfungstemperatur
1 Leistungszahl
2 Temperaturdifferenz
6.6 Kennzahlen für Wärmepumpen
6.6.1 Die Leistungszahl εVergleichsmöglichkeit von WPs
113
Für die eigentliche Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpenanlage ist die
Jahresarbeitszahl � (Beta) massgebend.
Die Jahresarbeitszahl � ist der jährliche Durchschnitt (Jahresmittelwert)
der in einem Wärmepumpenanlagen-Betriebsjahr vorkommenden Leis-
tungszahlen ε.
Typische, in der Praxis vorkommende Jahresarbeitszahlen � sind nach
Wärmequelle beispielsweise wie folgt:
Die Jahresarbeitszahl � wird bestimmt durch Messung des jährlich von
Kompressor und Hilfsantrieben usw. aufgenommenen Stromverbrauchs
(in kWh), und durch gleichzeitige Messung der jährlich produzierten
Wärme (in kWh) und der Wärmeverluste der Speicheranlage.
Jahresarbeitszahl � = QWP – QSP
WWP + WPumpen + WRegelung + W…
QWP = Wärmemenge produziert durch Wärmepumpe
QSP = Wärmeverluste der Speicheranlage
WWP = Energieverbrauch der Wärmepumpe
WPumpen = Energieverbrauch der Verdampfer- und Kondensator-Pumpe
WRegelung = Energieverbrauch der Regelung und Steuerung
W… = Energieverbrauch anderer Komponenten wie Abtaueinrichtung,
Carter-Heizung, ...
Dies bedingt ein entsprechendes Messkonzept (Planungsphase) für
die Wärmepumpe-Anlage und die Anlage muss mit den notwendigen
Fühlern und Zählern (Elektro- und Wärmezähler) ausgerüstet sein.
Wärmequelle �
Aussenluft 2,5
Erdreich 3
Grundwasser 3,2
6.6.2 Die Jahresarbeitszahl �
Der Jahresdurchschnitt ist wichtig
114
Eine Wärmepumpe ohne regelbare Heizleistung produziert im Teil-Heiz-
lastbetrieb überschüssige Wärme.
Welche Wärmepumpen-Heizleistungsregelung verwendet werden soll
und kann, muss unbedingt vom Wärmepumpen-Hersteller bestimmt
und bei der Anlagekonzeption und -dimensionierung berücksichtig wer-
den.
Detailliertere Informationen zu den nachfolgend aufgeführten Heiz-
leistungsregelungen direkt an der Wärmepumpe sind im Trainingsmodul
«Kältetechnik» (B08RF) enthalten. Hier werden nur die Auswirkungen
dieser Regelungen auf die Jahresarbeitszahl beschrieben.
Eine Wärmepumpen-Heizleistungsregelung mittels stetig geregeltem
Heissgas- Bypass- oder Saugdrosselventil ist unsinnig, da in beiden
Fällen eine Reduktion der Heizleistung keine annähernd gleichwertige
Reduktion der Antriebs-Leistungsaufnahme erbringt. Sowohl die Heiss-
gas-Bypass- als auch die Saugdrossel-Regelung ergeben also für die
Wärmpumpe sehr schlechte Jahresarbeitszahlen.
Mit der Ventilabhebung können bei entsprechend ausgerüsteten mehr-
zylindrigen Kolbenkompressoren einzelne Zylinder stufenweise zu- oder
abgeschaltet werden Hierzu werden die Saugventile der abzuschalten-
den Zylinder geöffnet (z.B. elektrohydraulisch). Diese Wärmepumpen-
Heizleistungsregelung ist jedoch nicht energieoptimal, da im reduzier-
ten Leistungsbetrieb wesentliche Reibungsverluste auftreten, und da
die Massenkräfte der leer mitlaufenden Kolben trotzdem aufgebracht
werden müssen. Die Kompressor-Ventilabhebung ergibt also für die
Wärmepumpe eine relativ schlechte Jahressarbeitszahl.
Eine Wärmepumpen-Heizleistungsregelung mittels mehrstufiger
(Stufenschalter auf polumschaltbaren Drehstrommotor) oder stufen-
loser (Frequenzumformer auf Drehstrommotor) Drehzahlregelung ist
nahezu energieoptimal.
Elektrisch betriebene Wärmepumpen mit Antriebs-Anschlussleistungen
bis ca. 40 kW werden heute normalerweise nur im Zweipunktverfahren
Ein/Aus geregelt, da die vorgenannte Leistungsregelungen nicht ener-
gieoptimal sind oder hohe Investitionskosten verursachen. Bei dieser
Art der Regelung ist zu beachten, dass häufiges Ein/Aus-Schalten von
Wärmepumpen die Lebensdauer der mechanischen Teile vermindert,
die Stillstandverluste erhöht und häufige Netzschwankungen durch die
hohen Anlaufströme entstehen.
Deshalb muss zur Verhinderung von zu häufigem Ein/Aus-Schalten die
Wärmepumpen-Heizanlage genügend Wärmespeicherkapazität auf-
weisen, welche einerseits zeitweilig die überschüssig produzierte Wär-
mepumpen-Wärme speichern kann, und welche andererseits zeitweilig
den Heizanlagen-Wärmebedarf bei ausgeschalteter Wärmepumpe
decken kann.
6.7 Die Regelbarkeit der Wärmepumpe
6.7.1 Heizleistungsregelung direkt an
der Wärmepumpe
6.7.1.1 Heissgas-Bypass- oder
Saugdrossel
6.7.1.2 Kompressor Ventilabhebung
6.7.1.3 Kompressordrehzahlregelung
Gute Wärmepumpen-Regelung
6.7.2 Wärmepumpe Ein/Aus-Regelung
Meist verwendete Regelung
bei Wärmepumpen
115
Zusätzlich sollte sicherheitshalber die Wärmepumpe zeitverzögertgeschaltet werden, so dass eine maximal zulässige Anzahl Anläufe pro
Stunde nicht überschritten werden kann (z.B. max. 3 Anläufe pro Stun-
de). Die zulässige Anlaufhäufigkeit wird oft auch vom Elektrizitätswerk
vorgeschrieben.
Zur Einschaltung der Wärmepumpe werden normalerweise folgende
Regelgrössen verwendet:
• bei Wärmepumpen-Heizanlagen mit Wärmepuffer oder -speicher
wird die Wärmepumpe bei sinkender Puffer- oder Speichertempera-
tur eingeschaltet
• bei Fussbodenheizanlagen ohne zusätzlichen Wärmepuffer oder
-speicher wird die Wärmepumpe bei sinkender Heizwasser-Rück-
lauftemperatur eingeschaltet
In beiden Fällen kann der Sollwert für diese Einschalttemperaturen
witterungsabhängig geführt werden. Dies ergibt eine bessere Jahres-
arbeitszahl der Wärmepumpe und bei Fussbodenheizungen eine An-
passung der gespeicherten Fussbodenwärme an den effektiven Heiz-
wärmebedarf.
Die Ausschaltung der Wärmepumpe erfolgt normalerweise bei stei-
gender Kondensator-Eintrittstemperatur des Heizwassers (Kondensa-
tionsdruck Betriebsgrenze). Bei stark variabler Wärmequellentemperatur
(= variable Heizleistung des Kondensators) muss der Sollwert für diese
Ausschaltung Wärmequellen temperaturabhängig geführt werden
(vgl. 6.8.2.1).
6.7.2.1 Regelgrössen für
Ein/Aus-Regelung
116
Eine Wärmepumpe darf nur innerhalb bestimmter Betriebsgrenzen
betrieben werden. Diese sind unter anderem festgelegt durch:
• den minimal zulässigen Kältemittel-Verdampfungsdruck
• den maximal zulässigen Kältemittel-Kondensationsdruck
Der für eine Wärmepumpenanlage minimal zulässige Verdampfungs-
druck ist abhängig:
• vom maximal zulässigen Kompressionsverhältnis des verwendeten
Kompressors, d.h. von der Konstruktion des Kompressors.
• von der für die verwendete Wärmequelle minimal zulässigen Kälte-
mittel-Verdampfungstemperatur (z.B. muss bei Wärmequelle Wasser
die Verdampfungstemperatur wegen Vereisungsgefahr über 0 °C
liegen).
Ein Unterschreiten der Verdampfungsdruck-Betriebsgrenze wird durch
den Niederdruck-Sicherheitspressostat verhindert. Er schaltet den
Kompressor aus, wenn der Kältemitteldruck auf der Saugseite des Kom-
pressors die festgelegte Betriebsgrenze unterschreitet.
Dies tritt unter anderem ein, wenn die Temperatur der Wärmequelle so
tief absinkt, dass dabei dem Kältemittel nicht mehr genügend Verdamp-
fungswärme zur Einhaltung der minimal zulässigen Verdampfungstem-
peratur zugeführt werden kann.
In Wärmepumpenanlagen mit begrenztem Wärmequellen-Wärme-
angebot muss deshalb die Wärmepumpe von einem Temperaturregler
ausgeschaltet werden, sobald die Wärmequellentemperatur unter die
Betriebsgrenze absinkt.
Diese Betriebsgrenze der Wärmequellentemperatur muss durch den
Wärmepumpen-Heizanlage-Planer und -Bauer berücksichtig und festge-
legt werden. Durch sie wird bei bivalenten Wärmepumpen-Heizanlagen
der Umschaltpunkt von Wärmepumpenbetrieb auf Zusatzheizung
bestimmt.
Für einige gängige Kältemittel ergeben sich für verschiedene typische
Verdampfungstemperaturen folgende absoluten Verdampfungsdrücke:
* R407C und R290 ersetzen R22, R404A ersetzt R502 und R134a ersetzt R12, die seit
spätestens 1.1.2000 (teilweise schon früher) in europäischen Ländern nicht mehr ein-
gesetzt werden dürfen
Der für eine Wärmepumpenanlage maximal zulässige Kältemittel-
Betriebsdruck ist aus Sicherheitsgründen (Gesetze, Vorschriften) norma-
lerweise begrenzt auf max. 25 bar.
Ein Überschreiten dieser Betriebsgrenze wird durch den Hochdruck-
Sicherheitspressostat verhindert, welcher normalerweise auf ca. 24 bar
eingestellt ist.
Verdampfungstemperatur –10 °C 0 °C +10 °C
Verdampfungs-Druck Freon
R407C* oder R290 (Propan) 3,5 bar 5,0 bar 6,8 bar
Verdampfungs-Druck Freon
R404A* 4,2 bar 5,7 bar 7,7 bar
Verdampfungs-Druck Freon
R134a* 2,2 bar 3,1 bar 4,2 bar
6.8 Die Betriebsgrenzen der
Wärmepumpe
6.8.1 Verdampfungsdruck Betriebsgrenze
Betriebsgrenze nach unten
6.8.2 Kondensationsdruck
Betriebsgrenze
117
Der Kondensationsdruck für den Normalbetrieb sollte ca. 2 bar unter-
halb des Hochdruck-Ausschaltpunktes liegen, d.h. er sollte ca. 22 bar
nicht überschreiten.
Für einige gängige Kältemittel ergeben sich folgende absoluten Konden-
sationsdrücke und folgende Kältemittel-Kondensationstemperaturen:
Die im störungsfreien Betrieb erreichbaren maximalen Kondensator-
Austrittstemperaturen des Heizwassers sind abhängig von der Wärme-
tauscherfläche im Kondensator und von der Kältemittel-Kondensations-
temperatur bei 22 bar. In der Praxis ergeben sich hierbei folgende maxi-
malen Heizwassertemperaturen:
Freon R407C, R290: max. 50 °C
Freon R404A: max. 47 °C
Freon R134a: max. 70 °C
Ein Überschreiten der Kondensationsdruck-Betriebsgrenze wird – wie
bereits erwähnt – durch den Hochdruck-Sicherheitspressostatverhindert. Er schaltet den Kompressor aus, bevor der Kältemitteldruck
auf der Druckseite des Kompressors die festgelegte Betriebsgrenze
überschreitet.
Dies tritt unter anderem ein, wenn die Kondensator-Eintrittstemperatur
des Heizwassers so hoch ansteigt, dass dabei dem Kältemittel nicht
mehr genügend Kondensationswärme zur Einhaltung der maximal zu-
lässigen Kondensationstemperatur entzogen werden kann.
Die Wärmepumpe muss deshalb von einem Temperaturregler* ausge-
schaltet werden, sobald die Kondensator-Eintrittstemperatur des Heiz-
wassers über die Betriebsgrenze ansteigt.
Diese Betriebsgrenze wird durch den Wärmepumpen-Heizanlage-Planer
und – Bauer bestimmt. Bei Wärmepumpen-Heizanlagen mit variabler
Wärmequellentemperatur und deshalb variabler Heizleistungsabgabe
des Kondensators ist auch diese Betriebsgrenze variabel (vgl. 6.8.2.1).
* Die Erfassung der Kondensator-Eintrittstemperatur muss schnell genug sein, damit beiallfälligen schnellen Temperaturerhöhungen die Wärmepumpe abgeschaltet wird, bevordies durch den Hochdruck-Sicherheits-pressostaten geschieht. Normale Thermostate sindhierfür normalerweise nicht geeignet. Als Alternative könnte die Wärmepumpe bei stei-gendem Kondensationsdruck durch einen Druckschalter ausgeschaltet werden, welcherz.B. auf 2 bar unter der Hochdruck-Sicherheitsgrenze eingestellt ist. Hierbei muss jedochberücksichtigt werden, dass dieser Druckschalter für sehr viele Schaltungen geeignet seinund an das geschlossene Kältemittelsystem angeschlossen werden muss (Eingriffe indas Kältemittelsystem sind unbeliebt). Zudem ist eine eventuell erwünschte Führung desDruckschalter-Sollwertes nach Aussentemperatur nicht ohne weiteres möglich. Deshalbwird generell die Ausschaltung bei steigender Kondensator-Eintrittstemperatur empfoh-len.
Normalbetrieb Hochdruck
Sicherheitspressostat Betriebsgrenze
Kondensationsdruck 22 bar 24 bar 25 bar
Kondensations-Temp.
Freon R407C und R290 56 °C 60 °C 62 °C
Kondensations-Temp.
Freon R404A 53 °C 56 °C 58 °C
Kondensations-Temp.
Freon R134a 77 °C 80 °C 82 °C
Abschaltung bei zu hoherTemperatur
(Druck)
118
Fig. 6-13 Hydraulischer Aufbau einer einfachen Wärmepumpen-Heizanlage mit
Wärmespeicher oder -puffer
�R, WP Kondensator-Eintrittstemperatur
�V, WP Kondensator-Austrittstemperatur
�VL Heizwasser-Vorlauftemperatur
�RL Heizwasser-Rücklauftemperatur
QH Heizleistungsabgabe des Kondensators
m1 Umgewälzte Heisswassermenge durch den Kondensator
m2 Umgewälzte Heisswassermenge durch das Gebäude-Heizsystem
Zur Bestimmung der maximal zulässigen Heizwasser-Rücklauftempe-
ratur �RL max. müssen folgende Daten der Anlage bekannt sein:
• Verlauf der Heizwasser Vor- und Rücklauftemperatur �VL und �RL
• Im Normalbetrieb maximal erreichbare Kondensator-Austrittstempe-
ratur �VL max. (z.B. 50 °C bei Verwendung von R407C; vgl. 6.8.2)
• max. Heizwasser Erwärmung Δ�Erwärmung über dem Kondensator bei
allen möglichen Aussentemperaturen resp. bei unterschiedlichen
Wärmequellen und deren Temperaturverlauf
• �RL max. = �VL max. – Δ�Erwärmung
Grundsätzlich muss dass Verhalten des Kondensator für die folgenden
zwei Fälle der Heizleistungsabgabe QH, betrachtet werden:
QH = konstant (z.B. Grundwasser als Wärmequelle)
� gleichbleibende Temperaturdifferenz über dem Kondensator
(Δ�Erwärmung) und damit gleichbleibende maximale Kondensator-Eintritts-
temperatur (vgl. Fig. 6-14,�)
QH = variabel (z.B. Aussenluft als Wärmequelle)
�Temperaturdifferenz über dem Kondensator (Δ�Erwärmung) wird mit
steigender Aussentemperatur (und der gleichen geförderten Wasser-
menge) grösser, was zur Folge hat, dass die maximale Kondensator-
Eintrittstemperatur tiefer wird als im Auslegepunkt (vgl. Fig. 6-14,�)
Daraus ergibt sich, dass die Kondensator-Eintrittstemperatur in Abhän-
gigkeit der Aussentemperatur geführt werden muss, wenn diese für
Regelzwecke verwendet wird.
B66-13ϑR, WP
ϑV, WP
ϑRL
ϑVL
H
1
2
6.8.2.1 Bestimmen der maximal
zulässigen Kondensator-
Eintrittstemperatur
Die maximal zulässige Kondensator-
Eintrittstemperatur
Führung �RL max. nach
Aussentemperatur
119
Fig. 6-14 Bestimmung der max. zulässigen Kondensator-Eintrittstemperatur (�RL max) einer
monovalente betriebenen Wärmepumpe-Anlage mit variabler und konstanter
Wärmequelle
1 maximal zulässige Kondensator-Eintrittstemperatur (�RL max)
mit variabler Wärmequelle
2 maximal zulässige Kondensator-Eintrittstemperatur (�RL max)
mit konstanter Wärmequelle
3 maximal mögliche Kondensator-Austrittstemperatur
�VL Vorlauftemperatur der Heizgruppe
�RL Rücklauftemperatur der Heizgruppe
QH var Heizleistung der Wärmepumpe mit variabler Wärmequelle
(z.B. Aussenluft)
QH kons Heizleistung der Wärmepumpe mit konstanter Wärmequelle
(z.B. Grundwasser)
Q erforderliche Heizleistung (Wärmeleistungsbedarf) der Anlage
120
Ein/Aus geregelte Wärmepumpen-Heizanlagen müssen genügend Heiz-
wärme-Speicherkapzität aufweisen, damit:
• die durch den Ein-/Aus-Betrieb auftretenden HeizwasserTemperatur-
schwankungen keine nachteiligen Wirkungen auf die Heizanlage
haben (Raumtemperatur-Schwankungen)
• unzulässig häufiges Ein/Aus-Schalten der Wärmepumpe vermieden
werden kann (Lebensdauer, Elektrizitätswerk-Vorschriften)
• während gewollten zeitlich langen Wärmepumpen-Betriebsunter-
brüchen die Heizanlage weiterhin betrieben werden kann (z.B.
Nachtspeicherung)
Ein Wärmepuffer ist ein kleiner Speicher (oft auch technischer Speicher
genannt) und wird eingesetzt zur hydraulischen Entkoppelung von
Wärmepumpe und Heizanlage, und zur Verhinderung von unzulässighäufigen Ein/Ausschaltungen der Wärmepumpe.
Wärmespeicher werden ebenfalls eingesetzt zur hydraulischenEntkoppelung von Wärmepumpe und Heizanlage und zur Langzeit-speicherung des Wärmebedarfs eines Gebäudes (Überbrückung von
Elektroenergie- oder Wärmequellen-Angebotslücken). In bivalenten
Wärmepumpen-Heizanlagen kann zudem die, durch eine nicht regel-
bare Feststoff-Zusatzheizung, überschüssige erzeugte Wärme im
Wärmespeicher über längere Zeit gespeichert werden.
Bei der Schichtladung erfolgt die Ladung schichtweise in einem einzi-
gen Durchgang mit konstanter Kondensator-Austrittstemperatur. Sie
wird nur in Anlagen mit Wärmespeichern eingesetzt, da sie gegenüber
der Stufenladung die folgenden Vorteile bietet:
• exakte Beherrschung der Speichertemperatur
• konstante Vorlauftemperatur garantiert
• maximale Nutzung der Speicherkapazität
• bessere Schichtung
• keine Rückwirkung auf den Verdampfer
Bei der Stufenladung geschieht die Ladung stufenweise in mehreren
Durchgängen mit steigender Kondensator-Austrittstemperatur. Sie wird
bei kleineren Anlagen mit einer Heizgruppe angewandt zusammen mit
«technischen Speichern» (vgl. oben), da sie für andere Anlagen zu viele
Nachteile aufweist.
6.9 Wärmespeicherung
Der Speicher als wichtiges Element
6.9.1 Wärmepuffer / Wärmespeicher
Wärmepuffer
Wärmespeicher
6.9.2 Schichtladung und Stufenladung
von Speichern
Schichtladung
Stufenladung
121
Wärmespeicher werden normalerweise mit einer sogenannten Lade-
regelung betrieben. Damit wird die Kondensator-Austrittstemperatur
(Speicher-Ladetemperatur) immer so hoch wie möglich gehalten. Als
Regelgrösse für die Laderegelung wird der Kältemittel-Kondensations-
druck verwendet, welcher hierbei auf einen Druck von normalerweise
ca. 2 bar unter dem Hochdruck-Sicherheitspressostat-Ausschaltdruck
geregelt wird (vgl. Fig. 6-15). Der Einbau dieses Druckfühlers erfolgt
durch den Wärmpumpen-Lieferanten.
Da beim Anfahren der Wärmepumpe der Kondensationsdruck sehr
schnell ansteigen kann, muss das Mischventil (Y1) unbedingt schnell
«kaltes» Wasser beimischen können. Damit kann ein Überschwingen
des Druckes über die Hochdrucksicherheitsgrenze verhindert werden.
Alternativ zur Laderegelung über den Kondensationsdruck, kann auch
die Kondensator-Austrittstemperatur oder die Kondensator-Eintrittstem-
peratur verwendet werden, unter Beachtung der in 6.8.2.1 aufgezeigten
Randbedingungen.
Bei der Ladung eines Wärmespeichers mit Laderegelung ergibt sich
unabhängig von der Rücklauftemperatur und Heizleistungsabgabe des
Kondensators immer die gleiche hohe Wärmespeichertemperatur.
Fig. 6-15 Hydraulische und regeltechnische Grundschaltung einer Wärmepumpen-Heizan-
lage mit Speicher
B1, B2 Speicher-Temperaturfühler �R, WP Kondensator-Eintrittstemperatur
B3 Druckfühler (Kältemittel- �V, WP Kondensator-Austritts-
Kondensationsdruck) temperatur
B4 Temperaturfühler als �RL Heizwasser-Rücklauftemperatur
Alternative zu B3 �A Aussentemperatur
Y1 Mischventil schnell öffnend
(z.B. Magnetventil Siemens)
Bei der Verwendung von Antrieben mit unterschiedlich langen Laufzei-
ten für Öffnen und Schliessen, kann es notwendig werden, das Ventil
wie in Fig. 6-16 einzubauen, damit schnell genug kaltes Wasser beige-
mischt und so eine Störung des Wärmepumpenbetriebs verhindert
werden kann.
B66-15
Δp
PID
1
2
4
3
ϑR, WP
ϑV, WP
1
ϑAϑA
ϑRL
6.9.3 Laderegelung des Wärmespeichers
122
Fig. 6-16 Einbau des Mischventils, wenn Antrieb mit unterschiedlichen Laufzeiten für
Öffnen und Schliessen und schneller schliesst als öffnet (z.B. elektrohydrau-
lischer Antrieb Siemens)
B3 Druckfühler (Kältemittel-Kondensationsdruck)
B4 Temperaturfühler als Alternative zu B3
Y1 Mischventil, Durchfluss �R, WP zu Kondensatoreintritt schnell öffnend
(< 15 s)
Dem technischen Speicher werden bei Klein- und Kleinstanlagen oft die
Investitionskosten, der Platzbedarf und die Wärmeverluste gegenüber-
gestellt. Ein technischer Speicher hat aber so viele Vorteile, dass ein
Verzicht nur in den seltensten Fällen sinnvoll ist.
Auf einen technischen Speicher sollte nur verzichtet werden, wenn die
folgenden Voraussetzungen erfüllt sind:
• annähernd konstante Wärmequellenleistung (Schwankungen < 5 K)
• gute Speicherfähigkeit des Wärmeabgabesystems (z.B. träge, gut
dämpfende Fussbodenheizung)
• keine oder nur wenige Thermostatventile in der Anlage eingebaut
• Steuerung, Regelung und Hydraulik müssen von der Quelle bis zu
Abgabe als Gesamtsystem ausgelegt, einreguliert und optimiert
werden
• ein hydraulischer Abgleich ist unabdingbar notwendig
Bei Wärmepumpen-Fussbodenheizanlagen ohne Speicher müssen
unter anderem folgende Punkte unbedingt berücksichtigt werden:
• Wärmepumpe und Fussbodenheizung müssen bezüglich Wasser-
menge, Druckabfall,Temperaturdifferenz usw. genau aufeinander
abgestimmt sein
• die im Fussboden gespeicherte Wärme kann nicht frei nach Bedarf
abgerufen werden
• die Vorlauftemperatur ist um das unregelbare Δ�Erwärmung höher als
die Rücklauftemperatur
• die Rücklauftemperatur steigt bei steigendem Ladezustand des
Fussbodens
• die Schaltdifferenz des witterungsgeführten Rücklauftemperatur-
Zweipunktereglers zum Ein/Aus-Schalten der Wärmepumpe muss
optimal eingestellt sein:
• klein genug um Raumtemperaturschwankungen zu verhindern
• so gross als möglich, um zu häufiges Ein/Aus-Schalten zu verhindern
Die richtige Einstellung der Regelung bedingt eine entsprechend lange
Betriebserfahrung.
B66-16
Δp
PID
4
3
1
6.9.4 Anlagen ohne Wärmespeicher
Genügt der Fussboden als Ersatz
für Speicher?
123
Bei der Steuerung und Regelung von Solaranlagen sind in der Vergan-
genheit oft komplizierte hydraulische Schaltungen empfohlen und
ausgeführt worden, mit dem Ziel, eine möglichst hohe Kollektor-
Austrittstemperatur zu erreichen. Der Wirkungsgrad dieser Kollektor-
anlagen ist dadurch ganz wesentlich gesunken. Durch das Erreichen
einer hohen Temperatur ab Kollektor, nahm man in Kauf, dass viel
Energie verloren ging, denn je tiefer die mittlere Kollektortemperatur
(tm Koll = 0.5*(tEin + tAus)) ist, desto grösser ist der Wirkungsgrad und der
Energiegewinnungsgrad. Durch das gewollte Anheben der Austritts-
temperatur, steigt auch die Eintrittstemperatur, und somit die mittlere
Kollektortemperatur.
Der Mensch hat ein sehr gutes Sensorium, eine Temperatur als heiss
wahrzunehmen, hat aber kein Sensorium für Energie. Arbeitet also eine
Sonnenkollektoranlage energetisch schlecht, so können wir dies mit
unseren Sinnen nicht direkt wahrnehmen. Diese Kriterien wollen wir
auf den kommenden Seiten ganz besonders im Auge behalten.
Fig. 7-1 Sonnenkollektoren auf Dach
7.1 Einleitung
In der Vergangenheit oft komplizierte
hydraulische Schaltungen
7. Regeln und Steuern von Solaranlagen
124
Der klassische Aufbau einer Sonnenkollektoranlage ist der folgende:
Fig. 7-2 Klassischer Aufbau einer Sonnenkollektoranlage
1 Sonnenkollektoren
2 Pumpe 230 V
3 Regler
4 Speicher
Sobald die Temperatur am Fühler B1 im Sonnenkollektor um einen ein-
stellbaren Wert höher ist als beim Speicherfühler B2, schaltet die Pum-
pe ein. Ist dies nicht mehr der Fall, wird Pumpe wieder ausgeschaltet.
Bei guten Regelgeräten, ist die Temperaturdifferenz zum Einschalten
und zum Ausschalten separat einstellbar, wobei vom Wert her die Diffe-
renztemperatur zum Einschalten wesentlich höher liegen muss.
Ist nur ein Wärmetauscher ist im Speicher, so ist dieser immer zu-
unterst angeordnet, dort wo die tiefste Speichertemperatur herrscht.
Sind 2 Wärmetauscher vorhanden, so kann die Wärme gezielt der
Schichtung entsprechend eingebracht werden. Dies ist ein Muss, wenn
der Speicher im Vergleich zur Sonnenkollektorfläche sehr gross ist
(üblich ist, wenn pro m2 Kollektorfläche ca. 100 l Speichervolumen zur
Verfügung steht). Diese Schaltung bringt aber auch bei normal dimen-
sionierten Speichern (mit ca. 100 l Speichergrösse pro m2 Kollektorflä-
che) grosse Vorteile, wenn der Wunsch besteht, das Warmwasser in der
noch heizbedarfsfreien Übergangszeit solange wie möglich ausschliess-
lich mit der Sonne aufzubereiten.
B67-01
1
2
7.2 Die verschiedenen Schaltungen
7.2.1 Solaranlage mit
einem Kollektorfeld
Klassischer Aufbau einer Solaranlage
Funktions-Prinzip
7.2.2 Solaranlage mit zwei
Wärmetauschern im Speicher
Zwei Speicherregister
bringen Vorteile
125
Fig. 7-3 Solaranlage mit zwei Registern im Speicher
1 Sonnenkollektoren
2 Pumpe 230 V
3 Regler
4 Speicher
5 Umstell-Ventil
Durch den zusätzlichen oberen Wärmetauscher erreicht man im oberen
Speicherbereich wesentlich höhere Temperaturen, weil das aufzuhei-
zende Volumen sehr viel kleiner ist. Dies ist sehr wichtig bei der Warm-
wasseraufbereitung, weil zum Duschen mindestens 40 °C gebraucht
werden. Ist die Leistung der Sonnenkollektoren nur noch gering und
wäre kein oberer Wärmetauscher vorhanden, so würde das ganze Spei-
chervolumen aber beispielsweise nur auf 30 °C aufgewärmt, womit
man nicht duschen könnte.
Sobald die Temperatur am Fühler B1 im Sonnenkollektor um einen ein-
stellbaren Wert höher ist als beim Speicherfühler B2, schaltet die Pum-
pe ein. Ist dies nicht mehr der Fall, wird Pumpe wieder ausgeschaltet.
Ist zudem die Temperatur beim Fühler B1 im Sonnenkollektor um ca. 4 K
höher als bei Speicherfühler B3 (oberer Wärmetauscher), so wird das
Ventil umgestellt und das Kollektormedium fliesst zuerst durch den
oberen Wärmetauscher und dann durch den unteren. Sinkt die Tempe-
raturdifferenz zwischen B1 und B3 unter 2 K, so wird das Ventil wieder
zurückgestellt und das Wasser fliesst nur noch durch den unteren Wär-
metauscher.
B67-02
1
2
3
Funktions-Prinzip
126
Um die Wärme vom Dach vollständig auszunutzen, muss immer auch
der untere Wärmetauscher durchströmt werden, um möglichst viel
Wärme an das Speicherwasser übertragen zu können. Dadurch erreicht
man auch, dass die Kollektor-Eintrittstemperatur so niedrig wie möglich
gehalten wird, und der Wirkungsgrad der Kollektoren (wie eingangs
erwähnt) nicht verschlechtert wird. Die folgende «Entweder oder»
Schaltung ist deshalb Falsch, und das Ventil beim unteren Wärmetau-
scher sollte immer weggelassen werden (vgl. Fig. 7-5). Dies gilt auch,
wenn der Speicher über einen externen Wärmetauscher geladen wird.
Fig. 7-4 Falsche «Entweder-oder»-Schaltung oberer und unterer Wärmetauscher bei
genügend hoherTemperatur in Serie durchfliessen!
Fig. 7-5 Falsche «Entweder oder»-Schaltung Ventil um unteren Wärmetauscher zu
umgehen ist wegzulassen!
B67-04
B67-03
WICHTIG
«Entweder oder»-Betrieb ist falsch
127
Haben wir 2 Kollektorfelder, die verschieden orientiert sind, so wird die
folgende Schaltung angewandt:
Fig. 7-6 Sonnenkollektor-Anlage mit 2 verschieden orientierten Feldern
1 Sonnenkollektoren
2 Pumpe 230 V
3 Speicher
Die Regelkriterien sind genau dieselben, wie bei der klassischen Anlage
zuvor, nur dass das Regelprinzip 2-mal in derselben Form auf die jewei-
lige Pumpe wirkend zum Einsatz kommt.
B67-05
B1
B2
B3
7.2.3 Solaranlage mit zwei
Kollektorfeldern
Sonnenkollektor-Anlage mit
2 verschieden orientierten Feldern
Funktions-Prinzip
128
Bei der richtig geplanten Solaranlage wird die Wärme immer an einen
Speicher abgegeben. Zudem ist immer der unterste Teil des Speichers
exklusiv reserviert für die Sonnenenergie. Das heisst, dass in diesen Teil
des Speichers nur die Sonnenkollektoranlage die Wärme einbringen
kann. Zuunterst im Speicher ist das Wasser immer am Kältesten. Dies
garantiert, dass die Kollektoranlage einerseits völlig losgelöst von der
übrigen Anlage Ein- und Ausschalten kann, aber auch, dass die Kollek-
toranlage bei der kleinsten Wärmeeinstrahlung eingeschalten kann.
Fig. 7-7 Fertig verrohrter Solarspeicher
7.3 Regelung bei Einbindung
in Gesamtanlage
Autonome Regelung der Solaranlage
auch bei Gesamtanlage
129
• Technische Unterlagen:
– Thermostaten: ETHECO, CH-Steinhausen
– Heizkessel und Abgaswärmetauscher: Viessmann, DE-Allendorf
– Brauchwasserspeicher: Domotec, CH-Aarburg
– Wärmepumpen Prozessbilder: Siemens Heiztechnik,
DE-Kulmbach
• Recknagel Sprenger Schramek «Taschenbuch für Heizung + Klima-
technik»
• Buderus «Handbuch für Heizungstechnik»
• «Impulsprogramm Haustechnik» Bundesamt für Konjunkturfragen,
CH-Bern
Der Inhalt dieser Broschüre ist ein Auszug aus dem Trainingmodul
«B06MC – Regeln und Steuern von Heizungsanlagen» erstellt bei:
Siemens Schweiz AG
HVP
Training
Gubelstrasse 22
CH-6301 Zug
Quellenangabe
Quellennachweis (Zweite aktualisierte Auflage / 2004)
130
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0-91916-de Einführung in die HLK- und Gebäudetechnik
0-91916-en Introduction to building technology
0-91917-de Hydraulik in der Gebäudetechnik
0-91917-en Hydraulics in building systems
0-91918-de Stetige Leistungsregelung im Kältekreislauf
0-91918-en Modulating capacity control in the refrigeration cycle
www.siemens.com/buildingtechnologies
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