Alles geregelt: Teil 1: Die Entwicklung der Regelungstechnik in Heizungssystemen von den Anfängen bis zum Digitalzeitalter

Die Entwicklung der Regelungstechnik in Heizungsanlagen ist stark mit der Geschichte der Wärmeerzeuger verbunden. Um diesen Zusammenhang zu erläutern, muss man rund zweihundert Jahre zurückblicken. Zur damaligen Zeit gab es zur Beheizung von Wohnräumen fast ausschließlich Feststofffeuerungen, also Öfen, die mit Holz oder Kohle befeuert wurden. Damit konnten allenfalls einzelne Räume oder kleine zusammenhängende Wohnungen beheizt werden. Die „Regelung“ erfolgte per Hand, indem mehr oder weniger Brennstoff aufgelegt wurde. Zudem konnte die Verbrennungsluftzufuhr beeinflusst werden. Diese manuelle Regelbarkeit war aber sehr ungenau und zog einen nur geringen Wirkungsgrad nach sich. Die Bedienbarkeit war darüber hinaus nicht komfortabel, weil sie mit viel Arbeit und Schmutz verbunden war und gesundheitliche Risiken barg. Aus dieser Konstellation heraus entwickelten sich dann ungefähr in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts die ersten Zentralheizungen. Zwei weitere Aspekte, die diese Entwicklung stark beschleunigten, waren der sparsamere Umgang mit Ressourcen – Stichwort Holzknappheit – und der durch die Industrialisierung hervorgerufene Wohlstand einer breiten Oberschicht, mit entsprechend gestiegenen Komfortansprüchen. Hinzu kam der Wandel der Arbeitswelt, also die zunehmende Trennung von Wohnraum und Arbeitsplatz sowie die Rationalisierung der Arbeitszeit.

„Kneifen“ der Verbrennungsluftzufuhr
Die ersten Zentral- oder auch Sammelheizungen verfügten wie der Name schon sagt über einen zentralen Wärmeerzeuger und eine Wärmeverteilung, die Wasser als Speicher- und Trägermedium nutzte. Ein Unterschied zu heute war jedoch die Verteilung der Wärme. Diese frühen Heizsysteme funktionierten noch nach dem Schwerkraftprinzip, ohne die Vorteile einer modernen Zirkulation mit Umwälzpumpen. Selbstregulierende Elemente wie Thermostatventile gab es damals noch nicht. Dies hatte u.a. den Grund, Widerstände im Wärmeverteilsystem, also den Rohrleitungen, Armaturen und Heizkörpern, gering zu halten. Eine Folge waren – notwendigerweise – sehr hohe Vorlauftemperaturen, um die erforderliche Schwerkraftzirkulation zu erreichen. Lediglich die Kesselwassertemperatur konnte mittels Luftklappen gesteuert werden. Sie wurden über einen Bimetallthermostaten eingestellt, der dann die Luftzufuhr drosselte. Dieses recht einfache Verfahren kann auch heute noch bei Feststoffkesseln zum Einsatz kommen. Technische Vorrichtungen zur Regelung von Heizgeräten waren noch nicht vorhanden.
Richtige Regulierungen kamen erst zur Mitte des 20. Jahrhunderts auf, als Feuerstätten mit Öl oder Gas beheizt wurden. Bei dieser Art der Feuerungstechnik übernahmen Steuerventile das Ein- und Ausschalten des Heizgerätes. Für den nötigen Impuls, wann geheizt oder nicht geheizt werden soll, sorgten dann ab den 1960er-Jahren nicht mehr nur interne Regelungsorgane wie beispielsweise Vorlauftemperaturfühler/-regler, sondern einfache Raumthermostate, die in Abhängigkeit von der Raumtemperatur eines Raumes das Gerät ein- oder ausschalteten. Das waren die Anfänge.

Vor dem digitalen Zeitalter
Bei der Regelung durch Raumtemperaturfühler stellte sich die technische Lösung folgendermaßen dar: Um den Brenner am Heizgerät ein- bzw. auszuschalten, gab der einstellbare Raumtemperaturfühler die gemessene Temperatur im Raum an den Kessel oder das Wandheizgerät weiter. Diese fuhren dann im Heizfall auf Vorlauftemperaturen von ca. 70 bis 90°C hoch. Geheizt wurde solange, bis die eingestellte Raumtemperatur erreicht war. Dann erst schaltete das zentrale Heizgerät wieder ab. Dies spiegelte die ganzjährige Betriebsweise nach dem damaligen Stand der Technik wider. Erst mit den Bedürfnissen einer differenzierten Regelungstechnik wurden Raumthermostate entwickelt, die mit Schaltuhren ausgestattet waren. Hieraus ergab sich die Möglichkeit, am gleichen Tag zwei unterschiedliche Heizkurven zu wählen bzw. nachts abzusenken, um den Energieverbrauch zu reduzieren.
Mindestens eben so wichtig wie die Einführung von Raumthermostaten war deren fachgerechte Installation, um Ener­gieeinsparungen und Komfortgewinn zu erreichen. Wurde z.B. der falsche Führungsraum gewählt, führte dies schnell dazu, dass Teile des Gebäudes mit Wärme unterversorgt waren. Auch Installationsorte, bei denen der Raumthermostat Fremdwärme oder Zugluft ausgesetzt war, führten zu einer uneffizienten Betriebsweise.
Um die Nachtabsenkung zu realisieren, wurde ein Bimetall-Thermostat verwendet. Durch die Erzeugung von Wärme – mittels elektrischer Energie – konnte dem Thermostat eine zu hohe Temperatur vorgetäuscht werden, sodass das Heizgerät früher abschaltete.
Zeitlich nahezu parallel erfolgte die Steuerung einzelner Räume mit Thermostatventilen. Hierbei wurde und wird auch heute zum Teil noch das Ein- und Ausschalten des Heizgerätes über die Vorlauftemperatur als Führungsgröße geregelt, indem sie versucht, sich beständig dem vorgegeben Sollwert anzupassen.

Witterungsgeführte Regelung
Erst in den späten 70er-Jahren kamen witterungsgeführte Regelungen auf den Markt. Dabei wurde der Heizungsanlage in Abhängigkeit von der Außentemperatur eine Vorlauftemperatur zur Verfügung gestellt und auch ausgeregelt, die dann dafür sorgen sollte, dass alle Räume gleichmäßig auf das gewünschte Temperaturniveau beheizt werden.
Der Außenfühler wird in der Regel auf der Nordseite und witterungsgeschützt an der Gebäudeaußenwand installiert, sodass er vor Regen, Schnee, Wind und Sonne geschützt ist, um die Wetterbedingungen richtig zu erfassen. Hingegen führte und führt die Anbringung z.B. neben einem Fortluftauslass, über einem Kellerschacht, auf der Südseite oder unter einem Balkon – Stichwort Stauwärme – oft zu einem nicht optimalen Betrieb.

Niedertemperaturbetrieb
Die nächste Entwicklungsstufe in der Heizungstechnik war die dauerhafte Senkung der Kesseltemperatur. Das Heizen im Niedertemperaturbetrieb war technisch erst in der zweiten Hälfte der 70er-Jahre realisierbar und durch marktreife Gerätetechnik auch für ein breites Anwendungsgebiet einsetzbar. Dafür wurden Wärmeerzeuger entwickelt, die auch mit niedrigen Vorlauftemperaturen sicher funktionierten und nicht durch Kondensation beschädigt wurden. Dies war ein wegweisender Schritt, um den Energieverbrauch beim Heizen von Gebäuden deutlich zu senken. Gleichzeitig eröffnete dies zunächst mit mehrstufigen Brennern die Möglichkeiten, aus denen sich dann die modulierende Betriebsweise er­gab. Erst zu Beginn der 80er-Jahre erfolgte die Anpassung der Vorlauftemperatur an den tatsächlichen Wärmebedarf.

Stetigregler
Hierfür kamen dann sogenannte Stetig­regler zum Einsatz, die aus den bis dahin üblichen Zwei-Punkt-Reglern entwickelt wurden. Bei Stetigreglern wurde die vom Nutzer einmal vorgegebene Temperatur mit der tatsächlichen Raumtemperatur verglichen und ein Vorlauftemperatursollwert an das Heizgerät vom Regler weiter gegeben. Aufgrund dieses Wertes bemaß das Gerät selbsttätig, welche Vorlauftemperatur benötigt wurde, um die gewünschte Zimmertemperatur in einer angemessenen Zeit zu erreichen. War das Ziel erreicht, sank die Vorlauftemperatur, und erst wenn das Ziel überschritten war, schaltete das Gerät ab.
Darüber hinaus gab und gibt es sogenannte Drei-Punkt-Regelungen, die mithilfe eines Mischventils für die erforderliche Heizkreistemperatur sorgen. Dabei wird der Wärmeerzeuger in der Regel mit einer konstanten Vorlauftemperatur gefahren, während der oder die Heizkreise auf eine niedrigere Temperatur von beispielsweise 45°C ausgelegt sind. Um die Temperatur zu senken, wird das kühlere Rücklaufwasser mit dem heißen Kesselwasser über einen Bypass gemischt. Realisiert wird dies über Temperaturfühler und ein Mischventil, das entsprechend angesteuert wird. Nach diesen Grundprinzipien, der automatischen Steuerung des Feuerungsprozesses und der veränderbaren Vorlauftemperatur, funktionieren die meisten Heizungsanlagen auch heute noch.

Fazit
Von der handbetätigten Luftklappe über einfache Raumtemperaturregelungen bis zu außenlufttemperaturgesteuerten Stetig­reglern, die auf modulierende Heizgeräte zugreifen, war die Regelung von Heizungsanlagen in der Vergangenheit immer noch ein recht überschaubarer Prozess. Bei Neuanlagen und im Rahmen weiterer Anstrengungen den Energieverbrauch zu senken, entstehen deutlich höhere Ansprüche an die Regelungstechnik. Dazu kommen heute oft mehrere Wärmeerzeuger von unterschiedlicher Regelbarkeit, aufgrund verschiedener Wärmquellen, zum Einsatz.

Ausblick
Über die aktuellen Regelstrategien sowie die Einführung und Vorzüge des Einsatzes von Digitaltechnik in Heizungssys­temen, lesen Sie im zweiten Teil dieses Berichts in einer nachfolgenden Ausgabe der IKZ-HAUSTECHNIK.

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