Einfache Heizungs-Regelung

Ein einfaches Beispiel einer Heizungsregelung ist z.B. ein Thermostatventil an einem Heizkörper.
Heizkörper Thermostat-ReglerFoto: M.HeckIn diesem einfachen Beispiel ist gut zu erkennen, dass das charakteristische an einer Regelung, die Rückführung ist. Im Gegensatz zu einer Steuerung, wo etwas bewirkt wird, ohne Rücksicht auf das was dadurch passiert, wird bei einer Regelung das Ergebnis erfasst und erneut der Regelung zugeführt. Schema Thermostat-Regler
Man spricht daher auch von einem Regelkreis. Im Prinzip ist die Rückführung das Entscheidende an einer Regelung. In diesem Beispiel wird durch Öffnung eines Ventiles am Heizkörper, der Heizkörper durch das heiße Wasser erwärmt und erwärmt seinerseits dann den Raum. Das Thermostatventil erfasst aber die Raumtemperatur und wirkt der Öffnung des Thermostatventis entgegen. Diese Änderung des Stellausganges und der Raumtemperatur wird so lang erfolgen, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat und der Regelvorgang zur Ruhe kommt. Wenn wir an dem Thermostatventil nun die Einstellung am Drehgriff verändern, wird sich nach einer gewissen Zeit ein anderer Sollwert bei der Raumtemperatur einstellen, so lange, bis wieder der neue eingestellte Wert erreicht ist. Wir verstellen mit dem Drehgriff am Thermostatventil hierbei den Sollwert, für die Raumtemperatur.
Heizkörper ThermostatDie Elemente, die den Istwert erfassen, dem Regler zuführen, den Regler selbst, sowie den Stellwert und das Stellglied werden als Regelstrecke bezeichnet (Temperaturfühler - Istwert - Regler - Stellwert - Stellglied). Die sich einstellende Raumtemperatur aufgrund der veränderten Ventileinstellung ist hier die Rückführung. Das ganze ist dann der eigentliche Regelkreis. Wichtig an der Sache ist auch die Invertierung des Signales. Das heist, wenn die Temperatur an der Erfassung steigt, wird das Stellsignal (hier der Durchfluss) verkleinert (invertiert). Man spricht hier auch von Wirksinnumkehr.
Signalverlauf Thermostat-ReglerWenn wir das ganze Verhalten der Regelstrecke und des Reglers über die Zeit ansehen, so können wir das Verhlten der einzelnen Komponenten in einem Diagramm, einer Sprungantwort verdeutlichen. In diesem Beispiel wurde zum Zeitpunkt t(0) der Sollwert von T1 auf T2 verändert violette-Linie. Man kann dann das Verhalten der Regelstrecke und des Reglers als Kurven erkennen. Es entsteht dabei sofort eine Reglerabweichung, in Höhe der Temperatur T2-T1. Der Regler erzeugt aus dieser Reglerabweichung direkt einen neuen Stellwert Y2. Dieser sorgt für einen höheren Wasserdurchfluss im Ventil und bringt mehr Wärmemenge in den Heizkörper, was seinerseits den Heizkörper und damit auch die Raumtemperatur, den Istwert X, erhöht. Man kann aber deutlich erkennen, dass die Raumtemperatur, also der Istwert nicht sofort, sondern erst nach einer gewissen Zeit einen neuen Wert erreicht. Der neue Wert ist dann erreicht, wenn der Unterschied zwischen Soll- und Istwert zu Null wird. Wenn der Istwert aber den Sollwert erreicht hat müsste keine weitere Wärmeenergie mehr in den Raum eingebracht werden und der Stellwert würde dann zu Null werden. Eigentlich würde sich der Stellwert Y exakt wie die Reglerabweichung W-X verhalten, da er ja aus dieser berechnet wird. Warum das aber hier nicht so ist, liegt an einem weiteren Einfluss, den wir berücksichtigen müssen. Der Raum verliert mit der Zeit aber Wärme, durch den Abfluß von Energie, z.B. durch Wände oder Undichtigkeiten. Diesen Einfluß nennen wir Störgröße. Wir müssen daher dem Raum schon Energie zuführen, um überhaupt einen konstanten Temperatur-Wert einhalten zu können. Der Stellwert Y1 vor dem Ereignis, wird durch die hohe Reglerabweichung zum Zeitpunkt t(0) auf den Wert Y2 gebracht und sinkt dann in einer Kurve auf den letztendlichen Endwert Y3 ab. Der Wert Y3 ist aber höher, als der zuvor vorhandene Stellwert Y1, das liegt daran, dass der Wärmeabfluss aus dem Raum höher ist, je größer der Unterschied zwischen Aussentemperatur und der Innnentemperatur ist. Die Störgröße ist der eigentliche Grund, warum wir eine Regelung brauchen, denn nur eine Regelung, die auf Veränderungen zwischen Soll- und Istwert reagiert, kann für einen relativ konstanten Istwert sorgen.
Dass das ganze natürlich nur dann funktioniert, wenn sowohl der Heizkörper die entsprechende Leistung und das Ventil den erforderlichen Durchfluss besitzt, versteht sich von selbst. Die Komponenten des Regelkreises müssen daher im Regel-Bereich liegen, damit sich ein Regelpunkt einstellt. Der Regelpunkt muss auch innerhalb des Einstellwertes ders Sollwertstellers befinden. Für die Funktion einer Regelung ist daher die richtige Auslegung (Dimensionierung) aller massgeblichen Komponenten wichtig

Einfaches Funktionsschema Heizung

Wenn man das Anlagenschema und das Regelschema zusammenfasst, erhält man ein Funktions-Schema. Ein einfaches Beispiel eines Funktionsschemas ist die Gebäude-Temperaturreglung mit Heizquelle. Hier ist deutlich die Regelfunktion im Zusammenhang mit den Alagen-Komponenten zu erkennen. Man kann hier auch erkennen, dass 2 unabhängige Regler im Einsatz sind. Zum einen der Heizungs-Regler, für die Raumtemperatur und zum anderen der Kessel-Regler für die Brenner-Ansteuerung (hier nur Ein und Aus), aber mit einer Schalt-Hysterese.
Funktions-Schema HeizungWenn wir zunächt den Heizungs-Regler betrachten: hier wird über einen Temperaturfühler T1 (Sensor) die Raumtemperatur (Istwert X1) erfasst und im Regler N1 mit der Sollwert-Vorgabe W1 (von Hand, z.B. 21°C) im Regler verglichen. Daraus ergibt sich ein Stellwert Y1 (0-100%), der das Mischventil entsprechend stellt. Der Regler ist der Heizungsregler, Die Regelstrecke ist der Heizkreis mit dem Raum. Der Sensor ist der Raumtemperaturfühler T1 und das Stellglied (Aktor) ist das Mischventil Y1 im Heizungsnetz. Die Hilfsgröße H wäre das Zeitschaltprogramm des Heizungsreglers, das gleichzeitig auch die Pumpe schaltet.
Der 2. Regelkreis ist der Kessel-Regler N2, der über den Kessel-Temperaturfühler T2 die Kesseltemperatur (Istwert X2) erfasst und mit dem Sollwert W2 des Kessels (z.B. 75°C) vergleicht. Daraus ergibt sich ein Stellwert Y2, der aber über eine Hysterese (Schaltdifferenz z.B. 10 °C) umgewandelt wird, um damit den Brenner B des Kessels ein- und ausgeshaltet. Der Sensor wäre hier der Tauchtemperatur-Fühler T2 direkt im Kessel, das Stellglied wäre hier die Hysteresfunktion, zusammen mit dem Schaltkontakt für den Brenner B und die Regelstrecke ist der Heizungswasser-Inhalt im Kessel.
Dieses einfache Regelungsbeispiel berücksichtigt z.B. die Aussentemperatur überhaupt nicht und eignet sich nur für einen einzelnen Raum.

Heiz-Kurve

Heiz-Kurve / Heiz-KennlinieDie Heiz-Kurve, oder auch Heiz-Kennlinie genannt (genauer gesagt, die Steilheit der Heiz-Kurve), ist eine oft verwendete Regler-Eigenschaft. Sie deffiniert die erforderliche Vorlauftemperatur in einem Heizkreis, die erforderlich ist, um im Raum die gewünschte Temperatur zu erreichen. Die Heizkurve hat eine gewisse Steilheit (hier 0,25 bis 3,5), sie ist abhängig von der Heizungsart (Heizkörper, Fußbodenheizung, Flächenheizung), der entsprechenden Ausführung der Heizung (Größe der Heizkörper, Abstand der Fußboden Heizrohre) und der Gebäude-Eigenschaft (gut, oder schlecht gedämmt). Je mehr Heizmedien-Temperatur erforderlich ist, um den Raum zu erwämen, desto steiler muss die Heizkurve sein.  Die Steilheit gibt an wie das Verhältnis zwischen erforderlicher Vorlauftemperatur und aktueller Aussentemperatur sein muss, um den Raum-Sollwert zu erreichen. Im Prinzip ist sie ein eigener Regler, wobei der Istwert die Aussentemperatur ist und der Sollwert die Steigung der vorgegebenen Heizkurve. Der Stellwert ist hierbei Vorlauftemperatur. Die Heizkurve, bzw. die Steilheit der Heizkurve wird hierbei als Konstante aus der Gebäude-Heizlast-Berechnung vorgegebnen. Die Heiz-Kurve wird normslerweise einmalig eingestellt und nur in der Inbetriebnahme-Phase der Heizung eventuell angepasst. Wenn die Heizkurve exakt ausgewählt wurde ist sie auf das Gebäude angepasst und sollte daher nicht mehr verändert werden, solange am Gebäude oder der Heizung keine Veränderung erfolgt. Heiz-Kurven von >2 sind für Gebäude mit schlechter Dämmung, bzw. unsanierten Altbauten. Heiz-Kurven von 0,75 bis 1,75 sind für mittlere, bis gut gedämte Wohnungen mit Heizkörpern und Heiz-Kurven mit <0,5 sind für Fußboden-Heizungen einzustellen.
Zusätzlich ist in modernen Reglern auch eine Heiz-Grenze einstellbar. Die Heiz-Grenze deffiniert, die Aussentemperatur, bei der die Heizung komplett ein- bzw. abgeschaltet wird.

Moderne Heizungsreglungen haben zusätzlich auch eine Raum-Sollwert-Verschiebung. Diese Raumtemperatur-Sollwertverschiebung, erzeugt eine Paralellverschiebung der eingestellten Heizkurve. Da die Heizkurve ja auf das Gebäude ausgelegt ist, sollte diese, wenn sie richtig eingestellt wurde, eigentlich nicht verändert werden, solange die Gebäude- oder Anlageneigenschaften sich nicht ändern. Eine Anpaasung der Heizleistung an temporäre Gegebenheiten oder besondere Umstände, sollte man dann mit der Raum-Sollwert-Verschiebung machen. Das setzt aber voraus, dass im Referenzraum sich ein Raumfühler befindet, oder zuminest eine Einstellmöglichkeit für den Raum-Sollwert. Die Raum-Sollwert-Verschiebung die Benutzerseitige Einstellung auf die Bedürfnisse im Raum. Hier im Beispiel bei einer Heiz-Kurven-Eintellung von "1" nach wärmer oder kälter.

Funktions-Schema klassische Heizung

Wenn man das Anlagenschema und das Regelschema zusammenfasst, erhält man ein Funktions-Schema. Ein einfaches Beispiel eines Funktionsschemas ist die Gebäude-Temperaturreglung mit Heizquelle. Hier ist deutlich die Regelfunktion im Zusammenhang mit den Alagen-Komponenten zu erkennen. Man kann hier auch erkennen, dass mehrere unabhängige Regler im Einsatz sind. Zum einen der Heizungs-Regler (N1a) mit seinen davorgeschalteten Reglerfunktionen, der Vorlauftemperaturregelung (N1b) und der Sollwertverschiebung (N1c). Zum anderen der Trinkwasser-Regler (N2) zür die Trinkwasseraufbereitung und der Kessel-Regler (N3) für die Brenner-Ansteuerung (hier nur Ein und Aus), aber mit einer Schalt-Hysterese.
Funktionsschema klassische HeizungWenn wir zunächt den Heizungs-Regler (N1a) betrachten: hier wird über einen Temperaturfühler (TV) (Sensor) die Vorlauftemperatur für den gesamten Heizkreis (3 Räume) geregelt. Den Sollwert für diesen Regler legt der Vorlauftemperatur-Regler (N1b) fest. Dieser Vorlauf-Temperatur-Regler hat als Vorgabe, die eingestellte Heizkurve, die daraus die Vorlauftemperatur errechnet aus der Aussentemperatur (Witterungs-Fühler) und und der Raum-Sollwert-Verschiebung, die vom Raum-Temperatur-Verschiebungs-Regler (N1c) vorgegeben wird. Die aktuelle Vorlauftemperatur richtet sich also daher nach der Heizkurve, der aktuellen Aussentemperatur und nach der Vorgabe der Raumtemperatur-Verschiebung. Als Hilfsgröße dienen hierbei die fest eingesetellte Heiz-Kurve (H2) und die Zeitschaltung der gesamten Anlage (H1). Die 3 Teil-Regler N1a, N1b und N1c bilden einen komplexen Regler der mehrere Kriterien berücksichtigt: Die Heizkurve, die Aussentemperatur, die Raumtemperatur, die Raumtemperatur-Sollwert-Verschiebung und die Schaltzeiten der Anlage.
Genau genommen sind die Thermostat-Ventile im Raum 2 und 3 noch zusätzliche lokale Regler, die diese Räume lokal nachregeln. Der Raumtemperatur-Fühler (TR)im Raum 1 gilt als Reverenzfühler für den gesamten Heizkreis aus allen Räumen. Daher verwendet man hierfür den Raum, mit dem höchten gewollten Raum-Sollwert in der Anlage. Dort darf dann aber kein Raumthermostat die Temperatur begrenzen, sonnst kann die Sollwertverstellung im Raum 1 den Raum gar nicht auf die gewünschte Temperatur bringen.

Der 2. Regler (N2) ist für die Trinkwasserbereitung zuständig und vollkommen unabhängig vom Raumtemperatur-Regler. Dieser relativ einfache Regler sorgt dafür, dass die Trinkwasser-Temperatur im Trinkwasserspeicher auf dem vorgesehenen Brauchwasser-Sollwert gehalten wird. Dies erfolgt durch Ein- bzw. Aus-Schaltung der Brauchwasser-Lade-Pumpe (P2), über eine Hysterese.

Die Wärmequelle ist in diesem Anlagen-Beispiel ein einfacher Standard Heizkessel. Der Kessel-Temperatur-Regler (N3) sorgt für konstantes Temperaturneveau der Wärmequelle. Der Kesseltemperatur-Sollwert mus hierbei so eingestellt sein, damit sowohl der Heizungsregelkreis, als auch der Trinkwasser Regelkreis ein entsprechendes Temperatur-Niveau zur Verfügung haben.