Regeln und Steuern von Heizungsanlagen

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


Brauchwarmwasser-Anlagen


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


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


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


Laständerung unter Einbezug des

Einschaltverhältnisses ε


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, ...


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)


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


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


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


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


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



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



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)


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


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)


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)


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)


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

10

15

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


R404A* 4,2 bar 5,7 bar 7,7 bar


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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www.siemens.com/buildingtechnologies

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Siemens AG ÖsterreichBuilding TechnologiesBreitenfurter Straße 148AT-1231 WienTel. +43 517 073 2383Fax +43 517 073 2323

Siemens SA Building Technologies20, rue des PeupliersLU-2328 Luxembourg/HammTél. +352 43 843 900Fax +352 43 843 901

Die Informationen in diesem Dokument enthalten allgemeine Beschreibungen der technischenMöglichkeiten, die im Einzelfall nicht immer vorliegen müssen. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind daher im Einzelfall bei Vertragsschluss festzulegen.

Änderungen vorbehalten • Bestell-Nr. 0-91911-de •© Siemens Schweiz AG • Gedruckt in der Schweiz • 10706 Ni/Ah

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