Regeln und Steuern von Heizungsanlagen

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Regeln und Steuern
von Heizungsanlagen
Building Technologies
s
Inhaltsverzeichnis
1. Regeln und Steuern eines Heizkessels
1.1
1.2
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.5
1.4
1.4.1
1.4.2
1.5
1.5.1
1.6
1.7
1.7.1
1.7.2
1.7.2.1
1.7.3
1.8
1.9
1.10
2. Regeln und Steuern von
Mehrkesselanlagen
2.1
2.2
2.3
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.4.5
2.4.6
2.4.7
2.4.8
2.4.9
2.4.10
2.4.11
3. Steuern, Regeln und Überwachen
von Öl- und Gasbrennern
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.8.1
3.8.2
3.8.3
3.8.4
3.8.5
3.8.6
Einleitung
Regelung der Kesselwassertemperatur
Schalten von Brennerstufen
Schalten mit Kesselthermostaten
Einschaltverhältnis ε (Epsilon)
Dynamische Schaltdifferenz xσ (x Sigma)
Schalten mit Integralen Σ (K * Minuten)
Modulierende Brenner
Anlagen ohne Kesselpumpe
Lastverhalten
Kesselwassermenge bei variabler Last
Anlagen mit Hauptpumpe und drucklosem Verteiler
Lastverhalten
Führung der Kesseltemperatur
Kessel- Rücklauftemperatur-Hochhaltung
Begrenzung auf Verbrauchergruppen wirkend
Begrenzung auf ein separates Stellglied wirkend
Bypass-Anordnung bei drucklosem Verteiler
und zentraler Rücklaufhochhaltung
Rücklaufhochhaltung mit Kesselbeimischpumpe
mit Thermostat
Heizkessel mit Speicher
Kessel mit Abgaswärmetauscher
Bedarfsgeführte Wärmeerzeugung
Einleitung
Hydraulische Parallel- oder Serieschaltung der Kessel
Anforderungen an die Kesselfolgeschaltung
Umschaltkriterien zur Folgesteuerung
Handsteuerung
Folgesteuerung nach der Aussentemperatur
Folgesteuerung nach der Kesseltemperatur
Folgesteuerung nach der Laständerung unter Einbezug
des Einschaltverhältnisses ε
Folgesteuerung nach der Verbraucher-Vorlauftemperatur
Folgesteuerung nach der gemeinsamen
Kessel-Rücklauftemperatur
Folgesteuerung nach dem Maximalwert der Voroder Rücklauftemperatur
Folgesteuerung mit «hydraulischer Weiche»
Folgeschaltung nach der Speicherladung
Folgesteuerung nach der Brennerlast
Folgeregelung mit dem Modulationsgrad von
Brennwertkesseln
Einführung
Der Feuerungsautomat
Gebläsebrenner
Brenner ohne Gebläse
Leistungssteuerung für zwei- oder mehrstufige Brenner
Modulierende Brenner-Leistungssteuerung
Das Flammenüberwachungsprogramm
Die Grundstruktur des Inbetriebsetzungsprogramms
Betriebspause
Regeleinschaltung (Startbefehl)
Vorspülung
Vorzündung
Sicherheitszeit
Regelabschaltung
6
6
8
8
10
11
12
13
13
13
14
16
16
17
18
19
22
24
25
26
27
28
29
29
31
32
32
32
33
34
34
36
38
39
40
42
42
44
46
47
48
49
49
50
51
51
51
53
53
54
54
3
3.9
3.9.1
3.9.2
3.9.3
3.9.4
3.9.5
3.9.6
3.10
4. Regeln und Steuern der Wärmeabgabe und Fernwärmeübergabe
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.1.4
4.2
4.2.1
4.2.2
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.3.4
4.4
4.4.1
4.4.2
4.5
4.6
4.7
4.8
4.8.1
4.8.2
4.8.3
4.8.4
4.9
4.9.1
4.9.2
4.10
4.11
4.12
4.12.1
4.12.2
4.12.3
4.12.4
4
Besonderheiten bei der Steuerung von
Gebläsebrennern kleiner bis mittlerer Leistung
Der Luftdruckwächter kann vielfach entfallen
Kontrollierte Ölvorwärmung
Lange Vorzündung
Nachzündung / Wiederzündung
Startrepetition oder Störabschaltung bei Flammenausfall
Besonderheiten bei der Steuerung und Überwachung
atmosphärischer Gasbrenner
Die stetige Regelung des Restauerstoffgehalts im Abgas
(λ-Regelung)
Raumtemperatur-Regelung
Allgemeines zur Raumtemperatur-Regelung
Raumtemperaturregelung direkt auf Brenner wirkend
Stetige Raumtemperatur-Regelung auf Mischer wirkend
Raum-/Vorlauftemperatur-Kaskadenregelung
Aussentemperatur- oder witterungsgeführte
Vorlauftemperaturregelung
Korrektur und Nachtabsenkung des Raumtemperatur
Sollwertes
Führungseinfluss der Raumtemperatur
Individuelle Einzelraum-Temperaturregelung
Thermostatische Heizkörperregler
Einfache Einzelraum-Temperatur-Regelsysteme
Einzelraumregler integriert in GebäudeautomationsSysteme
Einzelraum-Regelsystem, kombiniert mit der Messung
des Energieverbrauchs pro Nutzeinheit
Heizgrenzen-Schaltautomatik
Jahres-Heizgrenzen-Schaltautomatik
(Sommer/Winter-Umschaltung)
Tages-Heizgrenzen-Schaltautomatik
Optimierung der Ein- und Ausschaltzeiten
Schnellabsenkung / Schnellaufheizung
Adaptive (selbstlernende) Heizkennlinie
Pumpenregelung und -steuerung
Differenzdruckabhängige Drehzahlregelung
Drehzahlregelung nach Ventilposition der Verbraucher
Pumpen-Nachlauf
Periodischer Pumpenlauf
Frostschutzfunktionen
Anlagenfrostschutz
Raum- oder Gebäude-Frostschutz
Kaminfeger-Funktion
Handbetrieb der Heizungsanlage
Regelung und Steuerung der Nah- und
Fernwärme-Übergabe
Übergabestation
Wärmezähler
Druckdifferenz-Regelung
Begrenzungs-Funktionen
55
55
55
55
56
56
57
58
60
60
61
64
65
67
69
70
71
72
75
76
77
79
80
80
81
82
82
83
83
87
87
87
87
87
87
88
88
88
88
89
91
92
Brauchwarmwasser-Anlagen
5.1
5.1.1
5.1.2
5.1.3
5.2
5.2.1
5.2.2
Brauchwasserladung mit innenliegendem Wärmetauscher
Mit Ladepumpe, ohne Vorlaufregelung
Vorlaufregelung mit Beimischschaltung
Umlenkschaltung
Brauchwasserladung mit externem Wärmetauscher
Vorlauf geregelt mit primärseitigem Ventil
Speichervorlauf geregelt mit primär- und
sekundärseitigem Ventil
Spezielle Funktionen bei Brauchwasserladungen
96
97
98
99
100
101
104
104
106
106
106
107
107
108
108
109
109
110
111
112
112
113
113
114
115
115
115
115
115
115
116
117
117
117
6.9
6.9.1
6.9.2
6.9.3
6.9.4
Einleitung
Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Die Wärmequellen
Wärmequelle Aussenluft
Wärmequelle Erdreich
Wärmequelle Grundwasser
Wärmepumpen-Benennung
Betriebsarten
Monovalenter Betrieb
Spezialfall monoenergetischer Betrieb
Bivalenter Betrieb
Bivalent-alternativer Betrieb
Bivalent-paralleler Betrieb
Bivalent-parallel/alternativer Betrieb
Wahl der Betriebsart
Kennzahlen für Wärmepumpen
Die Leistungszahl ε
Die Jahresarbeitszahl β
Die Regelbarkeit der Wärmepumpe
Heizleistungsregelung direkt an der Wärmepumpe
Heissgas-Bypass- oder Saugdrossel
Kompressor Ventilabhebung
Kompressordrehzahlregelung
Wärmepumpe Ein-/Aus-Regelung
Regelgrössen für Ein-/Aus-Regelung
Die Betriebsgrenzen der Wärmepumpe
Verdampfungsdruck Betriebsgrenze
Kondensationsdruck Betriebsgrenze
Bestimmen der maximal zulässigen KondensatorEintrittstemperatur
Wärmespeicherung
Wärmepuffer / Wärmespeicher
Schichtladung und Stufenladung von Speichern
Laderegelung des Wärmespeichers
Anlagen ohne Wärmespeicher
119
121
121
121
122
123
7.1
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.3
Einleitung
Die verschiedenen Schaltungen
Solaranlage mit einem Kollektorfeld
Solaranlage mit zwei Wärmetauschern im Speicher
Solaranlage mit zwei Kollektorfeldern
Regelung bei Einbindung in Gesamtanlage
124
125
125
125
128
129
5.3
Wärmepumpenanlagen
7. Regeln und Steuern von Solaranlagen
6.1
6.2
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.4
6.5
6.5.1
6.5.1.1
6.5.2
6.5.2.1
6.5.2.2
6.5.2.3
6.5.3
6.6
6.6.1
6.6.2
6.7
6.7.1
6.7.1.1
6.7.1.2
6.7.1.3
6.7.2
6.7.2.1
6.8
6.8.1
6.8.2
6.8.2.1
102
103
5
1. Regeln und Steuern eines Heizkessels
1.1 Einleitung
Von den Heizkessel- Herstellern werden verschiedene Grenzwerte vorgeschrieben, 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
Bedingungen teilweise gegenläufig
Diese Bedingungen sind teilweise gegenläufig. So lässt sich beispielsweise 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 Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt, um diese Randbedingungen zu erfüllen. Je nach eingesetzten Anlagekomponenten, Reglern und Systemen, ist die eine oder
andere Lösung sinnvoller oder es muss eine Kombination der vorgestellten Ansätze in Betracht gezogen werden.
1.2 Regelung der Kesselwassertemperatur
Thermostatenregelung
Eine einfache und nach wie vor häufig angewendete Lösung zur Regelung 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.
3
4
1
2
Fig. 1-1
6
w
6
5
Heizkessel mit Regelthermostat und Sicherheitstemperaturbegrenzer
1 Heizkessel
2 Brenner
3 Regelthermostat
4 Sicherheitsttemperaturbegrenzer
5 Zweipunktregler mit Sollwertgeber
6 Fühler
Bei einer Thermostatenregelung schaltet der Regelthermostat (3 in
Fig.1-1) den Brenner unterhalb einer gewissen Kesselwassertemperatur ein (xu) und schaltet diesen beim Überschreiten des oberen Schaltpunktes (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.
EIN
AUS
ϑ [°C]
xu
Fig. 1-2
XD
xo = w
Statische Kennlinie eines Regelthermostaten
Daraus ergibt sich dann folgendes dynamisches Verhalten:
ϑ [°C]
xo
xu
Kesselwassertemperatur ϑK (z.B. w = 70 °C)
XD
Aussentemperatur ϑA
0
Fig. 1-3
Sicherheitstemperaturwächter und
-begrenzer
t
Verlauf der Kesselwassertemperatur bei einer Thermostatenregelung
■■ Brenner EIN
Zur Gewährleistung der notwendigen Sicherheitsfunktionen werden bei
einem Heizkessel Sicherheitstemperaturbegrenzer und teilweise auch
noch Sicherheitstemperaturwächter eingebaut.
Der Sicherheitstemperaturbegrenzer schaltet bei zu hoher Kesseltemperatur 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 eingestellten Grenzwertes ebenfalls die Anlage aus, schaltet aber automatisch 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.
7
D
G
E
F
C
B
H
A=
B=
C=
D=
E=
F=
G=
H=
Fühler mit Ausdehnungsflüssigkeit
Dose mit Membrane
Metallkugel
Mikroschalter
Sollwerteinstellung
Drehpunkt
Druckfeder
Drehpunkt bei Bruch resp. für
Eigensicherheit
A
1.3 Schalten von Brennerstufen
1.3.1 Schalten mit Kesselthermostaten
8
Fig. 1-4
Kesselthermostat (mögliche Bauform)
Fig. 1-5
Doppelthermostat (versch.
Kombinationen von Temperaturreglern/-wächtern und Sicherheitsbegrenzer möglich)
Temperaturwächter und Sicherheitstemperaturbegrenzer
(für Einbau in Kesselschaltfeld)
Um einen regeltechnisch stabilen und energieoptimalen Betrieb der
Anlage zu gewährleisten, sollten die, durch die Schaltdifferenzen der
Kesselregler hervorgerufenen, Temperaturschwankungen im Hauptvorlauf möglichst klein gehalten, bzw. ganz eliminiert werden.
Wo nicht konstant hohe Vorlauftemperaturen gefordert werden, bewirkt
eine witterungsgeführt reduzierte Kessel- bzw. Vorlauftemperatur, niedrigere Wärmeverluste (vgl. 1.6).
Die witterungsabhängige Führung drängt sich ganz besonders dort auf,
wo die einzelnen Brennerstufen über Zweipunktregler geschaltet werden und sich dadurch bei Teillast die höheren und bei Volllast die tieferen Kesseltemperaturen einstellen (Fig. 1-6).
ϑ
A
Aus
S1
Xt
Ein
B
C
s’
S2
S2
S1
B61-3
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 Kesseltemperatursollwert mindestens um die der aktuellen Last entsprechenden 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 Schaltdifferenz des Kesselreglers höher zu stellen (Einstellung entsprechend dem
Überschwingen s’ in Fig. 1-6) längere Brennerlaufzeiten.
Beispiel:
Min. zulässige Kesselrücklauftemperatur
Temperaturdifferenz zwischen Kesselein- und austritt
Schaltdifferenz des Kesselreglers
Sollwert Kesseltemperatur = 60 °C + 10 K + 4 K
= 60 °C
= 10 K
=8K
= 74 °C
Der minimale Kesseltemperatursollwert ist also immer abhängig von
der minimal zulässigen Kesselrücklauftemperatur. Zur Tiefhaltung der
Kesseltemperatur ist es deshalb nötig, die Temperaturdifferenz zwischen Kesseleintritt und -austritt so klein wie möglich zu wählen, d.h.
ausgehend von der zugelassenen maximalen Kessel-Durchflussmenge,
welche meist einer Temperaturdifferenz von etwa 10 K entspricht. Nachteilig sind die dadurch entstehenden höheren Investitionskosten (Stellglieder, Pumpen, Armaturen usw.) sowie auch der höhere Pumpenenergiebedarf.
Die herabgesetzten Grenzwerte, betreffend die Schadstoffemissionen
aus Feuerungen und die gleichzeitigen Bestrebungen zur Minimierung
des Energieverbrauchs, führten unter anderem zur Forderung nach langen Brennerlaufzeiten, bzw. weniger Brennerstarts. Jeder Brennerstart
bewirkt zusätzlichen Schadstoffausstoss und erhöhte Kesselverschmutzung.
9
Durch die erforderlichen Vorspülzeiten bei Gebläsebrennern entstehen
zusätzliche Energieverluste durch innere Auskühlung, was zusammen
mit der Kesselverschmutzung zur Verminderung des Jahresnutzungsgrades beiträgt. Längere Schaltintervalle können allerdings nicht allein
durch die Regelung erreicht werden. Eine Verbesserung könnte der stetig gesteuerte (modulierende) Brennerbetrieb bringen (vgl. 1.3.5.) oder
der Einsatz eines entsprechenden Wärmespeichers (vgl. 1.8).
1.3.2 Einschaltverhältnis ε (Epsilon)
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.
te
tz
ε=
y [ %]
Y (%)
Y = εYh * ε
100%
y = Yh *
0%
te
ta
t
tz
Fig. 1-7
Einschaltverhältnis
Die aus dem Schaltzyklus resultierende theoretische Stellgrösse (in
Fig.1-7 fein eingezeichnet bei y= 50 %) beträgt in Einheiten der Stellgrösse:
y = Yh * ε
und die der Anlage zugeführte mittlere Leistung:
P = Pmax * ε
10
1.3.3 Dynamische Schaltdifferenz
xσ (x Sigma)
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 grössere Schwankungen aufweisen (vgl. Fig. 1-6 Xt), als diese statische
Schaltdifferenz. Die effektiven Schwankungen werden z.T. als dynamische 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 werden, z.B. bei zu häufigen Brennerstarts.
Nachfolgendes Diagramm zeigt die Zusammenhänge der verschiedenen Grössen. Es gilt für den Zweipunktregler (ohne Rückführung) und
für den häufigen Betriebsfall von 50 % Last.
1
x
xh
0.2
0.8
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.5
0.4
0.6
0.3
0.8
1
0.2
f T
0.1
2
0.1
0.08
0.06
0.05
0.05
3
0.02
5
6
7
8
9
10
4
0.04
0.03
0.02
0.01
0.01
Fig. 1-8
0
xSD
xh
0.02
0.03
15
0.05
0.1
0.2
0.3 0.4 0.5
0.7
Tt
1 T
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.
11
1.3.4 Schalten mit Integralen
Σ (K * Minuten)
Eine weitere Möglichkeit zum Schalten von Brennerstufen (oder auch
von Folgekesseln, vgl. Kapitel 2) ist das Schalten auf Grund der Temperaturabweichung 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.
Vereinfachte Funktionsweise
Sinkt die Kesselwassertemperatur um mehr als die Schaltdifferenz SD,
wird die 1. Stufe eingeschaltet und es startet die Integration der Temperaturdifferenz 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 EinschaltIntegrals 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 AusschaltIntegrals Σ (K * Minuten)2 für die 1. Stufe aktiviert. Wird der für das Ausschalt-Integral vordefinierte Wert erreicht, schaltet auch die 1. Stufe aus.
ϑ
Σ (K * Minuten)1
Σ (K * Minuten)2
w
SD
Xt
tmin
1
S2
S1
B61-4
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 definiert, bei denen die Stufen im Sinne einer Sicherheitsschaltung zwingend 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 Anlagebedingungen 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.
12
Diese Lösung bietet gegenüber der Thermostatenregelung den Vorteil,
dass nicht nur auf Grund der Temperaturdifferenz Leistungsstufen zu-/
weggeschaltet werden, sondern dass auch das zeitliche Verhalten dieser Temperaturänderungen mitberücksichtigt wird.
1.3.5 Modulierende Brenner
1.4 Anlagen ohne Kesselpumpe
1.4.1 Lastverhalten
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 werden. 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 Vorlauftemperatur ist, da diese im effektiven Betrieb je nach Regelung und
Steuerung des Brenners mehr oder weniger stark schwankt (vgl. 1.3).
ϑKV
80 °C
ϑVL
ϑRL = ϑKR
ϑRL
ϑ
90
ϑKV
80
70
ϑVL
60
ϑRL
50
40
ϑRL = ϑKR
30
20
100 %
75 %
50 %
25 %
0%
B61-5
Fig. 1-10 Kessel mit mehreren Verbrauchergruppen (Beimischschaltung); Lastdiagramm
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 diesem 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 Heizkörperheizung.
Die Kesselrücklauftemperatur stellt sich entsprechend der Rücklauftemperatur der Heizgruppen ein d.h. KR = RL.
1.4.2 Kesselwassermenge
bei variabler Last
In der in Fig. 1-10 gezeigten Anlage fördern die Heizgruppen (in Beimischschaltung) das benötigte Kesselvorlaufwasser mit der eigenen
Pumpe über den Heizkessel.
Daraus resultiert eine der erforderlichen Last angepasste Wassermenge, 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 Rücklauftemperatur der Heizgruppe zeigt.
ϑ
90
ϑKV
80
70
ϑVL
60
ϑRL
50
40
30
20
100 %
75 %
50 %
25 %
0%
B61-6
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 einer Teillast
=
VL – RL
* 100 %
KV – RL
Die Vor- und Rücklauftemperaturen der Heizgruppe können aus der Temperatur-Kennlinie Fig. 1-11 ermittelt werden. Bei einer Last von 50 %
sind dies eine Vorlauftemperatur von 60 °C und eine Rücklauftemperatur von 50 °C.
Kesselwassermenge bei 50 % Last
Kesselwassermenge bei 50 % Last
14
55 ºC – 45 ºC
* 100 %
80 ºC – 45 ºC
= 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.
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 Rücklauftemperatur ist und/oder je tiefer diese im Verhältnis zur Kesselwassertemperatur angesetzt sind (z.B. 55/45 °C).
%
100
90
80
70
60
55%
50
40
29%
30
20
11%
10
0
100 %
75 %
50 %
25 %
0%
B61-7
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.
15
1.5 Anlagen mit Hauptpumpe und
drucklosem Verteiler
1.5.1 Lastverhalten
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 Heizgruppen, wie dies unter 1.4 gezeigt wurde.
ϑKV
ϑVL
80°C
ϑRL
ϑKR
ϑ
90
ϑKV
80
ϑKR
70
60
ϑRL
50
ϑVL
40
30
20
100 %
75 %
50 %
25 %
0%
B61-8
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 Rücklauftemperaturen (VL und RL) der Heizgruppen zeigen den schon bekannten 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.
16
1.6 Führung der Kesseltemperatur
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 nachgeschalteten 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 Kesselrücklauftemperaturen (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 Gruppenvorlauftemperatur 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.
Abstand ≈ 5 K
Fig. 1-14 Führung der Kesselwassertemperatur unter Berücksichtigung der minimal
zulässigen Rücklauftemperatur RL min.
17
1.7 Kessel- RücklauftemperaturHochhaltung
Korrosion des Kessels
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 Wasserdampf kondensiert. Da mit Ausnahme von gereinigtem Erdgas und
Ferngas in jedem anderen Brennstoff mehr oder weniger Schwefel enthalten 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 beschränken, muss dafür gesorgt werden, dass im Bereich der Feuerraumwandungen die vom Hersteller vorgeschriebene Kesselwassertemperatur
von z.B. 55 °C nicht unterschritten wird. Dazu ist unbedingt erforderliche, dass:
• die Kesselwassertemperatur selbst immer über diesem Grenzwert
liegt
• kein Kesselrücklaufwasser mit einer Temperatur unterhalb dieses
Grenzwertes in den Bereich der Feuerraumwandungen gelangt
18
Unkritisch bei modernen Niedertemperatur-Heizkesseln
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 abgesenkt werden.
Lösungen
Bei Heizkesseln die nicht korrosionsbeständig sind, ist man bestrebt,
das Auftreten schädlicher Temperaturen im Kessel durch die Wahl einer
geeigneten hydraulischen Schaltung zu verhindern. Bei schnellen, starken 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)
1.7.1 Begrenzung auf
Verbrauchergruppen wirkend
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 externen Gruppen oder Unterverteiler durch eigene Begrenzungsregler hochgehalten wird. Ferner dürfen weder handgeregelte Gruppen noch Gruppen ohne Eingriffsmöglichkeiten vorhanden sein.
Voraussetzung
Voraussetzung für die Minimalbegrenzung der Kesselrücklauftemperatur ist eine Pumpe im Kesselkreislauf, die es ermöglicht, Wasser aus
dem Kesselvorlauf direkt dem Kesselrücklauf beizumischen.
Funktionsweise
Der Begrenzungsregler verhindert ein Absinken der Kesselrücklauftemperatur 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 VerbraucherRücklaufwasser zugeführt wird.
B61-10
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-Rücklaufwasser zum Kessel zurück. Sobald jedoch mit fortschreitender Aufheizung der Anlage die Kesselrücklauftemperatur den Sollwert wieder
übersteigt, werden die Gruppenregelungen vom Minimalbegrenzer wieder allmählich freigegeben.
19
Priorität Kesselschutz vor
Aufheizvorgang
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.
Wichtige Verbrauchergruppen
ausschliessen
In der Praxis ist es nun aber gar nicht nötig, dass der Minimalbegrenzer
beim Anfahren der Anlage in alle Gruppenregelungen «kesselwasserrationierend» eingreift. Ohne weiteres können so viele Gruppen von der
Begrenzungsregelung ausgeschlossen werden, wie der Kessel von seiner 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 «Kesselwasserrationierung» ausgenommen werden, da diese wegen Einfriergefahr und Komforteinbusse jederzeit auf eine uneingeschränkte Wärmeversorgung angewiesen sind.
Dimensionierung von Stellgliedern
und Bypass
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 einzelnen Verbraucher-Gruppen, sowie des Bypasses (abhängig von der Art
des Verteilers). Das folgende Beispiel zeigt einige diesbezügliche Überlegungen.
Die in Fig. 1-16 gezeigte Anlage arbeitet mit einer Kesselvorlauftemperatur KV von 80 °C, die beiden Heizgruppen mit Vor-/Rücklauftemperaturen (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 dimensioniert 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
80°C
Mischpunkt
60/40°C
60/40°C
55°C
Mischpunkt
40°C
B61-11
Fig. 1-16 Kesselrücklauftemperatur-Hochhaltung; Ventil- und Bypassdimensionierung
20
max. Kesselwassermenge
für Heizgruppe
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 Heizgruppe, deren Ventil und Bypass entsprechend dimensioniert werden. Die
maximal notwendige Kesselwassermenge in % der durch die Gruppenpumpen geförderten Wassermengen lässt sich aus den Temperaturverhältnissen (im Auslegezustand) am Mischpunkt der Heizgruppen
berechnen:
max. Kesselwassermenge (für Heizgruppe) =
=
max. Kesselwassermenge (für Heizgruppe) =
Temperaturdifferenz für
Ventildimensionierung
VL – RL
* 100 %
KV – RL
60 ºC – 40 ºC
* 100 %
80 ºC – 45 ºC
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
Wassermenge über Kessel-Bypass
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
Wassermenge im Kessel-Bypass
=
KRmin – RL
* 100 %
KV – RL
=
55 ºC – 40 ºC
* 100 %
80 ºC – 45 ºC
=
37.5 %
21
1.7.2 Begrenzung auf ein separates
Stellglied wirkend
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 zuzuordnen. 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 handgeregelte Gruppen, Gruppen ohne Eingriffsmöglichkeit oder Unterverteiler
ohne eigene Minimalbegrenzung angeschlossen werden, sowie in Anlagen mit verschiedenartigen Regelsystemen (elektronisch, pneumatisch)
oder wenn Regler verschiedener Hersteller verwendet werden.
Der Begrenzungsregler verhindert ein Absinken der Kesselrücklauftemperatur unter den eingestellten Sollwert, indem er das separate Stellglied so einstellt, dass dem Kesselrücklauf – je nach Verteilerbauart –
weniger kaltes Verbraucher-Rücklaufwasser oder mehr heisses Kesselwasser zugeführt wird. Die Fig. 1-17 zeigt als Beispiel eine entsprechende Schaltung für einen drucklosen Verteiler.
Konstante Beimischung
in RL-Hochhaltung
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 installationstechnischen Gründen und Kostenüberlegungen ist es sinnvoll
einen festen Kesselbypass einzubauen, sobald die ständig beigemischte Kesselwassermenge > 30 % ist.
konstante Beimischung
bei Bedarf
B61-12
Fig. 1-17 Rücklaufhochhaltung mit separatem Dreiwegventil (konstanter Bypass
bei Bedarf)
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 Kurzschlusses eine im nächsten Abschnitt beschriebene, sogenannte
Anfahrpriorität gewählt werden kann, haben diese Schaltungen den
Nachteil, dass während der Begrenzungsfunktion alle am Verteiler angeschlossenen Verbrauchergruppen in ihrer Leistungsabgabe eingeschränkt 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 Lüftungs- und Klimaanlagen anzuschliessen sind.
23
1.7.2.1 Bypass-Anordnung
bei drucklosem Verteiler und
zentraler Rücklaufhochhaltung
Wie bereits erwähnt, kann beim drucklosen Verteiler durch die
Platzierung des Kurzschlusses die Anfahrpriorität hydraulisch gewählt
werden.
Kurzschluss am Anfang des
Verteilers
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 gleichmässig reduziert aufgeheizt. Da mit fortschreitender Erwärmung der
Anlage und damit auch der Kesselrücklauftemperatur das BegrenzungsStellglied immer mehr öffnet, wird der Kesselwasser-Anteil im Vorlaufverteiler immer grösser. Wenn schliesslich der Minimalbegrenzer das
Stellglied ganz geöffnet hat, steht den Verbrauchern die volle Kesselleistung zur Verfügung.
A
B
C
D
B61-13
Fig. 1-19 Beeinflussung der Anfahrpriorität durch Bypass-Anordnung
Kurzschluss-Platzierung je nach
Anfahrpriorität der Gruppen
Kurzschluss am Ende des Verteilers
24
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 (Einfriergefahr, 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 Rücklaufsammler.
Befindet sich der Kurzschluss am Ende des Verteilers (Fig. 1-19, D), so
bekommen während der Begrenzungsfunktion nur die Gruppen am Verteiler-Anfang das gewünschte Kesselwasser. Die anderen Gruppen hingegen holen sich ihr Wasser über den Kurzschluss aus dem Rücklaufsammler. 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.
1.7.3 Rücklaufhochhaltung mit Kesselbeimischpumpe mit Thermostat
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 heisses Wasser aus dem Kesselvorlauf bei und hebt dadurch die Kesselrücklauftemperatur an.
A
B61-14
Fig. 1-20 Rücklaufhochhaltung mit Kesselbeimischpumpe (eher selten)
Sorgfältige Dimensionierung
der Pumpe
Schaltung nicht empfehlenswert
Die Kesselbeimischpumpe muss sorgfältig dimensioniert werden. Sie
ist für den Volumenstrom auszulegen, der zur Anhebung der Kesselrücklauftemperatur auf den gewünschten Minimalwert erforderlich ist. Um
elektrische Energie zu sparen, kann die Pumpe durch einen Thermostaten, der die Eintrittstemperatur zum Kessel misst, ein- und ausgeschaltet werden. Der Thermostat wird nach dem Anschluss des KesselBypasses in die Kesselrücklaufleitung eingebaut (Fig. 1-20, A). An diesem Einbauort wird eine zu tiefe Eintrittstemperatur erfasst, und die
Kesselbeimischpumpe wird zugeschaltet. Sie bleibt so lange eingeschaltet, bis die Rücklauftemperatur zum Kessel wieder über den Minimalwert angestiegen ist – was ziemlich rasch geschieht. Dies führt zu
häufigem Ein- und Ausschalten der Kesselbeimischpumpe. Eine Rücklaufsperre in der Bypassleitung verhindert eine unerwünschte Wasserzirkulation 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 Aufheizvorgang bei grösseren Anlagen eine längere Zeit erforderlich sein kann,
ist diese Schaltung nicht empfehlenswert.
25
1.8 Heizkessel mit Speicher
Viele Kesselkonstruktionen kommen mit einem sehr kleinen Wasserinhalt 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 anlagespezifischen Randbedingungen abhängig.
In einer Anlage wie in Fig. 1-21 gezeigt, wird der Kessel bedarfsabhängig von den Fühlern mit Zweipunktreglern (oder auch Speicherthermostaten) 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 Temperaturschichtung im Speicher nicht zu zerstören.
Ein
Aus
Fig. 1-21 Heizkessel mit Speicher; Kesselvorlauftempertur geregelt
Fig. 1-22 Heizkessel (mit Gasbrenner) und Speicher
26
1.9 Kessel mit Abgaswärmetauscher
Bei solchen Anlagen werden die Abgase über einen nachgeschalteten
Wärmetauscher geführt. Die Abgase werden dabei unter die Kondensationstemperatur abgekühlt. Dadurch lässt sich ein Teil der Kondensationswärme, sowie die noch vorhandene fühlbare Wärme der Abgase
ausnutzen und damit das Kesselwasser vorwärmen ( erhöhter Wirkungsgrad). Der Abgaswärmetauscher muss mit einer tiefen Rücklauftemperatur 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 entsprechender Materialien für den Wärmetauscher, aber auch für den
Heizkessel und das Kamin. Aus diesen Gründen wurde zu Beginn
dieser Technologieentwicklung (ab 1980) hauptsächlich ein separater
Wärmetauscher eingesetzt. Heute sind verschiedene handelsübliche
Heizkessel (für Gas und Heizöl), sogenannte Brennwert- oder Kondensationskessel 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
27
1.10 Bedarfsgeführte Wärmeerzeugung
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 Kommunikations-Netzwerken zur Koordination der Energieaufbereitung und -verteilung (z.B. LPB-Bus) sowie für die Energieauswertung (z.B. SYNERGYRBus) zwischen der Energiezentrale und den einzelnen Unterstationen
(Häusern).
Fig. 1-24 Beispiel eines Kommunikationsnetzwerkes in einer Wohnüberbauung
Abzweigdose LPB-Bus
Abzweigdose Wärmemessung-Bus (plombiert, z.B. SYNERGYR)
LPB-Datenbus
Wärmemessung-Bus
28
2. Regeln und Steuern von Mehrkesselanlagen
2.1 Einleitung
Auf den ersten Blick scheint die Steuerung und Regelung von Mehrkesselanlagen kaum nennenswerte Probleme zu bieten. Öl- oder gasbefeuerte Kessel mit Wasser als Wärmeträgermedium stellen Regelstrecken
mit gut beherrschbaren Schwierigkeitsgraden dar. Auch die Lastanpassung erscheint logisch: Reicht die betriebene Wärmeerzeugung nicht
mehr aus, wird ein Folgekessel zugeschaltet und wieder weggeschaltet, sobald er nicht mehr benötigt wird. Setzt man jedoch eine energieoptimale 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.
Eingrenzung
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 wegzuschaltenden Folgekessel einstellt. Bei Systemen welche sich entweder
nicht oder aber besonders gut für mehr als zwei Kessel eignen, wird
speziell darauf hingewiesen.
2.2 Hydraulische Parallel- oder
Serieschaltung der Kessel
Parallelschaltung
In Parallelschaltung (Fig. 2-1) erhalten alle Kessel die gleiche Rücklauftemperatur. 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 Verbraucherlast beispielsweise 40 % beträgt, verteilt sich die Leistung – bei 2
gleichen Kesseln – zu je 20 % auf die beiden Kessel. Die Parallelschaltung 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 schlechtem Wirkungsgrad betrieben werden muss. Die Parallelschaltung erfordert allerdings einen exakten Abgleich der Wasserströme, die proportional zum Leistungsanteil der einzelnen Kessel sein müssen, um die volle
Leistungsabgabe jedes Kessels zu ermöglichen.
B62-1
Fig. 2-1 Mehrkesselanlage in Parallelschaltung
29
Fig. 2-2 Zweikesselanlage (Ölkessel in Parallelschaltung; Kessel rechts mit
Schalldämmhaube)
Serieschaltung
In Serieschaltung (Fig. 2-3) erhalten die Kessel nicht die gleiche Rücklauftemperatur. Die Vorlauftemperatur des Führungskessels kann die
Rücklauftemperatur des Folgekessels sein. Die Kessel übernehmen
unterschiedliche Leistungsanteile.
B62-2
Fig. 2-3 Mehrkesselanlage in Serieschaltung
Übersteigt die Verbraucherlast die Volllast des Führungskessels (B1),
bleibt dieser nach dem Zuschalten des Folgekessels (B2) auf Vollastbetrieb, während letzterer im Kleinlastbetrieb beginnen muss. Sinkt die
Verbraucherlast wieder unter die Leistungskapazität des Führungskessels, führt dies – bei Thermostatregelung der einzelnen Kessel – zu
unkontrollierten Brennerschaltungen an beiden Kesseln. Die Serieschaltung eignet sich insbesondere dann, wenn ein Wärmeerzeuger, der
tiefe Rücklauftemperaturen fordert, (Gaskessel mit Abgaskondensator
oder Wärmepumpe) einem konventionellen Kessel vorgeschaltet wird.
30
2.3 Anforderungen an die
Kesselfolgeschaltung
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 minimalen 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 StillstandsEnergieverluste zu vermeiden
• nach dem Zuschalten mindestens solange in Betrieb bleiben, dass
die Säurekondensate im Feuerraum und in den Abgaswegen vollständig 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 Betriebszustandes 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 Teillastpunkt 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 abgekoppelt werden können
Reaktion auf temporäre Lastspitzen
Bei Schnellaufheizung, Wassererwärmung sowie bei anderen Aufheizvorgängen mit grossem temporärem Leistungsbedarf, soll der Kesseltemperatursollwert sofort auf seinen Maximalwert angehoben und – je
nach Gesamtlastzustand – der Folgekessel verzögerungsfrei zugeschaltet werden.
Prioritätsumschaltung
Je nach Anlagekonzept, Kesseltyp, Brennstoffwahl, Leistungsaufteilung
oder hydraulischer Schaltung usw., kann eine automatische oder
manuelle Umschaltung der Kesselpriorität erwünscht sein.
Energieoptimaler Betrieb
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 Leistungsaufteilung auf die einzelnen Kessel anzustreben, so dass jeder Kessel in
einem optimalen Wirkungsgradbereich arbeiten kann.
31
Wird in der Übergangszeit, während der Nachtabsenkung keine Energie
benötigt, soll auch der Führungskessel abgeschaltet werden. Als Steuergrösse 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.
2.4 Umschaltkriterien zur
Folgesteuerung
häufig verwendete Umschaltkriterien
weitere Umschaltkriterien
Die Folgesteuerung von Mehrkesselanlagen kann nach verschiedenen
Kriterien erfolgen. Welche Kriterien am sinnvollsten eingesetzt werden
hängt von der Anlagesituation und den Betriebsbedingungen und -vorgaben ab und muss in jedem einzelnen Fall separat entschieden werden.
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 entsprechend der anstehenden Last zu realisieren. Beispielsweise kann die
Ventilstellung des am meisten geöffneten Ventils als Kriterium herangezogen werden um eine weitere Leistungsstufe (Brenner oder Kessel)
zuzuschalten.
Es können aber auch andere Kriterien wie z.B. Brauchwasserladung,
Schnellaufheizung, Störumschaltung, ... für die Folgesteuerung eingesetzt werden.
2.4.1 Handsteuerung
2.4.2 Folgesteuerung nach der
Aussentemperatur
32
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 Leistungsbedarfs (Wettervorhersage, Informationen über bevorstehende In- oder
Ausserbetriebsetzungen von Wärmeverbrauchern etc.).
Es handelt sich also um keine automatische, aber dennoch «intelligente» Methode der Folgesteuerung.
In Kesselanlagen, deren Wärmeleistung zu über 90 % für Raumheizungen verbraucht wird, eignet sich die Aussentemperatur gut als Bezugsgrösse 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 Lastspitzen bei Aussentemperaturen > 0 °C auftreten können.
Kesseltemperatur
Steuerung mit Thermostaten
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 Schaltdifferenzen 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 Zuschaltverzögerungen haben oft einen grossen Temperaturabfall im Führungskessel zur
Folge, was zu schädlichen Abgaskondensationen führen kann. Die Feststellung, 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 einzustellen. Im Vollastbetrieb bringt dieser Eingriff zwar den gewünschten
Erfolg, im Teillastbetrieb schalten dann aber die beiden Kessel gleichzeitig ein und aus!
2
2
B1
50%
B2
50%
Fig. 2-4 Folgesteuerung nach der Kesseltemperatur mit Kesselthermostaten bei
Parallelschaltung
1 Regelthermostat
2 Sicherheitstemperaturbegrenzer
Kesseltemperaturregler
Digitale Kesseltemperaturregler bieten elegantere Lösungen dieser Problematik 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 entsprechend umgekehrte Prozedur (vgl. 1.3.4).
Selbst im stetigen Stellbereich eines modulierenden Brenners ist es
mit Digitaltechnik möglich, diesen in einzelne Leistungsstufen zu unterteilen 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 Brenner-Leistungsänderungen bewirkt.
33
Laständerung unter Einbezug des
Einschaltverhältnisses ε
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 Gesamtleistungsbilanz geführt und diejenigen Heizkessel zugeschaltet, die den
Wärmebedarf langfristig mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad zu
erbringen vermögen.
2
1
2
B1
1
B2
50%
50%
3
Fig. 2-5 Folgesteuerung mit Kesseltemperaturfühler und Einschaltverhältnis
1 Kesseltemperaturfühler
3 Kesselfolge-Regel-/Steuergerät
Verbraucher-Vorlauftemperatur
Die Verbraucher-Vorlauftemperatur (gemessen im Hauptvorlauf zum Verteiler) ist bei thermostatisch geregelten Kesseln nur als Zuschaltkriterium 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 «brüderlich» unter sich auf und arbeiten im intermittierenden Betrieb. Die Vorlauftemperatur wird auf dem Reglersollwert gehalten und liefert so
keine Information darüber, ob zugeschaltete Kessel wieder weggeschaltet werden können.
Beim Stufenregler mit P-Verhalten erfolgt die Brennerschaltung sowie
die Zu- und Wegschaltung des Folgekessels zwar direkt temperaturabhängig; durch die P-Abweichung und die Schaltabstände ergeben sich
jedoch grosse Vorlauftemperaturschwankungen. Deshalb ist diese Steuerung 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 Stufenschalter (Fig. 2-6) erreicht werden. Allerdings wird die vorteilhafte
Eigenschaft als «Regelung ohne Sollwertabweichung», durch den erforderlichen Einsatz eines Mehrstufenschalters wieder verschlechtert. Die
Vorlauftemperaturschwankungen können aber in kleineren Grenzen
gehalten werden. Als Nachteil ergeben sich daraus häufigere Brennerschaltungen und zudem neigen Anlagen mit PI-Regelung vermehrt zum
Pendeln. Um dies zu verhindern, müssen in jedem Falle Ein- und Ausschalt-Zeitverzögerungsglieder eingebaut werden.
34
Zu beachten ist bei dieser Steuerungsart auch, dass beim Zuschalten
des Folgekessels, dessen Vorlauftemperatur sofort auf den Reglersollwert hochgefahren wird, und so – über die Ausgleichsleitung – auch
die Kesselrücklauftemperatur entsprechend ansteigt. Und, weil der Führungskessel auf Volllastbetrieb bleibt, steigt auch seine Vorlauftemperatur, parallel zur Rücklauftemperatur an (siehe Temperatur-/Lastdiagramm). Es ist deshalb sicherzustellen, dass in diesem Falle noch genügend Abstand zur Sicherheits-Begrenzungstemperatur bleibt. Bei
digitalen Systemen kann, mit dem Zuschalten des Folgekessels, der
Vorlauftemperatur-Sollwert abgesenkt und anschliessend wieder gleitend 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 werden. Je nach Anlagekonzept kann eine aussentemperaturabhängige
Sperrung des Folgekessels oder auch einzelner Brennerstufen aufgeschaltet werden. Gut geeignet ist diese Steuerung für Gaskesselanlagen mit atmosphärischen Brennern und hydraulischer Parallelschaltung,
denn hier sind häufige Schaltungen ohne weiteres zulässig.
1
4
4
50%
50%
3
2
PI
w=80 °C
ϑB
B1 + B2
100
S4
S3
S2
S1
ϑB1
90
ϑB1
80
70
B1
ϑB2
ϑR
ϑR
60
50
40
30
20
100 %
75 %
50 %
25 %
0%
B62-4
Fig. 2-6 Folgeschaltung nach der Vorlauftemperatur (1) durch PI-Regler (2) mit Vierstufenschalter (3); Kessel in Parallelschaltung – mit Sicherheitstemperaturbegrenzer (4)
35
Eine wesentliche regeltechnische Verbesserung kann mit der hydraulischen 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 Kesseltemperaturregler, 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 reduzieren, ist es empfehlenswert, eine mehrstufige Pumpe einzusetzen.
Auch bei hydraulischer Serieschaltung ist eine Prioritätswahl durch
Sequenzumkehr möglich (unabhängig von der Anzahl Kessel).
PWS
Y2
PI
w
PI
wMIN
wMIN
2 1
2 1
B62-5
Fig. 2-7 Folgeschaltung nach der Vorlauftemperatur durch PI-Sequenzregler; Kessel in
Serieschaltung
2.4.6 Folgesteuerung nach der gemeinsamen Kessel-Rücklauftemperatur
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 Einstellwerte, 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 zweistufigen 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 Zeitverzögerungen eingebaut. Durch die P-Abweichung werden relativ lange Brennerlaufzeiten 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.
36
In Anlagen mit hydraulischen in Serie geschalteten und mit Mischventilen 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 Rücklauftemperaturregelung kombiniert werden.
Die Regelung nach der Rücklauftemperatur erfordert, vor allem bei
Parallelschaltung, eine sorgfältige hydraulische Dimensionierung und
den Abgleich der Kesselwasserströme bei der Inbetriebsetzung. Ungleiche Kesselleistungen wirken sich ungünstig auf die Prioritätsumschaltung aus (Volumenstromänderungen verlangen eine Umschaltung
auf andere Sollwerte). Für mehr als zwei Kessel ist diese Steuerung
weniger geeignet.
50%
50%
w = 60 °C
ϑ
B1 + B2
B1
100
90
80
70
60
50
40
30
20
100 %
75 %
50 %
25 %
0%
B62-6
Fig. 2-8 Folgeschaltung nach der Rücklauftemperatur durch P-Regler mit Zweistufenschalter; Kessel in Parallelschaltung
37
2.4.7 Folgesteuerung nach dem
Maximalwert der Vor- oder
Rücklauftemperatur
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 BegrenzungsKesselthermostaten abgeschaltet werden.
PWS
Dieser Betriebszustand kann dadurch verhindert werden, dass ein zweiter Fühler im Kesselrücklauf platziert, und dem Regler der höhere der
beiden Fühlermesswerte gemeldet wird (Fig. 2-9). Sinkt der Wärmebedarf auf Null, dann fliesst kein Kesselwasser mehr in den VerbraucherVorlauf sondern direkt in den Kesselrücklauf. Dadurch wird die Kesselrücklauftemperatur höher als die Hauptvorlauftemperatur zum Verteiler
und veranlasst über den Regler das Abschalten der Brenner.
w
PI
2
1
1
2
MAX
wMIN
PI
wMIN
PI
B62-7
Fig. 2-9 Folgesteuerung nach dem Maximalwert der Vor- oder Rücklauftemperatur durch
PI-Regler mit Vierstufenschalter; Kessel in Parallelschaltung – Folgesteuerung
nach der Speicherladung
38
2.4.8 Folgesteuerung mit
«hydraulischer Weiche»
Wird eine Heizungsanlage mit zwei oder mehr Kesseln gebaut, dann
kann der im Teillastbetrieb von den Kesselpumpen geförderte Wasserstrom wesentlich grösser sein als der von den Verbraucherkreisen insgesamt abgenommene. Um starke Druck- und Volumenstromschwankungen 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 Rücklaufhochhalteregelungen 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 Rückschaltung der Kesselleistung auslöst, sobald sein Messwert höher wird als
derjenige des Vorlauffühlers.
4
4
B1
wMIN
B2
wMIN
2
PI 5
PI 5
1
3
B62-3
Fig. 2-10 Mehrkesselanlage in Parallelschaltung mit Rücklaufminimal-BegrenzungsRegelung und «hydraulischer Weiche»
1 Hydraulische Weiche
2 Fühler, misst Lastzustand der Anlage
3 Folgesteuerungsgerät mit Stufenschalter, Zeitgliedern, ...
5 Regler für Rücklaufhochhaltung
39
Nun bezweckt die Ausgleichsleitung nicht nur die Sicherstellung der
erforderlichen Volumenströme im Erzeuger- bzw. Verbraucherkreis, sondern 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 Rohrdurchmesser, dass man eher von einem Ausgleichgefäss sprechen
könnte. Eine konstruktiv geschickte Fühlerplatzierung im oberen Teil dieses Gefässes ermöglicht ein lastabhängiges Zu- und Wegschalten der
Kesselleistungsstufen mit Hilfe nur eines Fühlers. Eine solche «hydraulische Weiche» gilt vorwiegend in Deutschland als Standardlösung.
Ansonsten begnügt man sich üblicherweise mit einer Ausgleichsleitung
gleicher Nennweite wie diejenige des Hauptvorlaufs.
2.4.9 Folgeschaltung nach der
Speicherladung
Die vorher beschriebenen Methoden ergeben – nach richtiger Wahl der
Schaltkriterien und entsprechend angepassten Steuer- und Regelkonzepten – betriebssichere und gut funktionierende Anlagen.
Die Bestrebungen nach langen Brennerlaufzeiten und dementsprechend 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 Parallelschaltung zu wählen, da in diesem Konzept die Serieschaltung keine
Vorteile bringt. Es können ein- evtl. zweistufige, jedoch keine modulierenden Brenner eingesetzt werden. Einstufige Brenner können – bei
entsprechender Abstimmung auf den Kessel – verbrennungstechnische
Vorteile bringen.
4
6
6
B1
B2
S
2
1
PI
5
PI
5
3
B62-8
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)
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.
Funktionsweise
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 eingeschaltet.
– Ist die Leistung gleich oder grösser als der momentane Verbrauch,
so läuft der Brenner im Dauerbetrieb oder der Speicher wird langsam wieder aufgeladen.
– Erreicht die Speichertemperatur den Sollwert am Fühler unten am
Speicher (3), wird der Heizkessel ausgeschaltet. Dies gilt grundsätzlich bei jedem Lastzustand für alle Kessel (bzw. Brennerstufen), d.h.
bei vollgeladenem Speicher wird immer die gesamte Wärmeerzeugung ausgeschaltet.
– Ist die Verbraucherlast grösser als die Leistung vom Führungskessel,
so wird der Speicher weiter entladen. Sobald der Sollwert am oberen Fühler (2) unterschritten wird, wird der zweite Heizkessel (evtl.
nach einer Sperrzeit) zugeschaltet.
– Ist der zweite Heizkessel einmal zugeschaltet, laufen beide Heizkessel – 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.
Hydraulische Entkoppelung durch
Speicher
Der Wärmespeicher bildet ausserdem eine perfekte hydraulische Entkoppelung zwischen dem Kesselkreislauf und den Verbraucherkreisen.
Und was die Folgesteuerung der Kessel betrifft, so liefert die Entladedauer zwischen zwei Fühlern ein lastabhängig variables Zeitintegral,
was im Vergleich zu fest eingestellten Verzögerungsrelais wesentliche
Vorteile bringt. Die Wärmeerzeugung reagiert um so schneller, je grösser 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.
Rücklaufhochhaltung mit eingebaut
Die Speicherladetemperatur wird über den KesselvorlauftemperaturSollwert mittels Mischorgan im Rücklauf geregelt. Richtige Dimensionierung vorausgesetzt, d.h. durch entsprechende Wahl des Kesseltemperatur-Minimalsollwertes, garantiert diese Regelung gleichzeitig die
Rücklaufhochhaltung.
Zur Energieoptimierung kann die Speichertemperatur witterungsabhängig geführt werden. Und, dank der Wärmespeicherung reagiert die
Anlage völlig unempfindlich auf plötzlich auftretende Laständerungen,
(z.B. Aufheizvorgänge). Die eindeutigen Vorteile dieses Konzeptes erfordern allerdings höhere Investitionskosten und grösseren Raumbedarf.
41
Brennerlast
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 geregelt. Die Zu- und Wegschaltung des Folgekessels erfolgt abhängig von
der Brennerlast (Luftklappenstellung und Zeitverzögerung). Ist der feuerungstechnische 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 Zweipunkt-Grundlast-Verhaltens der Brenner, ergeben sich aber vielfach
regeltechnische Schwierigkeiten im Übergangsbereich.
2.4.11 Folgeregelung mit dem
Modulationsgrad von Brennwertkesseln
In vorgängigen Abschnitten wurde gezeigt, wie die Verbrauchervorlauftemperatur 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 Betriebssituationen 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 Schwankungen und Abweichungen zur Verfügung stellen
• möglichst tiefe Rücklauftemperaturen für Brennwertkessel
• Optimierung des Gesamtwirkungsgrades durch verschiedene Laufzeitstrategien
Zentraler Punkt bei hier besprochenen regelungstechnischen Ansatz ist,
dass zusätzlich zur Vor- und Rücklauftemperatur auch der Modulationsgrad (bzw. die aktuell produzierte Leistung) der in Betrieb stehenden
Kessel verwendet wird. Dazu wird im Kesselfolgeregler der Kesselmodulationsgrad (z.B. über Gebläsedrehzahl) ermittelt und eine Leistungsbilanz über alle Kessel geführt.
Separate Kesseltemperatur-Regelung
Verschiedene Laufzeitstrategien
42
Die einzelnen Kessel sind mit einer separaten Kesseltemperatur-Regelung versehen. Der Kesselfolgeregler gibt, je nach Bedarf, den einzelnen
Kesseltemperatur-Reglungen den notwendigen Kesseltemperatur-Sollwert 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
4
6
2
4
6
B1
5
B2
5
3
1
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
43
3. Steuern, Regeln und Überwachen von Öl- und Gasbrennern
3.1 Einführung
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 energieoptimierend arbeitender elektronischer Regler eines grösseren Heizkessels sein.
B63-1
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 Wärmebedarf bleibt der Brenner dagegen oft stundenlang ununterbrochen
eingeschaltet (= Dauerbetrieb).
Eignung von ÖL und Gas:
44
Öl oder Gas eignet sich bestens zur automatischen Wärmeerzeugung,
denn:
• Öl und Gas kann durch Rohrleitungen leicht und sauber zum Brenner gefördert werden.
• Öl und Gas lässt sich mittels Ventilen oder Klappen exakt dosieren
oder ganz absperren.
Gefährlichkeit von ÖL und Gas
Schon 1cm3 Heizöl macht 1m3 Trinkwasser ungeniessbar und die Gefährlichkeit von Gas (Explosionsgefahr, Giftigkeit einzelner Gassorten)
ist allgemein bekannt. Zu diesen Gefahren kommt die Umweltbelastung durch die Abgase beider Brennstoffe! Und diese so klein wie
möglich zu halten, ist das Bestreben aller an der Öl- und Gaswärmeerzeugung 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 festgelegt 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 Verbrennungsprozess unbedingt erfüllt werden müssen:
• Der Brenner muss daraufhin überwacht werden, ob er beim Einschalten auch wirklich zündet und ob die Flamme danach bis zur
Regelabschaltung ununterbrochen weiterbrennt, also die insgesamt 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 Brennstoff bewirken könnten, müssen die Brennstoffventile sofort
geschlossen 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 Flammenüberwachungssystem usw., muss die gesamte Anlage abgeschaltet werden. Das
diese Störabschaltung auslösende Gerät muss sich in dieser
Störstellung verriegeln. Gleichzeitig muss die Möglichkeit bestehen, die Störabschaltung durch ein optisches oder akustisches
Signal zu signalisieren.
Die Konsequenz aus diesen Forderungen lautet:
Jeder Öl- oder Gasbrenner muss mit einem Flammendetektor ausgerüstet 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 Brennstoffzufuhr stoppt, sondern auch den Brenner abschaltet und Alarm auslöst.
Nun besteht ein Brenner aber nicht nur aus Brennstoffzuleitung, Ventilen, 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 Flammenüberwachungssystem normalerweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
Diese Funktionskombination ist bekannt unter der Bezeichnung:
45
3.2 Der Feuerungsautomat
Der Feuerungsautomat dient zur flammenabhängigen Inbetriebsetzung 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:
a
2
b
1
3
d
c
4
B63-2
Fig. 3-2 Funktionsprinzip des
Beispiel eines Feuerungsautomaten
Feuerungsautomaten
für einen Oelbrenner
1 Feuerungsautomat
2 Programmwerk
3 Flammenüberwachungssystem
4 Flammendetektor
a Startbefehl vom Temperaturoder 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 Programmsteuerung 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
46
3.3 Gebläsebrenner
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 Minimalausrüstung besteht aus:
P
M
BV OH Q...
z
M
SA
LK
P
M
BV
ZBV
Q...
z
M
SA
LK
B63-3
Fig. 3-4 Prinzipieller Aufbau der GebläseÖl-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 Komponenten, wie Luft- und Gasdruckwächter. Auch von diesen Geräten werden 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 zünden. Hier übernimmt ein Zündbrenner kleiner Leistung (meist ein Gasoder Leichtölbrenner) die Zündung der Hauptflamme. Diese Art der
Zündung wird gas-elektrische Zündung genannt und der so ausgerüstete Brenner als Zweirohrbrenner bezeichnet (da ihm der Brennstoff
über zwei Rohre zugeführt wird). Zur Freigabe der Zündbrennstoffmenge dient das Zündbrennstoffventil, Kurzzeichen «ZBV».
Gas / Öl-Gebläsebrenner (Zweistoffbrenner) werden für mittlere bis
grosse Leistungen gebaut und vorzugsweise dort eingesetzt, wo während 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 Ölund bei Gasbetrieb unterschiedliche Verbrennungsluftmengen benötigt
werden, ist die Luftklappensteuerung bzw. die Brennstoff / Luft-Verbundsteuerung aufwendiger als beim Brenner für nur eine Brennstoffart. Auch der Feuerungsautomat muss mit 2 unterschiedlichen Inbetriebsetzungsprogrammen für Öl oder Gas ausgerüstet sein.
47
3.4 Brenner ohne Gebläse
Brenner ohne Gebläse werden für Öl- und Gasbetrieb gebaut. Für Öl
gibt es sie in Form jener Brenner, die man in den sogenannten «Ölöfen» 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 Gasbrenner erfolgt die Zündung direkt-elektrisch, mittels eines kleinen Zündbrenners oder, bei grösseren Brennern, mittels einer sogenannten
Zündrampe. Zündrampen zünden jeden einzelnen Brennstab mit einer
ihm direkt zugeordneten kleinen Zündflamme.
FE
FE2
FE1
ZR
HR
BV1
HR
BV2
BV2
ZV1
B63-4
Fig. 3-5 Atmosphärische Gasbrenner
(Prinzip der Zugsicherung)
BV
Hauptgasventile
FE
Fühlerelektrode
HR Hauptbrenner
ZR
Zündrampe
ZV
Zündgasventil
Atmosphärische Brenner ohne /
mit Zündrampe (ZR)
Gas-Umlaufwasserheizer werden meist durch eine dauernd brennende Zündflamme, die sogenannte Dauerpilotflamme gezündet. Die
Flammenüberwachung erfolgte bei diesen Systemen früher noch vorwiegend auf elektromechanischem Wege mittels sogenannter Zündsicherungen. Sie stellten u.a. sicher, dass die Gasfreigabe nur bei brennender Pilotflamme erfolgen kann. Heute erfolgt die Zündung und
Überwachung meist durch rein elektronisch arbeitende Gerätekombinationen (Zündung und Überwachung im gleichen Gehäuse).
Grössere atmosphärische Brenner mit stufenlos verstellbarer Brennerleistung 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.
48
Der Rauchgasaustritt des Brenners mündet nicht direkt in den Schornstein, 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 Abgasklappensteuerungen zur Anwendung.
3.5 Leistungssteuerung für
zwei- oder mehrstufige Brenner
Die Leistung kann durch stufenweises Verstellen der Brennstoff- und
der Verbrennungsluftmenge dem jeweiligen Wärmebedarf grob angepasst 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 Luftklappen-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/ZUVentils ein stetig verstellbares Stellorgan verwendet (z.B. eine GasDrosselklappe), 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.
3.6 Modulierende BrennerLeistungssteuerung
Die Leistung dieser Brenner kann aus feuerungstechnischen Gründen
nur oberhalb eines bestimmten und fest eingestellten Grenzwertes stufenlos verstellt, d.h. moduliert werden. Dieser Grenzwert liegt für normale 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 Teillastbereich im Zweipunktbetrieb.
Im modulierenden Betrieb muss zur Leistungssteuerung, mittels entsprechender Stellvorrichtungen, gleichzeitig die Brennstoff- und die
Luftmenge verstellt werden. Diese wird als Brennstoff-/Luft-Verbundsteuerung bezeichnet.
Da aus feuerungstechnischen Gründen Brennstoff und Luft in einem
nichtlinearen Verhältnis gemischt werden müssen, ist bei einer Änderung der Brennstoffart auch eine neue Einstellung der Brennstoff-/LuftVerbundsteuerung erforderlich.
49
3.7 Das Flammenüberwachungsprogramm
Bei der Inbetriebsetzung eines Brenners laufen physikalische und chemische Vorgänge ab, auf die hier nur aus steuer- und regeltechnischer
Sicht eingegangen wird. Wir wollen uns hier aber speziell mit dem zeitlichen Ablauf der Flammenüberwachung befassen.
• Das Zünden des Brenners wird vom Flammenüberwachungssystem
in jenem Augenblick registriert, in dem das elektrische «Flammensignal» des Flammendetektors bei ihm eintrifft. Das muss spätestens bei Ablauf der sogenannten Sicherheitszeit (siehe 3.8.5) sein,
d.h. am Ende der vom Feuerungsautomaten vorgegebenen Zeitphase für das Zünden des Brenners. Ist das Flammensignal zu diesem Zeitpunkt nicht vorhanden, dann stoppt der Automat sofort die
Brennstoffzufuhr und löst anschliessend die Störabschaltung aus.
Dieses Verhalten ist von den zuständigen Sicherheitsbehörden einheitlich vorgeschrieben.
• Bei zeitgerechter Zündung kontrolliert das Flammenüberwachungssystem anschliessend, ob die Flamme korrekt weiterbrennt d.h. ob
das Flammensignal bis zur Abschaltung des Brenners ununterbrochen erhalten bleibt.
• Beim Erlöschen der Flamme während des Betriebs (oder bei einem
Ausfall des Flammensignals während dieser Zeitphase) löst der Feuerungsautomat entweder die Störabschaltung aus, oder er versucht
einen Wiederstart. Ein Wiederstart ist aber nur bei Öl- und Gasbrennern 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 Defekte, 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 Automat dabei jedes Mal sein Flammenüberwachungssystem wie beschrieben 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 ausbleibt. 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 Flammenüberwachungssysteme ein.
50
3.8 Die Grundstruktur des
Inbetriebsetzungsprogramms
Die Darstellung der Grundstruktur des Inbetriebsetzungsprogramms
erfolgt bewusst am Beispiel eines grösseren Brenners, um möglichst
viele jener Einflussgrössen darstellen zu können, die bei der Inbetriebsetzung von Brennern berücksichtigt werden müssen. Bei Feuerungsautomaten für kleine und kleinste Brenner ist die Anzahl dieser Einflussgrössen natürlich weit geringer, die Programmstruktur bleibt aber die
gleiche. Die Programmstruktur kann man in folgende Phasen gliedern:
3.8.1 Betriebspause
Der Feuerungsautomat befindet sich während der Pause zwischen zwei
Brennerläufen in der sogenannten «Stand-by»-Stellung, also in Warteposition. Sein Flammen-Überwachungskreis überwacht die Anlage und
sich selbst auf das Auftreten von Fremdlicht oder anderen fehlerhaften
Flammensignalen. Im Fehlerfall erfolgt die Störabschaltung. Sein Steuerausgang für die Brennerluftklappe liefert ein ZU-Signal.
Die Ausgänge für bestimmte elektrische Kontroll-»Schlaufen» der Brennersteuerung stehen unter Spannung. (Die Funktion solcher Schlaufen
wird im folgenden Abschnitt näher beschrieben).
3.8.2 Regeleinschaltung (Startbefehl)
Die Regeleinschaltung erfolgt vom Kesselthermostaten dann, wenn die
Kesselwassertemperatur den eingestellten Sollwert (inkl. Schaltdifferenz) 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 Kontrollschlaufen des Feuerungsautomaten geschaltet (meist mehrere Signalkontakte in Serie). Alle diese Schlaufen sind derart mit der Brennersteuerung gekoppelt («vermascht»), dass Start und Betrieb des Brenners 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 Sicherheitsmassnahmen aus. Es gibt folgende Schlaufenarten:
a) Erste Startkontrollschlaufe
zur Kontrolle der korrekten Ausgangsstellung bestimmter Brennerelemente beim Start. Diese Schlaufe ist nur wenige Augenblicke «aktiv»,
weil die in sie geschalteten Kontakte ja im weiteren Verlauf der Inbetriebsetzung öffnen oder umschalten müssen. Ist sie während der Kontrollzeit 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 Ausgangsstellung beim Start anzeigen
• Der Ruhekontakt des Luftdruckwächters
51
b) Zweite Startkontrollschlaufe
zur Kontrolle der betriebstechnischen Voraussetzungen für Start und
Betrieb des Brenners. Diese Schlaufe muss zum Zeitpunkt der Regeleinschaltung geschlossen sein und bis zur Regelabschaltung geschlossen bleiben, sonst wird die Inbetriebsetzung abgebrochen bzw. der
Brenner abgeschaltet. Es erfolgt jedoch keine Störabschaltung, sondern
ein automatischer Wiederstart, sobald alle Startvoraussetzungen wieder 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 Brennerstartversuch bei nicht vorhandenem Gasdruck wäre sinnlos!)
• Der Öltemperaturregler oder -thermostat bei Ölbrennern mit
Ölvorwärmer: sowie andere Signal- oder Kontrollkontakte mit vergleichbarer Funktion.
c) Sicherheitskontrollschlaufen
Sie werden entweder nur in gewissen Phasen des Inbetriebsetzungsprogramms vom Feuerungsautomaten überprüft oder müssen von
einem definierten Zeitpunkt an ununterbrochen bis zur Regelabschaltung des Brenners geschlossen bleiben. Nur in bestimmten Programmphasen werden z.B. die Endschalter des Luftklappenstellantriebs überprüft. Von einem definierten Zeitpunkt bis zur Regelabschaltung müssen
dagegen jene dieser Schlaufen geschlossen bleiben, denen eine besondere 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 Flammenüberwachungskreis. Im Gegensatz zu diesem sind aber die Flammenrelaiskontakte
des Flammenwächters auf von aussen zugängliche Anschlussklemmen geführt, so dass das Flammensignal als zum Programmwerk
der Brennersteuerung geleitet werden kann. Auch diese Signalleitungen 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 Störabschaltung zur Folge!
52
M
E
A
D C
B
L
L
A
GP
1
W
2
3
R
LP
C
B
C
M
BV1
M
BV2
BV
A
N Z
M
B63-5
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
3.8.3 Vorspülung
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 Ursache 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 Brennertyp 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 Schornsteinanschluss etwa 3 – 5 mal gewechselt werden. Während der Dauer der
Vorspülzeit setzt der Flammenüberwachungskreis die Fremdlichtkontrolle 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 gezündet werden muss; das wäre im vollen Luftstrom schwierig, wenn
nicht gar unmöglich. Sobald die Luftmenge reduziert ist, schaltet der
Feuerungsautomat den Zündtransformator ein.
3.8.4 Vorzündung
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.
53
3.8.5 Sicherheitszeit
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 verzögert.
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, programmiert der Automat erneut ein Intervall, damit sich die Flamme richtig
stabilisieren kann. Direkt anschliessend legt er den Kesseltemperaturregler an Spannung und übergibt diesem damit «das Kommando» für
den weiteren Verlauf des Brennerbetriebs. Mit dieser Massnahme hat
der Feuerungsautomat die Inbetriebsetzung des Brenners abgeschlossen. Er überwacht jedoch weiterhin die Flamme sowie seine Kontrollschlaufen, 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.
3.8.6 Regelabschaltung
Die Regelabschaltung wird durch den Kesselthermostaten ausgelöst,
wenn die Kesseltemperatur über den eingestellten Sollwert ansteigt
und der Thermostat dadurch seinen Kontakt und die Kontrollschlaufe
öffnet. Das Öffnen der Schlaufe ist zugleich das Signal für den Steuerteil des Feuerungsautomaten, jetzt den Brenner und auch sein Programmwerk wieder in die Ausgangsstellung für den nächsten Start
zurückzuführen. Mit der Fremdlichtkontrolle beginnt er erst dann wieder, wenn die Flamme mit Sicherheit erloschen ist. Das ist erst dann
der Fall, wenn die in der Rohrleitung nach den Gasventilen noch vorhandenen und noch unter Druck stehenden Gasreste restlos ausgeströmt
und verbrannt sind.
Dieser Programmablauf zur Inbetriebsetzung eines grösseren Gasbrenners gilt in seinen Grundzügen auch für einen Ölbrenner gleicher Ausführung. Zweistoffbrenner, d.h. Gas / Ölbrenner können daher mit dem
gleichen Feuerungsautomaten gesteuert und mit dem gleichen Flammenfühler überwacht werden, sofern dieser (wie z.B. der UltraviolettFühler) blaue und gelbe Flammen gleich gut detektiert. Bei Brennern
kleiner bis mittlerer Leistung weicht jedoch das Inbetriebsetzungsprogramm eines Ölbrenners von dem eines Gasbrenners in einigen wenigen Punkten markant ab.
54
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
Bei Ölbrennern kleiner bis mittlerer Leistung werden Gebläserad und
Ölpumpe meist vom gleichen Motor angetrieben. Bei einem Defekt dieses Motors wird daher weder Verbrennungsluft noch Brennstoff gefördert; es besteht also niemals die Gefahr, dass der Kessel wegen Luftmangels verrusst! Wird die Ölpumpe jedoch von einem separaten
Motor angetrieben, so empfiehlt sich grundsätzlich die Luftdrucküberwachung, 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 voraussetzt.
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 Schwerölbrennern muss dagegen die ausreichende Öltemperatur vom Start
bis zur Regelabschaltung kontrolliert werden. Zur Kontrolle der Ölvorwärmung wird der Kontakt des Öltemperaturwächters in die entsprechende Start- bzw. Betriebskontrollschlaufe des Feuerungsautomaten
einbezogen.
3.9.3 Lange Vorzündung
Für alle Ölbrenner, deren Ölpumpe vom Ventilatormotor angetrieben
wird, ist das Steuerprogramm des Feuerungsautomaten so ausgelegt,
dass der Zündtransformator zugleich mit dem Ventilatormotor eingeschaltet wird. Diese lange Vorzündung dient indirekt zur Kontrolle der
Dichtheit der Ölventile: Falls das Ölventil undicht ist, wird bereits während der Vorspülzeit mehr oder weniger Heizöl im Feuerraum zerstäubt.
Weil der Zündfunke bereits vorhanden ist, zündet er das fehlerhaft austretende Heizöl und die vorzeitig gebildete Flamme wird vom Flammenüberwachungskreis des Feuerungsautomaten als «Fremdlicht» detektiert 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 ausgeblasen werden muss. Die Vorzündung erfolgt deshalb erst kurz vor
Beginn der Sicherheitszeit, bzw. vor dem Öffnen des Brennstoffventils.
55
3.9.4 Nachzündung / Wiederzündung
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 Nachzündung, d.h. der Zündtransformator wird nicht gleich beim ersten
Erscheinen der Flamme oder bei Ablauf der Sicherheitszeit ausgeschaltet, sondern er bleibt noch während einer definierten Zeitspanne weiter
in Betrieb.
Andere Automaten unterstützen die Flammenstabilisierung durch die
sogenannte Wiederzündung. Diese Automaten schalten beim Eintreffen 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.
A
T/p
B
t7
M
C
D
A
B
C
D
R
t6
t1
t7
t1
t6
G1
G2
t3
t3n
t3
Z
t3"
t2
t2
BV1
t4
R
t4
LR
t16
t5
t11
t12
t5
100%
M
LK
min..
0.....
BV2
t11
t12
t13
t13
FS
B63-6
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
3.9.5 Startrepetition oder
Störabschaltung bei Flammenausfall
Bei Gasgebläsebrennern löst der Feuerungsautomat bei einem Flammenausfall 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 Feuerungsautomat 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 schwerwiegender Defekt, und der Feuerungsautomat löst endgültig die Störabschaltung aus.
56
3.9.6 Besonderheiten bei der Steuerung
und Überwachung atmosphärischer
Gasbrenner
Bei der Steuerung und Überwachung atmosphärischer Gasbrenner entfällt 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 Inbetriebsetzung 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 Inbetriebsetzungsversuch 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 Brenners.
Für grosse atmosphärische Gasbrenner braucht man spezielle Varianten, weil hier gewisse Modifikationen des Programms erforderlich sind.
Das sind z.B. längere Sicherheitszeiten oder auch spezielle Steuerprogramme für Luftklappen, die die Menge der vom Brenner «angesaugten» Sekundärluft auf das notwendige Minimum begrenzen (Verhinderung von Wärmeverlusten!).
A
GP
R/W
B
tw
B’
C
D
12
t3
Z
7
t2
BV1
4
t4
ZV1
11
t5
BV2
5
FS
1
B63-7
Fig. 3-8 Steuerprogramm für einen atmosphärischen Gasbrenner mit Wartezeit «tw»
57
3.10 Die stetige Regelung
des Restsauerstoffgehalts im Abgas
(λ-Regelung)
Bei einer Verbrennung (Oxydation) verbinden sich die Brennstoffmoleküle mit Sauerstoff. Eine sogenannte stöchiometrische Verbrennung
wäre dann erreicht, wenn sich jedes Brennstoffmolekül mit einem Sauerstoffmolekül O2 verbinden würde und danach kein Sauerstoffmolekül
im Abgas mehr vorhanden wäre. Die Kennzahl für das Brennstoff/Luftverhältnis wird mit dem griechischen Kleinbuchstaben λ bezeichnet.
Eine ideale Verbrennung bei genau stöchiometrischem Brennstoff/Luftverhältnis λ = 1 bzw. Restsauerstoff im Abgas = 0 lässt sich bei natürlichen Brennstoffen wie Öl oder Erdgas wegen vorzeitiger Kohlenmonoxyd- (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.
λopt.
Ruß, CO, CH-Bildung
Abgaswärmeverluste
Rußgrenze
η
O2
CO
CO
η
CH
O2
CH
λ<1
1,03
0,6
1,3
4,5
2λ
10,5 O2 %
B63-8
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 Schadstoffkonzentrationen 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 feuerungstechnische Wirkungsgrad entsprechend stark vermindert. Je grösser also die Brennerleistung, umso mehr lohnt sich die Investition für
eine λ-Regelung.
58
Funktionsprinzip
Während früher eine Rauchgasanalyse labormässig ca. 1 Stunde beanspruchte, wurde es mit der Zirkoniumdioxyd- (ZrO2) Sonde, in Verbindung mit elektronischer Signalverstärkung, möglich, den Restsauerstoffgehalt 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 Kleinlastbereich einen grösseren Luftüberschuss benötigt als bei Vollast, damit
ihm mehr kinetische Energie für den Mischprozess von Luft und Brennstoff zur Verfügung steht. Der Sollwert des Restsauerstoffgehalts muss
also in Funktion der Brennerleistung geführt werden. Da für den Gasbetrieb 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)
59
4. Regeln und Steuern der Wärmeabgabe und Fernwärmeübergabe
4.1 Raumtemperatur-Regelung
4.1.1 Allgemeines zur
Raumtemperatur-Regelung
60
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 der Temperatur in einem repräsentativen Wohnraum, dem
sogenannten Referenzraum geregelt wird. Solange das Temperaturverhalten 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.
Vorteil
Temperaturstörungen, die im Raum auftreten, werden vom Raumfühler
direkt erfasst und ausgeregelt.
Nachteil
Da ein Absinken der Heizkreistemperatur (z.B. während der BoilerLadung) erst stark verzögert die Raumtemperatur beeinflusst, wird
auch die Störung erst dann ausgeregelt. Bis also der Fühler die Raumtemperatur-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 Brennersteuerung, oder als Dreipunktregler zur quasistetigen Steuerung eines MischStellorgans erhältlich. Die gebräuchlichen Regelkonzepte sind:
• Raumtemperatur-Zweipunktregelung auf Brenner wirkend
• Stetige Raumtemperatur-Regelung auf Mischer wirkend
• Raumtemperatur-/Vorlauftemperatur-Kaskadenregelung
4.1.2 Raumtemperaturregelung
direkt auf Brenner wirkend
Bei dieser Regelungsart (Fig. 4-1) schaltet der Raumthermostat (Zweipunktregler), 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.
1
wϑR
1
4
3
B64-1
2
Fig. 4-1 Raumtemperaturregelung direkt auf Brenner wirkend
1 Raumthermostat
2 Gasventil
3 Heizkessel mit atmosphärischem Gasbrenner
Thermische Rückführung
Eine regeltechnische Verbesserung ist mit einer sogenannten «thermischen Rückführung» möglich – erklärt am Beispiel eines Zweipunktreglers mit Bimetallfühler.
4
N
Ph
S
5
1
3
2
21°C
20°C
19°C
N
Fig. 4-2 Zweipunktregler mit Rückführung
1 Bimetall-Fühler
2 Sollwert-Einstellmöglichkeit
3 Heizwiderstand
4 Schnappmagnet (für präzises Schalten)
61
Schaltet der Bimetall-Fühler (1) den Brenner ein, wird gleichzeitig auch
eine kleine Heizwicklung (3) im Gehäuse des Raumthermostaten zugeschaltet. 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 reduziert 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.
Regelverlauf eines Zweipunktreglers
mit Rückführung
Die untenstehende Grafik zeigt den Regelverlauf eines Zweipunktreglers mit Rückführung am Beispiel einer Mehrspeicher-Regelstrecke.
x
T
Tt
x + xr
w
Xrh
Aufheizkurve
Aus
eb
Ein
SD
Raumtemperatur x
a)
Xrh
xr
t
xr
Tr
c)
Yh
0
62
Xrh
xr
b)
t
y
Ein
Aus
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)
t
Durch den Einbau einer thermischen Rückführung ergeben sich beispielsweise für eine Raumtemperaturregelung – die auf eine Heizgruppenpumpe wirkt – folgende Veränderungen:
Raumthermostaten
mit Gasmembrane
ohne thermische
Rückführung
mit thermischer
Rückführung
Schwankungsbreite
der Regelgrösse
3.6 K
0.8 K
Schaltzyklusdauer
34 min
8 min
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 Gasmembrane als Fühlerelement)
63
4.1.3 Stetige Raumtemperatur-Regelung
auf Mischer wirkend
Diese Regelungsart (Fig. 4-5) ermöglicht, den Kessel mit einer konstanten 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 Raumtemperatur-Regelungsart bezüglich Störverhalten kaum besser als die unter
4.1.1 beschriebene direkte Brennersteuerung.
1
wϑR
4
5
2
B64-2
3
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 Stellbefehl an das Mischventil. Je nachdem öffnet oder schliesst der Stellantrieb das Mischventil ganz, bevor der Raumtemperatur-Fühler die Wirkung dieses Stelleingriffs erfassen kann. Das Resultat ist ein dauerndes
Über- und Unterschwingen der Raumtemperatur.
64
Bei dieser Regelungsart (Fig. 4-6) wird die Raumtemperatur-Regelung
in zwei Regelkreise aufgeteilt, nämlich in einen trägen Raumtemperatur-Regelkreis und einen schnellen Vorlauftemperatur-Regelkreis. Der
Hauptregler (P-Verhalten) wird an die Raumtemperatur-Strecke angepasst und der Hilfsregler (PI-Verhalten) an die Vorlauftemperatur-Regelstrecke. Dabei erfasst der Hauptregler die Raumtemperatur-Regelabweichung und bildet daraus die Führungsgrösse für die Vorlauftemperatur-Regelung. Der Hilfsregler regelt die Vorlauftemperatur auf den vom
Raumtemperaturregler vorgegebenen Wert. In der Praxis sind beide
Regler meistens in einem einzigen Gerät zusammengefasst.
1
w1
ϑ1
ϑ2
7
6
w2
4
5
2
3
B64-3
4.1.4 Raum-/VorlauftemperaturKaskadenregelung
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 Stellgrösse der Raumtemperatur-Regelung. Der Raumfühler misst die
Raumtemperatur und vergleicht sie mit dem Raumtemperatur-Sollwert.
Besteht keine Abweichung, wird die Vorlauftemperatur auf einen vorgegebenen 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 Vorlauftemperatur-Sollwert. Dieser Übertragungsbeiwert (Steilheit S) ist einstellbar. Er
muss möglichst gross gewählt werden, weil sonst die bleibende Regelabweichung 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.
65
Beispiel einer Reglereinstellung
Der Raumtemperatur-Sollwert w1 ist auf 20 °C und der zugehörige
Vorlauftemperatur-Sollwert w2 auf 40 °C eingestellt (= Offset der Raumtemperaturregelung). Die statische Kennlinie des RaumtemperaturFührungsreglers (Fig. 4-7) zeigt für abweichende Raumtemperaturen die
entsprechenden Vorlauftemperatur-Sollwerte (w2), bei einer KaskadenSteilheit S von 20. Die Kaskaden-Steilheit S entspricht dem Übertragungsbeiwert des Reglers KP (oft auch Reglerverstärkung genannt) und
ergibt bei 1 K Raumtemperaturdifferenz eine Vorlauftemperatur-Sollwertänderung Δw2 von 20 K.
w2
°C
90
80
Xp = 2 K
70
60
Δw2
50
40
30
S
20
10
ϑ
17
18
19
20
21
22
1
23 °C
1
Δϑ 1
B64-4
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
=
= - 20
Δ1
– 2K
Im vorliegenden Beispiel ergibt sich bei einem Vorlauftemperatur-Stellbereich Δw2 von 40 K (20...60 °C) für den Raumtemperatur-Regler ein
Proportionalband XP von 2 K und eine maximale bleibende Regeldifferenz e (w-x) von –1 K bzw. +1 K.
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 Raumtemperatur wird durch die Heizkennlinie (6) dargestellt und daraus ergibt sich
der Sollwert für den Vorlauftemperatur-Regler (1). Je tiefer die Aussentemperatur ist, desto höher muss die Vorlauftemperatur sein, um die
gewünschte Raumtemperatur sicherzustellen. Welche Vorlauftemperatur bei welcher Aussentemperatur notwendig ist, wird durch die Art der
Wärmeabgabe (Radiatorenheizung, Fussbodenheizung), die Wärmedämmung der Gebäudehülle und den Standort des Gebäudes (Sonnenund 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 eingestellt werden.
8
7
9
7
10
1
10
w2
6
4
5
2
2
3
B64-5
4.2 Aussentemperatur- oder witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung
Fig. 4-8 Aussentemperaturgeführte
Aussentemperaturgeführte
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
67
Witterungsgeführte
Besonders bei Gebäuden mit guter Wärmedämmung sinkt der Einfluss
einer Aussentemperaturänderung auf die Raumtemperatur, während
der Einfluss der Störgrössen wie Sonneneinstrahlung, Wind und Fremdwärmequellen zunimmt. Die nur aussentemperaturgeführte Vorlauftemperaturregelung kann dadurch verbessert werden, dass man Windund / oder Sonneneinflüsse mit zusätzlichen Aussenfühlern erfasst und
damit die Grundeinstellung der Heizkennlinie korrigiert. In diesem Falle
spricht man von einer «witterungsgeführten» Vorlauftemperaturregelung.
Vorteil
Änderungen der Kesselwassertemperatur werden vom Vorlauftemperaturfühler schnell erfasst und ausgeregelt.
Nachteil
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 Heizkennlinien, im üblichen Steilheitsbereich von 0,25 bis 4,0. Weil die Heizkennlinien 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 ΔA 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
ΔA = 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.
4
°C
3.5
3
2.75
2.5
2.25
2
100
1.75
90
1.5
80
1.25
70
60
1
50
0.75
40
0.5
30
0.25
20
10
ΔϑA = 20 K
0
−10
−20
−30
°C
B64-6
Fig. 4-9 Grafische Darstellung der Heizkennlinien im Steilheitsbereich von 0,25 bis 4,0
Heizkennlinie nicht linear
68
Da sich die Transmissionsverluste von Gebäuden proportional zur Differenz zwischen Raum- und Aussentemperatur erhöhen, die Wärmeleistung der Heizkörper hingegen bei zunehmender Differenz zwischen
mittlerer Heizkörper- und Raumtemperatur stärker ansteigt, verläuft die
Heizkennlinie mit sinkender Aussentemperatur flacher.
Optisch linerarisierte Heizkennlinie
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.
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
°C
15
10
5
−5 −10 −15 −20 −25
0
−35
B64-7
Fig. 4-10 Optisch linearisierte Heizkennlinie mit logarithmischer Aussentemperaturskala,
manuell einstellbar durch 2 Schiebe-Potentiometer bei +15 °C und –5 °C
4.2.1 Korrektur und Nachtabsenkung
des Raumtemperatur Sollwertes
Die eingestellte Heizkennlinie kann zur Korrektur der Tagestemperatur
und zur Einstellung der Nachtabsenkung parallel verschoben werden.
Die Wirkung ist steilheitsunabhängig, so dass sich das Ausmass der Parallelverschiebung direkt als Raumtemperatur-Änderung auswirkt. Als
Ausgangspunkt für die Nachtabsenkung gilt die Höhe der eingestellten
Tages-Raumtemperatur. Fig. 4-11 zeigt diese Korrektur- bzw. Absenkmöglichkeit an einem manuell einstellbaren Hardware-Regler.
ΔϑR
°C
4
3
ΔϑR
0
100
−2
90
−4
1
−6
0
−8
−2
−3
−4
110
°C
2
−1
ϑV
120
−10
−11
−12
80
70
60
60
50
50
40
40
30
20
20
15
−5
−10
B64-8
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 Temperaturänderung erst nach einer gewissen Zeit erreicht wird. Diese Zeit ist direkt
von der Bauweise (Zeitkonstante) des Gebäudes (Wärme-Speichervermögen, Wärmeschutz, Anteil der Fensterfläche usw.) abhängig.
69
4.2.2 Führungseinfluss der
Raumtemperatur
70
Auch die Raumtemperatur kann als Einflussgrösse auf die Heizkennlinie
verwendet werden. Dazu wird die Raumtemperatur in einem Referenzraum gemessen. Wenn dort eine Störung auftritt (z.B. Sonneneinstrahlung, Änderung der Personenbelegung) wird die Heizkennlinie, entsprechend 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 Raumtemperatur sorgfältig überlegt werden. Wenn der Wärmegewinn individuell kompensiert werden soll, empfiehlt sich der Einsatz von thermostatischen
Heizkörperventilen in allen Räumen oder der individuellen Einzelraumregelung (siehe 4.3).
4.3 Individuelle
Einzelraum-Temperaturregelung
Wie zuvor schon erwähnt, gibt es verschiedene Einflüsse, die eine Veränderung der Raumtemperatur hervorrufen. Da diese störend auf den
Raumtemperaturregelkreis wirken, spricht man auch von Störeinflüssen. 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.
4
2
3
8
5
2
6
7
Bus
1
B64-9
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 Gebäudeautomationssystems) auf mehrere
Heizkörperventile mit Stellantrieb wirkend
7 Raumtemperaturfühler in Referenzraum (für Raumeinfluss)
8 Aussentemperaturfühler (evtl. auch Fühler für Sonnen- und Windeinfluss)
71
4.3.1 Thermostatische Heizkörperregler
Die witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung, in Kombination mit
thermostatischen Heizkörperreglern – die auf die einzelnen Heizkörperventile montiert werden – kann bereits als einfaches Einzelraumregelsystem 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 grossen bleibenden Regeldifferenz. Wird jedoch eine witterungsgeführte
Vorlauftemperaturregelung zur Vorregelung eingesetzt, müssen die thermostatischen 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 Heizkörperregler mit Fernfühler zum Einsatz.
Fig. 4-14 Einbau eines thermostatischen Heizkörperreglers und Einbausituationen, die
einen Fernfühler erfordern
72
Funktionsweise
Der Flüssigkeitsfühler (1) reagiert auf die Abweichungen vom eingestelltem 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 weitergeleitet 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 Heizkörperreglers. Dabei wird der Kopfteil des Heizkörperreglers (4) mehr oder
weniger in die Basishalterung (5) eingeschraubt und dadurch die Grundposition des Ventilstössels verändert.
1
2
4
5
3
6
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
73
Hydraulische Probleme nicht
unterschätzen
Beim Einsatz von thermostatischen Heizkörperreglern dürfen vor allem
hydraulische Probleme nicht unterschätzt werden. Diese sind nur durch
eine sorgfältige Dimensionierung und einen einwandfreien hydraulischen Abgleich mehr oder weniger in den Griff zu bekommen. Die
gegenseitige Beeinflussung einzelner Heizkreise unter verschiedenen
Betriebsbedingungen lässt sich dadurch aber auch nicht ganz unterbinden.
Heizkörperventile mit integrierter
Differenzdruckregelung
(MiniCombiVentil – MCV)
Heizkörperventile mit integrierter Differenzdruckregelung – auch MiniCombiVentile (MCV) genannt – gewährleisten eine definierte Wärmeabgabe unter allen Betriebsbedingungen. Sie können mit thermostatischen Heizkörperreglern oder auch mit elektrischen Antrieben bestückt
werden.
2
1
1
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 gleichzeitig Druckregler für den automatischen Abgleich
• Kompensation der Differenzdruckschwankungen bei vollständiger
hydraulischer Entkopplung der Verbraucher
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)
4.3.2 Einfache Einzelraum-TemperaturRegelsysteme
Heizkörperventile mit Stellantrieb (elektrisch oder thermostatisch), welche von einem digitalen Raumtemperatur-Regelgerät geregelt/gesteuert
werden, erlauben eine individuelle Raum- oder Zonen-Temperaturregelung mit zeitprogrammgesteuerter Umschaltung von Normal- auf Absenktemperatur. 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 TemperaturSollwert, 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 Temperaturabfall, infolge geöffnetem Fenster (Fensterfunktion)
• Pumpen-Antiblockierprogramm während längeren Betriebsunterbrüchen
• Handbetätigung des Ventils, z.B. durch Servicepersonal
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...)
4.3.3 Einzelraumregler integriert in
Gebäudeautomations-Systeme
In Vielraumgebäuden wie Hotels oder Bürogebäuden werden digitale,
kommunikationsfähige Einzelraum-Regel- und Steuergeräte als Komponenten eines zentral geführten und überwachten Raumautomationssystems eingesetzt. Dadurch erübrigen sich zeitraubende Programmierund Kontrollarbeiten in jedem einzelnen Raum, weil diese von einer
zentralen Automationsebene über einen Gebäudebus (z.B. LON, EIB, ...)
vorgenommen werden können.
3
4
1
2
w
6
Fig. 4-19 Einzelraumregler für Heizung und Kühldecke (z.B. Siemens Desigo RXC 10.1),
der über Bus (Kommunikationsnetzwerk LON) in ein GebäudeautomationsSystem integriert wird
Die Raumtemperaturen der einzelnen Räume werden dabei bedarfsgeführt, d.h. nur wenn Komforttemperatur angefordert wird (z.B. durch
manuelle Betätigung einer Präsenztaste, Erfassung durch einen Präsenzfühler oder durch Sollwertvorgabe über die Automationsebene),
wird auch auf diese Temperatur geregelt.
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)
4.3.4 Einzelraum-Regelsystem,
kombiniert mit der Messung des
Energieverbrauchs pro Nutzeinheit
Vorteile
Spezielle digitale Systeme (Fig. 4-21) ermöglichen in Wohnbauten und
nicht-klimatisierten Bürogebäuden die individuelle Temperaturregelung
jedes einzelnen Raumes und erfassen gleichzeitig die verbrauchsabhängigen Heizkosten je Nutzeinheit (z.B. einer Wohnung). Voraussetzung
dafür ist eine horizontale Verteilung der Heizkreise mit je einem separaten 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 Temperaturdifferenzmessung eingebaut. Aus diesen Messwerten wird die bezogene
Heizenergie berechnet und über einen Datenbus an die Gebäudezentrale übermittelt. Dort werden die Verbrauchsdaten auf einen elektronischen Datenträger gespeichert und dienen anschliessend als Input für
die verbrauchsabhängige Heizkosten-Abrechnung.
Vorteile der Einzelraum-Temperaturregelung mit Messung des Energieverbrauchs:
• Mit dem programmierbaren Raumgerät kann die Raumtemperatur,
im Normal- und Absenkbetrieb, für jede Nutzeinheit, entsprechend
dem aktuellen Heizprogramm, genau auf die individuellen Bedürfnisse abgestimmt werden.
• Manuelle Betriebsarten-Umschaltung mit Hilfe der Spartaste
• Anzeige von wichtigen Informationen je Nutzeinheit, z.B. Soll- und
Istwerte der Raumtemperatur, Heizprogramm, momentaner Heizwasserbezug, Zählerstand Wärmeverbrauch, Zählerstand am Stichtag, Fehler und Störungen
• Für jeden Raum kann – dank den Raumtemperaturreglern – ein individueller Temperatur-Sollwert gewählt und eingehalten werden
77
9
8
11
4
6
10
10
7
3
9
6
5
10
7
3
1
2
M
B64-10
Fig. 4-21 Einzelraum-Regelsystem, kombiniert mit der Messung des Energieverbrauchs
pro Nutzeinheit (z.B. Wohnung)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
78
Zentrale Energieverbrauchs-Datenzentrale (Gebäudezentrale)
Zentrales Heizkreis-Regel- und Steuergerät
Wärmemess- und Regelventil
Digitales, programmierbares Raumgerät mit Temperaturfühler
Analoges Raumgerät mit Temperaturfühler
Raumtemperatur-Regelgerät
Radiatorventil-Stellantrieb
Kaltwasser-Zähler
Warmwasser-Zähler
Zählimpuls-Adapter
Gaszähler
Bezogen auf die Gebäudezentrale ergeben sich unter anderen folgenden Vorteile:
• Zentrale Erfassung und Speicherung der Daten je Nutzeinheit,
z.B. Istwerte, Sollwerte, Betriebszustände, Eingriffe, Heizenergieverbrauch, Stichtag-Zählerstände, Störungen
• Zentrale Steuerung und Überwachung der ganzen Anlage
• Zentrale Beeinflussung der Raumtemperaturregelung in den Nutzeinheiten, z.B. durch Minimal- und Maximalbegrenzung der Raumtemperatur-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 tatsächlich verbrauchten Heizenergie. Damit wird ein wichtiger Anreiz
geschaffen, die individuelle Programmierbarkeit auch tatsächlich zu
nutzen.
1
2
7
3
Fig. 4-22 Gebäudezentrale
SYNERGYR OZW30 (1)
und Heizungsregler RVL... (2)
Bodenheizungs-Wohnungsverteiler
mit SYNERGYR Heizkostenverteilventil
(3) und geregelten Heizkreisen
mit Antrieben (7)
4.4 Heizgrenzen-Schaltautomatik
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 sogenannte «gedämpfte» Aussentemperatur und für bestimmte Funktionen
auch eine «gemischte» Aussentemperatur.
«gedämpfte» Aussentemperatur
Die «gedämpfte» Aussentemperatur ergibt sich aus der Tatsache, dass
die Innentemperatur eines Gebäudes – wenn nicht geheizt wird – gedämpft und verzögert dem Verlauf der Aussentemperatur folgt. Dieser
theoretische Raumtemperaturverlauf wird vom Regelsystem, aufgrund
der Gebäude-Zeitkonstante bzw. der Wärmespeicherfähigkeit des Gebäudes (leichte, mittlere oder schwere Bauweise), berechnet.
«gemischte» Aussentemperatur
Die «gemischte» Aussentemperatur ergibt sich aus der Addition des
einstellbaren, von der Gebäude-Zeitkonstanten abhängigen Anteils
«gedämpfter» plus des ergänzenden Anteils der aktuellen Aussentemperatur.
79
4.4.1 Jahres-HeizgrenzenSchaltautomatik
(Sommer/Winter-Umschaltung)
4.4.2 Tages-HeizgrenzenSchaltautomatik
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 Gebäudes, d.h. in Abhängigkeit von der «gedämpften» Aussentemperatur,
bedarfsabhängig ein- und ausgeschaltet. Die Jahres-Heizgrenze ist einstellbar (z.B. 15 °C) Die Berücksichtigung der «gedämpften» Aussentemperatur für die sogenannte Jahres-Heizgrenzen-Schaltautomatik
bewirkt, dass die Heizung nicht eingeschaltet wird wegen einem oder
zwei kühleren Tagen. Die Jahres-Heizgrenzen-Schaltautomatik verhindert 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-Schaltautomatik (Fig. 4-23) gegeben, welche die «aktuelle» und die «gemischte» 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 «gemischte» Aussentemperatur unter den gewählten Grenz-Sollwert für Tag bzw.
Nacht absinken. Steigt aber eine der beiden Temperaturen über den
gewählten Grenz-Sollwert für Tag 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 mittelschwere Bauweise 36 Std. (siehe «gedämpfte» Aussentemperatur
unter 0) und indirekt durch die Wahl des Grenz-Sollwertes für Tag bzw.
Nacht (grössere Differenz zwischen Tag- und Nacht-Heizgrenze bei
schwererer Bauweise, kleinere Differenz bei leichterer Bauweise).
ϑ
+25°
+16°
+20°
+17°
SD
+15°
+10°
+5°
+4°
SD
+0°
ϑAM
5°
ϑAA
−10°
24
2
4
6
8
10
12 14
16
18 20
22
24
2
4
h
B64-11
Fig. 4-23 Tages-Heizgrenzen-Schaltautomatik
AA Aktuelle Aussentemperatur
AM Gemischte Aussentemperatur
80
4.5 Optimierung der Ein- und
Ausschaltzeiten
Die Optimierung verschiebt für eine gegebene Nutzungszeit die
Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Heizung zum Zwecke einer EnergieEinsparung ohne Komfort-Einbusse.
ϑR
Nutzungszeit
Nutzungszeit
WϑR
WϑR
1K
1K
WϑR
t
t3
t1
t6
t4
t2
t5
(Zeit)
B64-12
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 (Nutzungszeiten), der Aussentemperatur, Raumtemperatur und GebäudeSpeicherfähigkeit 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.
81
4.6 Schnellabsenkung /
Schnellaufheizung
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 entsprechende Nachttemperatur geregelt.
Bei Anlagen ohne Raumtemperaturfühler berechnet der Regler eine
von den Gebäude-Eigenschaften abhängige Zeitdauer, während der die
Heizung abgeschaltet bleibt.
ϑR
Δt5
ΔT1 = 5 K
T2
W
X
T3
ON
OFF
ON
B64-13
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 Vorlauftemperatur über den, der Heizkennlinie entsprechenden, Sollwert angehoben, um ein rasches Erwärmen der Räume zu erreichen. Die Schnellaufheizung 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 beschrieben, wobei aber der gewünschte Sollwert zu Beginn der Nutzungszeit
erreicht wird.
4.7 Adaptive (selbstlernende)
Heizkennlinie
82
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 vorgenommen, bis die Kennlinie über den gesamten Aussentemperaturbereich angepasst ist. Ein Verfälschen der Anpassung durch Störgrössen
(offene Fenster, Fremdwärme usw.) wird durch spezielle KorrekturBegrenzungen verhindert.
4.8 Pumpenregelung und -steuerung
4.8.1 Differenzdruckabhängige
Drehzahlregelung
Der Regler steuert die Umwälzpumpe bedarfsabhängig, d.h. sie ist nur
dann eingeschaltet, wenn geheizt werden soll oder wenn der Frostschutz angesprochen hat.
Damit die Pumpe in einer Anlage nicht unnötig viel Wasser fördert, werden 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 hydraulische Schaltungen, wie sie z.B. in einem Nahwärmeverbund mit einzelnen 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 Teillastverhalten der verschiedenen Verbraucher in einer Anlage ab.
In Anlagen mit Verbrauchern, die unterschiedliches Verhalten im Teillastbetrieb aufweisen, wird die Drehzahlregelung auf konstanten
Differenzdruck gewählt. Dadurch ist sichergestellt, dass keine Unterversorgung einzelner Verbraucher im Teillastbetrieb entstehen kann.
In Anlagen mit Verbrauchern, die gleiches Teillastverhalten aufweisen,
kann die Pumpe auf einen gleitenden Differenzdruck geregelt werden, 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 Ventilen (z.B. thermostatische Heizkörperregler) die Anlagenkennlinie verändert (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 Pumpendrehzahl 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.
83
Δp
4
1
3
B
2
A
C
.
V
P
A
5
B
6
C
.
V
Fig. 4-26 Änderung von Betriebspunkt und Leistungsaufnahme durch zusätzliche Widerstände 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)
84
Regelung auf gleitenden
Differenzdruck
Dieser Grundüberlegung folgt die Regelung auf gleitenden Differenzdruck. 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 (Regelkennlinie 3 in Fig. 4-27) zwischen der Druckdifferenz im Schlechtpunkt und
der maximal notwendigen Druckdifferenz (A).
Oft erfolgt diese gleitende Drehzahlregelung zwischen der max. Förderhöhe HS und 50 % der max. Förderhöhe HS, da sich diese Werte in der
Praxis bewährt haben und kein grosser Aufwand seitens des Heizungsfachmanns 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 notwendigen Differenzdruck bedient werden – vor allem, wenn diese Verbraucher ein anderes Teillastverhalten aufweisen.
85
Δp
1
B
2
4
E
A
D
3
HS
C
50% HS
.
50 % VA
.
VA
.
V
P
PA
PB
A
B
E
PE
PD
D
PC
C
.
50 % VA
.
VA
.
V
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)
Regelung auf konstanten
Differenzdruck
86
Um auch am ersten Verbraucher immer einen genügend hohen Differenzdruck 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 Leistungsaufnahme PE.
Beispiel für mögliche Einsparungen
Aus Fig. 4-27 ist ersichtlich, dass – je nach angewandter Drehzahlregelung – 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.
4.8.2 Drehzahlregelung nach
Ventilposition der Verbraucher
Eine andere Möglichkeit, die Pumpendrehzahl den Gegebenheiten in
einer Anlage anzupassen, ist die Drehzahlregelung auf Grund der Ventilposition der Verbraucher.
Diese Art der Drehzahlregelung ist dann sinnvoll, wenn die aktuellen
Stellpositionen der einzelnen Verbraucherventile in einem Gebäudeautomations-System erfasst und ausgewertet werden können. Das Gebäudeautomations-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 %).
4.8.3 Pumpen-Nachlauf
4.8.4 Periodischer Pumpenlauf
4.9 Frostschutzfunktionen
4.9.1 Anlagenfrostschutz
Schliesst der Regler das Stellgerät bzw. schaltet er den Brenner aus, so
lässt der Regler die Pumpe noch z.B. 5 Minuten weiterlaufen. Der Pumpen-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 Aussentemperatur 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.
4.9.2 Raum- oder Gebäude-Frostschutz
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.
87
4.10 Kaminfeger-Funktion
Für die Kaminfegermessungen werden vorübergehend folgende
Funktionen bewirkt:
• Die Kesselminimaltemperatur wird z.B. auf 64 °C und die Maximalbegrenzung 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 Betätigung der betreffenden Betriebsartenwahltaste oder nach Schliessen
des Gehäusedeckels des Kesselsteuer- und Regelgerätes.
4.11 Handbetrieb der Heizungsanlage
Für die Betriebsart «Handbetrieb» gilt im allgemeinen:
• Bei Zweipunkt-Regelung:
Pumpe eingeschaltet, Brenner freigegeben (wird vom Kesseltemperaturbegrenzer überwacht). Elektrothermischer Stellantrieb spannungslos (geschlossen).
• Bei Dreipunktregelung:
Pumpe eingeschaltet, elektro-motorischer Stellantrieb spannungslos
(Bedienung mit Handhebel oder spez. Impulstasten am Regelgerät).
Die Kesseltemperaturregelung geschieht autonom.
4.12 Regelung und Steuerung der Nahund Fernwärme-Übergabe
4.12.1 Übergabestation
Die Übergabestation ist das Bindeglied zwischen dem Nah- und Fernwärme-Verteilnetz und dem hausinternen Verbraucherkreis. Die gelieferte Wärme kann dabei entweder durch direkte (Fig. 4-28a) oder durch
indirekte Einspeisung (Fig. 4-28b) an den hausinternen Verbraucherkreis
übertragen werden.
3
2
1
00 0
Σ
A
B
C
3
2
1
00 0
Σ
A
4
B
C
B64-14
Fig. 4-28 Schema einer Nah- / Fernwärme-Übergabestation
a) mit direkter Einspeisung
b) mit indirekter Einspeisung
A
B
C
88
Verteilnetz-Anschluss
Übergabestation
Hausinterner Verbraucherkreis
1
2
3
4
Wärmezähler (üblicherweise
im Rücklauf eingebaut)
Druckdifferenz-Regler
Sekundär-Vorlauftemperatur-Regelung
Wärmeübertrager
Heizgruppenregler (geführt nach
Aussentemperatur)
Vorlauf-Temperaturfühler und
Anlegethermostat
(Fussbodenheizung)
Gruppenpumpe
Durchgangsventil und Antrieb
Wärmeübertrager (isoliert)
Fig. 4-29 Übergabestation in einem Nahwärmeverbund einer Wohnüberbauung
4.12.2 Wärmezähler
In jede Übergabestation gehört ein Wärmezähler, damit die gelieferte
Wärmemenge auch korrekt verrechnet werden kann. Dabei wird unterschieden, ob die bezogene Wärmemenge zu einem festgelegten Preis
pro kWh oder ob die gesamten Betriebskosten einer Nahwärmeversorgung auf die Wärmebezüger aufgeteilt werden. (Heizkosten-Abrechnung). Für die Verrechnungsart kWh gegen Geld sind amtlich geprüfte
und geeichte Wärmezähler vorgeschrieben, während für die HeizkostenVerteilung auch ungeeichte Zähler eingesetzt werden können.
Eichfähige Wärmezähler sind:
– Ultraschall-Wärmezähler
– Magnetisch-induktive Wärmezähler
– Flügelrad-Wärmezähler
Fig. 4-30 Ultraschall Wärmezähler (Siemens «ULTRAHEAT»)
89
90
Einbau im Vor- oder Rücklauf?
Die Hersteller schreiben normalerweise vor, den Wärmezähler im Rücklauf einzubauen. Der Grund dafür ist nicht primär die tiefere Mediumstemperatur, 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 multipliziert 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.
Schleichmengen-Unterdrückung
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 vermeiden, verfügen die Fernwärme-Regelsysteme über eine sogenannte
Schleichmengen-Unterdrückung, d.h. sobald die Stellgrösse des Übergabe-Regelventils kleiner wird als 10 % seines Stellbereiches, wird das
Ventil ganz geschlossen.
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 Übergabestation 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-Versorgungsunternehmen plombiert. Durch den Ausgleich der Druckschwankungen im Fernwärme-Verteilnetz wird auch die Regelbarkeit der Übergabestation verbessert.
Weil die Druckdifferenz-Regelung und die Sekundär-Vorlauftemperaturregelung (auf ein primärseitiges Regelventil wirkend) zum Standart
jeder Übergabestation gehört, bieten die Regelgeräte-Hersteller sogenannte «Kombiventile» (Fig. 4-31) an. Das sind Durchgangs-Regelventile mit eingebautem Druckdifferenz-Regler.
Fig. 4-31 Kombiventil (Front und Ansicht auf Druckleitungen)
P2
Δpw
4374Z06
p stat
P3
M
ϑ
P1
Δ p ges
( Δp max / Δp min)
Δp r
P2
P3
4374H01
Δpr
P1
Δpw
4.12.3 Druckdifferenz-Regelung
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
91
4.12.4 Begrenzungs-Funktionen
• Sekundärseitige Vorlauftemperatur-Maximalbegrenzung bei Fernwärmenetzen 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 Wärmeerzeuger.
• 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.
B64-15
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 Wärmeleistung ergibt sich bekanntlich aus der Wärmeübertragungsfläche und
der mittleren Temperatur-Differenz zwischen dem Primär- und Sekundärkreislauf. 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.
92
5. Regeln und Steuern von Brauchwarmwasser-Anlagen
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 Brauchwasserladung werden ab Abschnitt 5.1 beschrieben.
Zuerst einige allgemeine Informationen zu Brauchwasserladungen.
Ein-/Ausschalten der
Brauchwasserladung
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, lassen sich die Sollwerte am Regler einstellen und der Istwert kann abgelesen werden. Weiter lässt sich darüber auch eine eventuelle Frostschutzfunktion 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.
R
1
1
2
2
B65-1
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
Ladetemperatur
Die Ladetemperatur sollte so tief wie sinnvoll gewählt werden
(z.B. 58 °C), da bei zu hohen Ladetemperaturen (über ca. 65 °C) Kalkund Mineralausscheidungen auftreten, welche die Wartungs- und
Unterhaltskosten sowie die Lebenszeit einer Brauchwasseranlage
ungünstig beeinflussen.
93
Platzierung auf Verteiler
Die Heizgruppe für die Brauchwasser-Erwärmung wird meist separat
auf dem Hauptverteiler oder auf dem Verteiler in einer Unterstation
angesiedelt.
B65-2
Fig. 5-2 Heizverteiler mit Brauchwarmwasser-Gruppe (Ventil Auf / Zu)
Wie schon in Kapitel 1 und 2 erwähnt, ist die Platzierung einer Heizgruppe 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 «ReglerAktivitäten» bei den anderen Gruppen verursachen. Weiter wird dadurch im Sommerbetrieb während der Brauchwasserladung nicht der
ganze Verteiler erwärmt (mit entsprechender Bypass-Anordnung, vgl.
Fig. 5-2 und auch 1.7.2.1).
Sollwertanpassung Erzeugerseite
Sommerbetrieb
94
Bei Anlagen deren Erzeuger in Abhängigkeit der Aussentemperatur
gefahren werden (vgl. Kapitel 1), ist es notwendig, die Betriebstemperatur für die Dauer der Brauchwasserladung auf den notwendigen Ladesollwert (z.B. 65 °C) zu erhöhen. Dabei ist gerade bei ausgedehnteren
Anlagen wie beispielsweise in einer Wohnüberbauung mit einer Heizzentrale, 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 Brauchwasserspeicher geladen werden
• der Erzeuger nach erfolgter Ladung wieder auf die witterungsgeführte 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 Wassererwärmer Wärme verlangt koordiniert bei mehreren Unterstationen
mit Brauchwasserladung
• die Ladepumpe erst freigegeben wird, wenn die Kesselwassertemperatur resp. die Temperatur am Verteiler für die Brauchwasserladung genügend hoch ist, z.B. über einen Freigabethermostat
(vgl. Fig. 5-3)
Koordination mehrerer
Brauchwasserladungen
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 Bussystem (Relaisbus) realisiert.
Dabei sind folgende Funktionen zu erfüllen:
• schaltet eine Brauchwasserladung ein, werden die anderen ebenfalls zwingend eingeschaltet (z.B. Überbrücken des «Ein»-Thermostaten), um das zur Verfügung stehende Temperaturniveau auszunutzen 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 entsprechenden technischen Unterlagen konsultiert werden.
Zwangsladung
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 geladen werden. Die Dimensionierung des Speichers sollte unter Einbezug
der Anlagebedingungen (Ladezeiten, Platzverhältnisse, geografische
Ausdehnung usw.) erfolgen.
Zirkulationspumpe
Viele Anlagen benötigen auf der Verbraucherseite eine Zirkulationspumpe (siehe z.B. Fig. 5-3), damit die Zeit bis warmes Wasser an den Zapfstellen 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.
Elektroeinsatz
Die meisten der nachfolgend besprochenen Arten der Brauchwasserladung können mit einem Elektroeinsatz ergänzt werden, beispielsweise 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 bieten auch Funktionen zur Steuerung dieser Art der Brauchwassererwärmung, welche hier aber nicht detaillierter betrachtet wird.
95
Wärmemessung
Oft wird die zur Erzeugung des Brauchwarmwasser notwendige Energie mit einem separaten Wärmezähler erfasst, damit diese entsprechend in eine Heizkostenabrechnung einfliessen kann. Dabei ist auf den
korrekten Einbauort im Verteiler zu achten.
von
Fernleitung
Raumheizung
MZ
WZ
00 0
Σ
00 0
Σ
WZ
T1
B65-3
Fig. 5-3 Brauchwasserladung mit Wärmemessung, Freigabethermostat und Zirkulationspumpe
WZ = Wärmezähler
T1 = Freigabethermostat für BWW-Ladung
MZ = Zirkulationspumpe
5.1 Brauchwasserladung mit
innenliegendem Wärmetauscher
Diese Art der Brauchwasserladung wird sehr häufig angewandt, vor
allem für einzelne kleinere Brauchwasserspeicher. Sie ist sehr kostengünstig, da handelsübliche, vorgefertigte Brauchwasserspeicher eingesetzt werden können.
Fig. 5-4 Brauchwasserladung mit innenliegendem Wäremtauscher
Geeignete Verteilerbauart
96
Gegen Ende des Ladevorganges steigt die Rücklauftemperatur bei dieser 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
5.1.1 Mit Ladepumpe, ohne
Vorlaufregelung
Funktion
Die Ladung des Brauchwasserspeichers erfolgt durch Steuern der Ladepumpe. Erfassen der Brauchwassertemperatur mit einem (oder zwei)
Thermostaten oder Fühler. Oft wird bei dieser Art der Brauchwasserladung auch ein Absperrorgan (z.B. ein Durchgansventil S in Fig. 5-5)
eingesetzt, das aber keine Regelfunktion hat.
MZ
S
ϑ1
ML
T
ϑ2
B65-4
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. Kesselvorlauftemperatur) betrieben wird, die je nach Qualität der Vorregelung
stark schwanken kann. Dadurch ist kein Verkalkungsschutz gewährleistet, d.h. Temperaturen > ca. 65 °C können im normalen Ladebetrieb
auftreten.
°C
80
ϑ1
60
ϑ2
40
20
0
50
Ladezustand
100%
B65-5
Fig. 5-6 Verlauf (vereinfacht) der Eintritts- und Austrittstemperatur über den Ladezustand
1
Ladetemperatur Brauchwasserspeicher
2
Austrittstemperatur aus internem Wärmetauscher
97
5.1.2 Vorlaufregelung mit
Beimischschaltung
Funktion
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.
MZ
w
Y
B1
ML
B2
B65-6
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 Speichertemperatur eingestellt werden für einen unproblematischen Betrieb.
98
5.1.3 Umlenkschaltung
Funktion
Die Ladung des Brauchwasserspeichers erfolgt durch Steuern des
Umlenkventils. Dieses stellt um zwischen Heizkreis und Brauchwasserladung, d.h. Ladung mit absolutem Vorrang (vgl. 5.3).
MZ
T
S
M
B65-7
Fig. 5-8 Brauchwasserladung mit Umlenkventil
T = Speicherthermostat (Ein / Aus)
S = Umlenkventil
M = Gruppenpumpe (auch Ladepumpe)
99
5.2 Brauchwasserladung mit externem
Wärmetauscher
Geeignete Verteilerbauart
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
externem Wärmetauscher
(vorne, isoliert)
100
Brauchwasserladung mit aufgebauter
Ladeeinheit (mit externem
Wärmeübertrager, Ladepumpe, usw.)
5.2.1 Vorlauf geregelt mit
primärseitigem Ventil
Funktion
Die Brauchwasserbereitung erfolgt ab Wärmetauscher (Durchflussregelung). Die sekundärseitige Vorlauftemperatur (B1) des Wärmetauscher
wird mit dem primärseitigen Durchgangsventil (Y) geregelt. Die primärseitige Pumpe (MP) wird durch den Ein-Befehl vom Speicher eingeschaltet (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 Speichers 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.
Zirkulationspumpe
Wird diese Schaltung ohne Speicher eingesetzt, empfiehlt es sich aus
regeltechnischen Gründen (und nicht nur aus Komfortgründen) eine
Zirkulationspumpe einzusetzen.
w
P
T3
MZ
T1
Ein 55 °C
B1
Y
T2
Aus 58 °C
MS
B65-8
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)
101
5.2.2 Speichervorlauf geregelt mit
primär- und sekundärseitigem Ventil
Funktion
Die sekundärseitige Vorlauftemperatur (B1) wird in erster Sequenz über
das sekundärseitige Ventil (Y1) und in zweiter Sequenz über das primärseitige 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.
Y2
B2
MP
MZ
ϑ2
T1
Ein 55 °C
ϑ3
B3
B1
ϑ1
T2
Aus 58 °C
MS
ϑ4
B65-9
Y1
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 sekundärseitigen Ventils (Y1, Y2) in Abhängigkeit der Regelabweichung xw (x-w),
sowie den Verlauf der verschiedenen Temperaturen über den Ladezustand.
°C
Y
80
100%
ϑ2
Y1
60
Y2
ϑ1
40
ϑ3
20
0%
ϑ4
x-w
w
0
50
Ladezustand
100%
B65-10
102
Fig. 5-12 Stellgrössen Y1 und Y2 in Abhängigkeit der Regelabweichung xw (x – w) und
Verlauf der verschiedenen Temperaturen über den Ladezustand
5.3 Spezielle Funktionen bei
Brauchwasserladungen
Vorrangschaltung der
Brauchwasserladung
Durch die gezielt knappe Dimensionierung von Heizkesseln unter
Berücksichtigung von Gleichzeitigkeitsfaktoren usw. und die im Verhältnis kleineren notwendigen Leistungen für die Raumheizung (z.B. bessere 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 Funktionen zur Vorrangschaltung der Brauchwasserregelung gegenüber einer
oder mehrer Heizgruppen. Dabei wird meist zwischen zwei Arten von
Vorrangschaltungen unterschieden:
• absoluter Vorrang:
Heizkreise werden während der Brauchwasserladung gesperrt
• gleitender Vorrang:
Heizkreise werden während der Brauchwasserladung gedrosselt
z.B. Mischventil
Legionellenfunktion
Diese wird in regelmässigen Intervallen (z.B. einmal pro Woche) durchgeführt. Dabei wird das Brauchwarmwasser auf eine höhere Temperatur (min. > 60 °C) als die normale Ladetemperatur erhitzt, um die Bildung 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.
Rücklaufmaximalbegrenzung
Brauchwasser
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 normalerweise während der Brauchwasserladung aktiviert. Die technischen
Unterlagen der einzelnen Regelgeräte geben die dazu notwendigen
Detailinformationen.
DRT Begrenzung
Die DRT Begrenzung (Rücklaufdifferenz-Maximalbegrenzung; vgl. Kapitel 4) wird im Falle einer Brauchwasserladung bei vielen Reglern ausgeschaltet. Die technischen Unterlagen der einzelnen Regelgeräte geben
die dazu notwendigen Detailinformationen.
103
6. Regeln und Steuern von Wärmepumpenanlagen
6.1 Einleitung
Mit Elektro-WP äusserst gute
Ausnutzung der Elektroenergie
6.2 Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Wärme aus der Umwelt
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 niedriger Temperatur zu verdampfen. Dies ermöglicht es, dass die sehr reichlich vorhandenen Umweltenergien (Aussenluft bis – 20 °C, See- oder Grundwasser
von 4 – 12 °C und Erdreich von 0 – 20 °C) als Wärmequelle vom Temperaturniveau 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 Kältemittel hat diese Verdampfungsenergie im Verdampfer in sich aufgenommen, ohne dass dadurch die Temperatur angestiegen ist. Das niedrige
Temperatur-Niveau lässt es nicht zu, dass dieses Medium direkt in Heizungsanlagen zur Anwendung kommt.
Wärmequellen
Luft
Wasser
Entspannen
Erdreich
Flüssiges
Kältemittel
Niederdruck
Hochdruck
Verdampfen
Verflüssigen
Gasförmiges
Kältemittel
Verdichten
Zusatzenergie
Fig. 6-1 Kältemittel-Kreislauf in einer Wärmepumpe
Verdampfungs- und KondensationsTemperatur
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. Kondensationspunkt bezüglich Temperatur an. Aus diesen physikalischen
Zusammenhängen heraus wird der nächste Schritt sehr logisch: Erhöhung des Druckes um den Verdampfungs-/Kondensationspunkt anzuheben in einen Bereich, da die Kondensation für die Heizungsanlage
genutzt werden kann.
104
Dies geschieht mit einem Kompressor (Verdichter), welcher das nunmehr gasförmige Kältemittel ansaugt und zusammenpresst. Hierzu ist
Zusatzenergie (z.B. Elektrizität) notwendig. Wenn es sich um einen
sauggasgekühlten Verdichter handelt, geht diese Energie (Motorenwärme) nicht verloren, sondern gelangt in das zu verdichtende Kältemittel
und erwärmt dieses.
Im nachgeschalteten Kondensator (Verflüssiger) kühlt das Heizungswasser das Heissgas ab und bringt es zum Kondensieren und das Heizungswasser 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.
Expansionsventil
Niederdruck
Flüssiges
Kältemittel
Hochdruck
Verdampfer
Kondensator
(Verflüssiger)
Gasförmiges
Kältemittel
Kompressor (Verdichter)
Fig. 6-2 Mechanische Hauptkomponenten einer Wärmepumpe
Herkunft des Namens Wärmepumpe
Der Name Wärmepumpe hat seinen Ursprung aus diesem physikalischen Vorgang heraus erhalten: Auf tiefem Temperaturniveau aufgenommene Wärmeenergie wird «hoch gepumpt» auf ein Niveau das zu
Heizzwecken gebraucht werden kann.
105
6.3 Die Wärmequellen
Die Wärmequelle liefert die notwendige Verdampfungswärme für die
Wärmepumpe.
6.3.1 Wärmequelle Aussenluft
Fig. 6-3 Wärmequelle Aussenluft
Immer verfügbare Wärmequelle
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). Hierbei sinkt die Verdampferleistung stark ab. Das Eis muss mit einer
geeigneten (energieverbrauchenden!) Methode regelmässig abgetaut werden.
• Durch die Luftumwälzung können störende Ventilatorengeräusche
entstehen, die durch entsprechende Schallschutzmassnahmen reduziert werden müssen.
6.3.2 Wärmequelle Erdreich
Fig. 6-4 Wärmequelle Erdreich
Besser als Luft als Wärmequelle,
aber teurer
Beim Erdreich als Wärmequelle werden entweder Erdkollektoren
(grossflächiges Rohrnetz normalerweise gefüllt mit frostsicherer Flüssigkeit, 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 verursachen.
106
Bei der Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle ist sehr sorgfältig darauf zu achten, dass sich die Wärmequelle wieder regenerieren kann
(evtl. Entlastungseinrichtung wie Sonnenkollektoren einbauen), da
sonst die Bodentemperatur zu stark absinkt und dadurch die notwendige 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.
6.3.3 Wärmequelle Grundwasser
Fig. 6-5 Wärmequelle Grundwasser
Die beste Wärmequelle, aber selten
zur Verfügung
6.4 Wärmepumpen-Benennung
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 (Bewilligungspflicht!).
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:
Bezeichnung der Wärmepumpe
Wärmequelle
Wärmepumpen-Benennung
Aussenluft
Luft – Wasser – Elektro – Wärmepumpe
Erdreich
Sole – Wasser – Elektro – Wärmepumpe
Grundwasser
Wasser – Wasser – Elektro – Wärmepumpe
107
6.5 Betriebsarten
6.5.1 Monovalenter Betrieb
monovalente Betriebsweise (mono = ein, einzig)
In einer monovalenten Wärmepumpen-Heizanalage stellt allein die
Wärmepumpe (Fig. 6-7) in allen möglichen Betriebszuständen die erforderliche Heizwärme bereit. Die Wärmepumpe muss also für den maximalen Wärmebedarf der Gebäudeheizung ausgelegt werden. Die maximal möglichen Heizwasser-Vor- und Rücklauftemperaturen müssen auf
die maximal zulässige Kondensator-Austrittstemperatur ausgelegt werden (vgl. 6.8.2).
B66-06
Fig. 6-6 Monovalent betriebene Anlage mit Speicher und Heizungsgruppen
ϑA
Auslegepunkt
- 10
-5
0
5
Heizgrenze
10
Wärmepumpe
B66-07
15
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
Fig. 6-7 Temperatur-Häufigkeitskurve für monovalenten Betrieb
Bei Ausfall der Wärmepumpe steht in einer monovalenten Anlage keine
Alternativheizung zur Verfügung.
108
6.5.2 Bivalenter Betrieb
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-alternativer 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 Energie, 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 Wärmepumpe bei mildem und durchschnittlich kaltem Winterwetter allein die notwendige Heizwärme. Bei starker Kälte wird der Heizwärmebedarf durch
eine Zusatzheizung (vgl. Fig. 6-8). ergänzend (parallel) oder gänzlich
(alternativ) gedeckt
Δp
PID
6.5.1.1 Spezialfall
monoenergetischer Betrieb
B66-08
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 Wärmebedarfs 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
109
6.5.2.1 Bivalent-alternativer Betrieb
Hierzu ist die Wärmepumpe nur bei mildem und durchschnittlich kaltem
Winterwetter in Betrieb. Bei starker Kälte und zur Deckung des maximalen Wärmebedarfes wird die Wärmepumpe aus- und die Zusatzheizung eingeschaltet.
ϑA
- 10
Auslegepunkt
-5
0
Bivalentpunkt
5
10
Heizgrenze
0
30
Wärmepumpe
60
90
120
150
180
B66-09
Kessel
15
210
240
270
300
330
360 [Tage/a]
Fig. 6-9 Temperatur-Häufigkeitskurve für bivalent-alternativen Betrieb
Die Heizwasser-Vor- und Rücklauftemperaturen müssen für die Lastzustände mit Wärmepumpenbetrieb auf die maximal zulässige Kondensator-Austrittstemperatur ausgelegt sein (vgl. 6.8.2). Für die Lastzustände mit alternativem Zusatzheizungsbetrieb dürfen die HeizwasserVor- und Rücklauftemperaturen über diese maximal zulässigen Werte
steigen. Die Zusatzheizung muss jedoch hydraulisch derart in den Heizwasserkreislauf geschaltet werden, dass bei Zusatzheizungsbetrieb
kein Heizwasser durch den Wärmepumpen-Kondensator zirkulieren
kann (Hochdruck-Betriebsgrenze).
Die Zusatzheizung muss für den gesamten maximalen Heizwärmebedarf ausgelegt werden.
Im Betrieb muss von der Wärmepumpe auf die Zusatzheizung umgeschaltet werden, sobald die Wärmepumpen-Heizleistung nicht mehr
ausreicht. Dies wird regeltechnisch in Abhängigkeit der Aussentemperatur und/oder der Wärmequellentemperatur gemacht.
110
Hierzu sind die Wärmepumpe und die Zusatzheizung bei der Deckung
des maximalen Wärmebedarfs der Gebäudeheizung gemeinsam in
Betrieb.
ϑA
- 10
Auslegepunkt
-5
0
Bivalentpunkt
Kessel
5
10
Heizgrenze
Wärmepumpe
B66-10
6.5.2.2 Bivalent-paralleler Betrieb
15
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360 [Tage/a]
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 Zusatzheizung muss hydraulisch in Serie zur Wärmepumpe in den Heizwasservorlauf geschaltet werden. Mit der Zusatzheizung wird die Kondensator-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 Wärmepumpen-Heizleistung allein nicht mehr ausreicht. Dies wird regelungstechnisch in Abhängigkeit der Heizwasser-Vorlauftemperatur
bewerkstelligt.
111
6.5.2.3 Bivalent-parallel/alternativer
Betrieb
Hierzu sind paralleler- und alternativer Betrieb kombiniert.
Bei geringem bis mittlerem Heizwärmebedarf wird dieser durch die
Wärmepumpe allein gedeckt. Steigt der Wärmebedarf über die Heizleistung 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 abgeschaltet (Aussentemperatur- oder Wärmequellen-temperaturabhängig) und
der gesamte maximale Wärmebedarf wird durch die Zusatzheizung
gedeckt.
ϑA
- 10
Auslegepunkt
-5
0
Bivalentpunkt
Kessel
5
10
Heizgrenze
B66-11
Wärmepumpe
15
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
[Tage/a]
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 Heizwasservorlauf geschaltet ist
• im Alternativbetrieb kein Heizwasser durch den Wärmepumpen-Konsensator zirkulieren kann
• die Zusatzheizung muss für den gesamten maximalen Heizwärmebedarf ausgelegt werden
6.5.3 Wahl der Betriebsart
Die richtige Betriebsweise
112
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 Rücklauftemperatur
• jährliche Häufigkeit der auftretenden Heizlastzustände
6.6 Kennzahlen für Wärmepumpen
6.6.1 Die Leistungszahl ε
Vergleichsmöglichkeit von WPs
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 unbedingt berücksichtig werden, dass sich ε (und somit die Heizleistung der
Wärmepumpe) bei kleiner werdender Differenz zwischen Kondensations- 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 bestimmten, momentanen Betriebszustand.
Fig. 6-12 Beispiel für den Verlauf der Leistungszahl in Abhängigkeit der
Temperaturdifferenz zwischen Kondensations- und Verdampfungstemperatur
1 Leistungszahl
2 Temperaturdifferenz
113
6.6.2 Die Jahresarbeitszahl β
Für die eigentliche Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpenanlage ist die
Jahresarbeitszahl β (Beta) massgebend.
Der Jahresdurchschnitt ist wichtig
Die Jahresarbeitszahl β ist der jährliche Durchschnitt (Jahresmittelwert)
der in einem Wärmepumpenanlagen-Betriebsjahr vorkommenden Leistungszahlen ε.
Typische, in der Praxis vorkommende Jahresarbeitszahlen β sind nach
Wärmequelle beispielsweise wie folgt:
Wärmequelle
β
Aussenluft
2,5
Erdreich
3
Grundwasser
3,2
Die Jahresarbeitszahl β 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 β =
QWP
QSP
WWP
WPumpen
WRegelung
W…
=
=
=
=
=
=
QWP – QSP
WWP + WPumpen + WRegelung + W…
Wärmemenge produziert durch Wärmepumpe
Wärmeverluste der Speicheranlage
Energieverbrauch der Wärmepumpe
Energieverbrauch der Verdampfer- und Kondensator-Pumpe
Energieverbrauch der Regelung und Steuerung
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.
114
6.7 Die Regelbarkeit der Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe ohne regelbare Heizleistung produziert im Teil-Heizlastbetrieb überschüssige Wärme.
Welche Wärmepumpen-Heizleistungsregelung verwendet werden soll
und kann, muss unbedingt vom Wärmepumpen-Hersteller bestimmt
und bei der Anlagekonzeption und -dimensionierung berücksichtig werden.
6.7.1 Heizleistungsregelung direkt an
der Wärmepumpe
Detailliertere Informationen zu den nachfolgend aufgeführten Heizleistungsregelungen direkt an der Wärmepumpe sind im Trainingsmodul
«Kältetechnik» (B08RF) enthalten. Hier werden nur die Auswirkungen
dieser Regelungen auf die Jahresarbeitszahl beschrieben.
6.7.1.1 Heissgas-Bypass- oder
Saugdrossel
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 Heissgas-Bypass- als auch die Saugdrossel-Regelung ergeben also für die
Wärmpumpe sehr schlechte Jahresarbeitszahlen.
6.7.1.2 Kompressor Ventilabhebung
Mit der Ventilabhebung können bei entsprechend ausgerüsteten mehrzylindrigen Kolbenkompressoren einzelne Zylinder stufenweise zu- oder
abgeschaltet werden Hierzu werden die Saugventile der abzuschaltenden Zylinder geöffnet (z.B. elektrohydraulisch). Diese WärmepumpenHeizleistungsregelung ist jedoch nicht energieoptimal, da im reduzierten 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.
6.7.1.3 Kompressordrehzahlregelung
Gute Wärmepumpen-Regelung
6.7.2 Wärmepumpe Ein/Aus-Regelung
Meist verwendete Regelung
bei Wärmepumpen
Eine Wärmepumpen-Heizleistungsregelung mittels mehrstufiger
(Stufenschalter auf polumschaltbaren Drehstrommotor) oder stufenloser (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 energieoptimal 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 aufweisen, welche einerseits zeitweilig die überschüssig produzierte Wärmepumpen-Wärme speichern kann, und welche andererseits zeitweilig
den Heizanlagen-Wärmebedarf bei ausgeschalteter Wärmepumpe
decken kann.
115
Zusätzlich sollte sicherheitshalber die Wärmepumpe zeitverzögert
geschaltet werden, so dass eine maximal zulässige Anzahl Anläufe pro
Stunde nicht überschritten werden kann (z.B. max. 3 Anläufe pro Stunde). Die zulässige Anlaufhäufigkeit wird oft auch vom Elektrizitätswerk
vorgeschrieben.
6.7.2.1 Regelgrössen für
Ein/Aus-Regelung
Zur Einschaltung der Wärmepumpe werden normalerweise folgende
Regelgrössen verwendet:
• bei Wärmepumpen-Heizanlagen mit Wärmepuffer oder -speicher
wird die Wärmepumpe bei sinkender Puffer- oder Speichertemperatur eingeschaltet
• bei Fussbodenheizanlagen ohne zusätzlichen Wärmepuffer oder
-speicher wird die Wärmepumpe bei sinkender Heizwasser-Rücklauftemperatur eingeschaltet
In beiden Fällen kann der Sollwert für diese Einschalttemperaturen
witterungsabhängig geführt werden. Dies ergibt eine bessere Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe und bei Fussbodenheizungen eine Anpassung der gespeicherten Fussbodenwärme an den effektiven Heizwärmebedarf.
Die Ausschaltung der Wärmepumpe erfolgt normalerweise bei steigender Kondensator-Eintrittstemperatur des Heizwassers (Kondensationsdruck Betriebsgrenze). Bei stark variabler Wärmequellentemperatur
(= variable Heizleistung des Kondensators) muss der Sollwert für diese
Ausschaltung Wärmequellen temperaturabhängig geführt werden
(vgl. 6.8.2.1).
116
6.8 Die Betriebsgrenzen der
Wärmepumpe
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
6.8.1 Verdampfungsdruck Betriebsgrenze
Der für eine Wärmepumpenanlage minimal zulässige Verdampfungsdruck ist abhängig:
• vom maximal zulässigen Kompressionsverhältnis des verwendeten
Kompressors, d.h. von der Konstruktion des Kompressors.
• von der für die verwendete Wärmequelle minimal zulässigen Kältemittel-Verdampfungstemperatur (z.B. muss bei Wärmequelle Wasser
die Verdampfungstemperatur wegen Vereisungsgefahr über 0 °C
liegen).
Betriebsgrenze nach unten
Ein Unterschreiten der Verdampfungsdruck-Betriebsgrenze wird durch
den Niederdruck-Sicherheitspressostat verhindert. Er schaltet den
Kompressor aus, wenn der Kältemitteldruck auf der Saugseite des Kompressors die festgelegte Betriebsgrenze unterschreitet.
Dies tritt unter anderem ein, wenn die Temperatur der Wärmequelle so
tief absinkt, dass dabei dem Kältemittel nicht mehr genügend Verdampfungswärme zur Einhaltung der minimal zulässigen Verdampfungstemperatur zugeführt werden kann.
In Wärmepumpenanlagen mit begrenztem Wärmequellen-Wärmeangebot 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 festgelegt 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:
*
6.8.2 Kondensationsdruck
Betriebsgrenze
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
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 eingesetzt werden dürfen
Der für eine Wärmepumpenanlage maximal zulässige KältemittelBetriebsdruck ist aus Sicherheitsgründen (Gesetze, Vorschriften) normalerweise begrenzt auf max. 25 bar.
Ein Überschreiten dieser Betriebsgrenze wird durch den HochdruckSicherheitspressostat verhindert, welcher normalerweise auf ca. 24 bar
eingestellt ist.
117
Abschaltung bei zu hoher Temperatur
(Druck)
Der Kondensationsdruck für den Normalbetrieb sollte ca. 2 bar unterhalb des Hochdruck-Ausschaltpunktes liegen, d.h. er sollte ca. 22 bar
nicht überschreiten.
Für einige gängige Kältemittel ergeben sich folgende absoluten Kondensationsdrücke und folgende Kältemittel-Kondensationstemperaturen:
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
Die im störungsfreien Betrieb erreichbaren maximalen KondensatorAustrittstemperaturen des Heizwassers sind abhängig von der Wärmetauscherfläche im Kondensator und von der Kältemittel-Kondensationstemperatur bei 22 bar. In der Praxis ergeben sich hierbei folgende maximalen Heizwassertemperaturen:
Freon R407C, R290:
Freon R404A:
Freon R134a:
max. 50 °C
max. 47 °C
max. 70 °C
Ein Überschreiten der Kondensationsdruck-Betriebsgrenze wird – wie
bereits erwähnt – durch den Hochdruck-Sicherheitspressostat
verhindert. 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 zulässigen Kondensationstemperatur entzogen werden kann.
Die Wärmepumpe muss deshalb von einem Temperaturregler* ausgeschaltet werden, sobald die Kondensator-Eintrittstemperatur des Heizwassers 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).
118
* Die Erfassung der Kondensator-Eintrittstemperatur muss schnell genug sein, damit bei
allfälligen schnellen Temperaturerhöhungen die Wärmepumpe abgeschaltet wird, bevor
dies durch den Hochdruck-Sicherheits-pressostaten geschieht. Normale Thermostate sind
hierfür normalerweise nicht geeignet. Als Alternative könnte die Wärmepumpe bei steigendem Kondensationsdruck durch einen Druckschalter ausgeschaltet werden, welcher
z.B. auf 2 bar unter der Hochdruck-Sicherheitsgrenze eingestellt ist. Hierbei muss jedoch
berücksichtigt werden, dass dieser Druckschalter für sehr viele Schaltungen geeignet sein
und an das geschlossene Kältemittelsystem angeschlossen werden muss (Eingriffe in
das Kältemittelsystem sind unbeliebt). Zudem ist eine eventuell erwünschte Führung des
Druckschalter-Sollwertes nach Aussentemperatur nicht ohne weiteres möglich. Deshalb
wird generell die Ausschaltung bei steigender Kondensator-Eintrittstemperatur empfohlen.
6.8.2.1 Bestimmen der maximal
zulässigen KondensatorEintrittstemperatur
ϑVL
ϑV, WP
2
1
H
ϑR, WP
ϑRL
B66-13
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
Die maximal zulässige KondensatorEintrittstemperatur
Zur Bestimmung der maximal zulässigen Heizwasser-Rücklauftemperatur RL max. müssen folgende Daten der Anlage bekannt sein:
• Verlauf der Heizwasser Vor- und Rücklauftemperatur VL und RL
• Im Normalbetrieb maximal erreichbare Kondensator-Austrittstemperatur VL max. (z.B. 50 °C bei Verwendung von R407C; vgl. 6.8.2)
• max. Heizwasser Erwärmung ΔErwärmung über dem Kondensator bei
allen möglichen Aussentemperaturen resp. bei unterschiedlichen
Wärmequellen und deren Temperaturverlauf
• RL max. = VL max. – ΔErwärmung
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
(ΔErwärmung) und damit gleichbleibende maximale Kondensator-Eintrittstemperatur (vgl. Fig. 6-14, )
QH = variabel (z.B. Aussenluft als Wärmequelle)
Temperaturdifferenz über dem Kondensator (ΔErwärmung) wird mit
steigender Aussentemperatur (und der gleichen geförderten Wassermenge) grösser, was zur Folge hat, dass die maximale KondensatorEintrittstemperatur tiefer wird als im Auslegepunkt (vgl. Fig. 6-14, )
Führung RL max. nach
Aussentemperatur
Daraus ergibt sich, dass die Kondensator-Eintrittstemperatur in Abhängigkeit der Aussentemperatur geführt werden muss, wenn diese für
Regelzwecke verwendet wird.
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
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
Ein/Aus geregelte Wärmepumpen-Heizanlagen müssen genügend Heizwärme-Speicherkapzität aufweisen, damit:
• die durch den Ein-/Aus-Betrieb auftretenden Heizwasser Temperaturschwankungen 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-Betriebsunterbrüchen 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 unzulässig
häufigen Ein/Ausschaltungen der Wärmepumpe.
Wärmespeicher werden ebenfalls eingesetzt zur hydraulischen
Entkoppelung von Wärmepumpe und Heizanlage und zur Langzeitspeicherung des Wärmebedarfs eines Gebäudes (Überbrückung von
Elektroenergie- oder Wärmequellen-Angebotslücken). In bivalenten
Wärmepumpen-Heizanlagen kann zudem die, durch eine nicht regelbare Feststoff-Zusatzheizung, überschüssige erzeugte Wärme im
Wärmespeicher über längere Zeit gespeichert werden.
Bei der Schichtladung erfolgt die Ladung schichtweise in einem einzigen 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.
121
6.9.3 Laderegelung des Wärmespeichers
Wärmespeicher werden normalerweise mit einer sogenannten Laderegelung betrieben. Damit wird die Kondensator-Austrittstemperatur
(Speicher-Ladetemperatur) immer so hoch wie möglich gehalten. Als
Regelgrösse für die Laderegelung wird der Kältemittel-Kondensationsdruck 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-Eintrittstemperatur 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.
ϑA
ϑA
ϑV, WP
1
4
3
Δp
PID
ϑR, WP
1
ϑRL
B66-15
2
Fig. 6-15 Hydraulische und regeltechnische Grundschaltung einer Wärmepumpen-Heizanlage mit Speicher
B1, B2 Speicher-Temperaturfühler
R, WP
Kondensator-Eintrittstemperatur
B3
Druckfühler (KältemittelV, WP
Kondensator-AustrittsKondensationsdruck)
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 Laufzeiten für Öffnen und Schliessen, kann es notwendig werden, das Ventil
wie in Fig. 6-16 einzubauen, damit schnell genug kaltes Wasser beigemischt und so eine Störung des Wärmepumpenbetriebs verhindert
werden kann.
122
4
3
PID
Δp
1
B66-16
Fig. 6-16 Einbau des Mischventils, wenn Antrieb mit unterschiedlichen Laufzeiten für
Öffnen und Schliessen und schneller schliesst als öffnet (z.B. elektrohydraulischer Antrieb Siemens)
B3 Druckfühler (Kältemittel-Kondensationsdruck)
B4 Temperaturfühler als Alternative zu B3
Y1 Mischventil, Durchfluss R, WP zu Kondensatoreintritt schnell öffnend
(< 15 s)
6.9.4 Anlagen ohne Wärmespeicher
Dem technischen Speicher werden bei Klein- und Kleinstanlagen oft die
Investitionskosten, der Platzbedarf und die Wärmeverluste gegenübergestellt. 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
Genügt der Fussboden als Ersatz
für Speicher?
Bei Wärmepumpen-Fussbodenheizanlagen ohne Speicher müssen
unter anderem folgende Punkte unbedingt berücksichtigt werden:
• Wärmepumpe und Fussbodenheizung müssen bezüglich Wassermenge, 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 ΔErwärmung höher als
die Rücklauftemperatur
• die Rücklauftemperatur steigt bei steigendem Ladezustand des
Fussbodens
• die Schaltdifferenz des witterungsgeführten RücklauftemperaturZweipunktereglers 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.
123
7. Regeln und Steuern von Solaranlagen
7.1 Einleitung
In der Vergangenheit oft komplizierte
hydraulische Schaltungen
Bei der Steuerung und Regelung von Solaranlagen sind in der Vergangenheit oft komplizierte hydraulische Schaltungen empfohlen und
ausgeführt worden, mit dem Ziel, eine möglichst hohe KollektorAustrittstemperatur zu erreichen. Der Wirkungsgrad dieser Kollektoranlagen 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 Austrittstemperatur, 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
124
Sonnenkollektoren auf Dach
7.2 Die verschiedenen Schaltungen
7.2.1 Solaranlage mit
einem Kollektorfeld
Klassischer Aufbau einer Solaranlage
Der klassische Aufbau einer Sonnenkollektoranlage ist der folgende:
1
2
B67-01
Fig. 7-2
Funktions-Prinzip
Klassischer Aufbau einer Sonnenkollektoranlage
1 Sonnenkollektoren
2 Pumpe 230 V
3 Regler
4 Speicher
Sobald die Temperatur am Fühler B1 im Sonnenkollektor um einen einstellbaren Wert höher ist als beim Speicherfühler B2, schaltet die Pumpe 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 Differenztemperatur zum Einschalten wesentlich höher liegen muss.
Ist nur ein Wärmetauscher ist im Speicher, so ist dieser immer zuunterst angeordnet, dort wo die tiefste Speichertemperatur herrscht.
7.2.2 Solaranlage mit zwei
Wärmetauschern im Speicher
Zwei Speicherregister
bringen Vorteile
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 dimensionierten Speichern (mit ca. 100 l Speichergrösse pro m2 Kollektorfläche) grosse Vorteile, wenn der Wunsch besteht, das Warmwasser in der
noch heizbedarfsfreien Übergangszeit solange wie möglich ausschliesslich mit der Sonne aufzubereiten.
125
1
3
2
B67-02
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 aufzuheizende Volumen sehr viel kleiner ist. Dies ist sehr wichtig bei der Warmwasseraufbereitung, 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 Speichervolumen aber beispielsweise nur auf 30 °C aufgewärmt, womit
man nicht duschen könnte.
Funktions-Prinzip
126
Sobald die Temperatur am Fühler B1 im Sonnenkollektor um einen einstellbaren Wert höher ist als beim Speicherfühler B2, schaltet die Pumpe 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 Temperaturdifferenz zwischen B1 und B3 unter 2 K, so wird das Ventil wieder
zurückgestellt und das Wasser fliesst nur noch durch den unteren Wärmetauscher.
WICHTIG
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 Wärmetauscher sollte immer weggelassen werden (vgl. Fig. 7-5). Dies gilt auch,
wenn der Speicher über einen externen Wärmetauscher geladen wird.
«Entweder oder»-Betrieb ist falsch
B67-03
Fig. 7-4
Falsche «Entweder-oder»-Schaltung oberer und unterer Wärmetauscher bei
genügend hoher Temperatur in Serie durchfliessen!
B67-04
Fig. 7-5
Falsche «Entweder oder»-Schaltung Ventil um unteren Wärmetauscher zu
umgehen ist wegzulassen!
127
7.2.3 Solaranlage mit zwei
Kollektorfeldern
Sonnenkollektor-Anlage mit
2 verschieden orientierten Feldern
Haben wir 2 Kollektorfelder, die verschieden orientiert sind, so wird die
folgende Schaltung angewandt:
B1
B3
B2
B67-05
Fig. 7-6
Funktions-Prinzip
128
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 jeweilige Pumpe wirkend zum Einsatz kommt.
7.3 Regelung bei Einbindung
in Gesamtanlage
Autonome Regelung der Solaranlage
auch bei Gesamtanlage
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 Kollektoranlage bei der kleinsten Wärmeeinstrahlung eingeschalten kann.
Fig. 7-7
Fertig verrohrter Solarspeicher
129
Quellennachweis (Zweite aktualisierte Auflage / 2004)
Quellenangabe
• 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 + Klimatechnik»
• 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
Weitere technische Broschüren
130
ASN-No.
Titel
0-91899-de
0-91899-en
Das h, x-Diagramm
The psychrometric chart
0-91900-de
0-91900-en
Gebäudeautomation – Begriffe, Abkürzungen
und Definitionen
Building automation
0-91910-de
0-91910-en
Messtechnik
Measuring technology
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Regeln und Steuern von Heizungsanlagen
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Regeln und Steuern von Lüftungs-/Klimaanlagen
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Wärmerückgewinnung im Kältekreislauf
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Einführung in die HLK- und Gebäudetechnik
Introduction to building technology
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Hydraulik in der Gebäudetechnik
Hydraulics in building systems
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Möglichkeiten, die im Einzelfall nicht immer vorliegen müssen. Die gewünschten Leistungsmerkmale
sind daher im Einzelfall bei Vertragsschluss festzulegen.
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Regeln und Steuern von Heizungsanlagen

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