Multivalenter Regler für energieeffiziente Anwendungen

Herkömmliche Regelungen starten den Wärmeerzeuger dann, wenn ein Verbraucher Wärme anfordert. Das bedeutet, dass jeder Wärmeverbraucher – sei es ein Heizkreis oder die Warmwasserbereitung – genau dann eine Anforderung in Höhe seines Sollwertes an den Wärmeerzeuger sendet, wenn er in seiner Nutzungszeit Wärme benötigt. Ohne Anforderung bleibt der Kessel in Bereitschaft. Dieses bereits bewährte Prinzip reicht heutzutage nicht mehr aus, da immer häufiger die zusätzliche Einbindung Erneuerbarer Energien mithilfe eines zusätzlichen Speicherbehälters gefordert wird. Die partielle Verfügbarkeit der Sonnenenergie, vorgegebene Mindestlaufzeiten sowie bestimmte Betriebsvoraussetzungen von z. B. Wärmepumpen, Feststoffkesseln und anderen Wärmeerzeugern aus dem Bereich der Erneuerbaren Energien erfordern eine geschickte Einbindung sowie auch eine umfangreichere Abstimmung der einzelnen Komponenten innerhalb eines Heizungssystems. Die energetische Sanierung von Bestandsgebäuden stellt den Bauherren vor die größten Herausforderungen. Alte Ölkessel und Öltanks müssen abgebaut, neue Speichertanks in verwinkelten Kellergewölben untergebracht, neue Leitungen verlegt werden. Hinzu kommt, dass die nachträgliche Erweiterung einer bestehenden Heizungsanlage auch zusätzliche Regelfunktionen erfordert, die mit dem bereits vorhandenen Heizungsregler nicht abgedeckt werden können.

Speziell für eine nachträgliche energetische Sanierung von Gebäuden hat Honeywell den Smile-SDC entwickelt. Dieser digitale Regler verfügt über eine Vielzahl an Funktionen zur effizienten Regelung von einzelnen Kesseln, Kesselfolgen sowie auch unterschiedlicher Fernheizapplikationen. Eine Integration alternativer umweltfreundlicher Wärmeerzeuger wird mithilfe eines intelligenten Pufferspeichermanagements realisiert. Hierbei werden die verschiedenen Wärmeerzeuger so gruppiert, dass die konventionellen Wärmeerzeuger nur zur Abdeckung der Spitzenlasten herangezogen werden. Während z. B. die Solaranlage den Pufferspeicher aufheizt, wird der Öl-/Gaskessel vom Regler gesperrt und erst freigegeben, wenn zusätzliche Wärmeenergie erforderlich ist. Ferner sorgt die Regelstrategie dafür, dass die Wärmeerzeuger über z. B. eine Schichtspeicherladung möglichst lange Laufzeiten erzielen und somit für eine geringe Anzahl von Ein- und Ausschaltvorgängen sorgen.

Bild 1: Der Smile-SDC-Regler von Honeywell.

Heizkreisregelung
Aus Kostengründen werden mittlerweile in den meisten Gebäuden Heizungsregelungen eingesetzt, welche die Vorlauftemperatur nach der entsprechenden Außentemperatur ermitteln (witterungsgeführt). Ein weiteres großes, aber häufig noch ungenutztes Potenzial jedoch liegt in der besseren Berücksichtigung der Belegungszeiten der Gebäude. In öffentlichen Gebäuden wie z. B. Schulen und Ämtern wird die maximale Belegungszeit oftmals so eingestellt, dass die Räume bereits einige Stunden vor und nach der Belegung warm sind. Eine optimierte Einschaltzeit kann hier den Energieverbrauch merklich senken. Die Optimierungsfunktion im Smile-SDC-Regler berechnet beispielsweise bei einem vorhandenen Raumfühler den optimalen Einschaltpunkt in Abhängigkeit der Außentemperatur so, dass zu Beginn der Nutzungszeit der Raumsollwert erreicht wird. Hierbei wird die Heizkurve automatisch an die Gegebenheiten des Gebäudes angepasst (automatische Heizkurvenadaption). Die Sparfunktion des Reglers ermöglicht dem Nutzer, beim Verlassen des Hauses die Raumtemperatur für einen bestimmten Zeitraum mit einem Handgriff herunterzufahren und bei der Wiederkehr die ursprünglich eingestellte Wunschtemperatur einzuregeln. Zusätzlich bietet der Regler die Möglichkeit, bis zu 15 individuelle Zeitprogramme über das gesamte Jahr verteilt einzustellen, um die Heizungsanlage an fest definierten Ferien- und Feiertagen im reduzierten Modus betreiben zu können. In vielen Multivalentanlagen werden nach wie vor einzelne Regler gemeinsam eingesetzt, deren Außentemperaturwerte aufgrund einer unterschiedlichen Fühlerbauart und -platzierung voneinander abweichen können. Ferner können die jeweiligen Zeitprogramme auf Dauer voneinander abweichen und zu Unstimmigkeiten innerhalb des gesamten multivalenten Regelkonzepts führen. Der Einsatz eines übergeordneten Reglers garantiert ein optimales Zusammenspiel der einzelnen Regelfunktionen (Koordination der Zeitprogramme und der Messwerterfassung) und verhindert so, dass diese im schlimmsten Fall gegeneinander arbeiten.

_{*) Mit der Bezeichnung „multivalente Anlagen“ werden Heizungsanlagen bezeichnet, in denen die benötigte Wärmeenergie aus verschiedenen Wärmequellen er­bracht wird. Z. B. eine Heizungsanlage, die zusätzlich zu einem Öl- oder Gaskessel auch eine Solaranlage oder eine Wärmepumpe für die Wärmegewinnung zur Verfügung hat.}

oben: Laderegelung für Heizkreis und Warmwasser

unten: Laderegelung für Heizkreisanforderungen

oben: Entladeregelung auf Heiz- und Warmwasserkreis

unten: Entladeregelung auf Heizkreis

Laderegelung mit Warmwasserumlenkventil

Bild 2: Unterschiedliche Arten der Speichereinbindung im Smile-SDC.

Flexibilität mit System
Eine anwenderfreundliche Montage, leichte Inbetriebnahme und Bedienung sowie flexible Einsatzmöglichkeiten der einzubauenden Systemkomponenten sind immer dann gefordert, wenn es darum geht, ältere Bestandsgebäude mit geringem Aufwand energetisch zu sanieren. Vorhandene Anlagenteile müssen hierbei wieder verwendet und bestmöglich mit den neu einzubauenden Komponenten zusammengebracht werden. Die größten technischen Herausforderungen liegen in der Auswahl der geeigneten Komponenten durch den Fachplaner sowie in deren rascher Inbetriebnahme durch den Heizungsbauer.
Ein digitaler SDC-Regler bietet dem Fachplaner viele Optionen. Er lässt sich sowohl als Einzelregler für kleine Anlagen als auch im Verbund für größere Anlagen einsetzen. Zur Auswahl der richtigen Reglertypen sind Anlagenschemen mit Geräteaufwand für die komplette Regeleinrichtung überschaubar und in mehreren Sprachen als Beispielsammlung dokumentiert.

Flexibel zeigt sich das System durch seine beiden zusätzlichen Ausgangsrelais und Fühlereingänge, deren Funktionen variabel auswählbar sind. Beispiele dafür sind:
– Solarladepumpe (SOP) und Kollektorfühler (KVLF und KSPF) zur Integration einer Solaranlage (siehe Bild 2);
– Bypasspumpe (MK2) und Rücklauffühler (RLF2) ermöglichen eine Kesselrücklaufanhebung (siehe Bild 2);
– Zubringerpumpen mit nachgeschalteten Fühlern vermeiden Trägheit bei langen Verteilernetzen;
– Aufschaltung von Störmeldungen über einen variablen Ausgang;
– Zirkulationspumpe und Schichtspeicherladepumpe sind weitere Alternativen.

Kombination von Wärmepumpen und Öl-/Gaskessel
Eine weitere wichtige Überlegung bei der nachträglichen energetischen Sanierung des Heizsystems einer bestehenden Anlage ist die Einbindung der Pufferspeicher in das Heizungssystem. Um eine optimale Pufferlade- und -entladestrategie anwenden zu können, muss der Regler den Puffer je nach Einbindung unterschiedlich ansprechen. In Bild 2 sind unterschiedliche Puffereinbindungen dargestellt, die im Smile-SDC Regler eingestellt werden können. Weitere nennenswerte Funktionen des ausgefeilten Puffermanagements sind z. B. der Pufferentladeschutz oder die Pufferabschöpffunktion, die den optimalen  Einsatz von Pufferspeichern in Multivalentanlagen gewährleisten.

Multivalente Anlagen
Das in Bild 3 gezeigte Schaubild soll beispielhaft darstellen, wie ein multivalentes Heizungssystem aufgebaut und mit einem kompakten Regler optimal geregelt werden kann. In dem Beispiel handelt es sich um eine witterungsgeführte Vorlauftemperatur-Regelung für einen Niedertemperatur-Heizkreis. Für die Wärmeerzeugung wird eine integrierte Differenztemperatur-Regelung zur Ansteuerung einer Solarregelung in den Sommermonaten verwendet. Zudem kann zusätzlich ein Feststoffkessel mit stetiger Rücklauftemperatur-Regelung für einen optimalen Kesselschutz eingebunden werden. Sollten weder die Solaranlage noch der Feststoffkessel in der Lage sein, den Wärmebedarf seitens des Heizkreises oder des Warmwasserspeichers zu bedienen, so kann der Gaskessel zusätzlich benötigte Wärme liefern. Der Feststoffkessel wird abhängig von seiner Kesseltemperatur mit einer stetigen Rücklauftemperaturregelung vor Korrosion bzw. „Glanzrußbildung“ geschützt. Der Fühler VFLS arbeitet als gemeinsamer Systemfühler für Öl-/Gaskessel, Pufferspeicher und Feststoffkessel.
Für die Regelung des solaren Anteils der in Bild 3 gezeigten Anlage werden die Temperaturen am Kollektor (KVLF) und im Warmwasser-Speicher (KSPF) ver­glichen. Das Regelgerät schaltet die Solarpumpe ein, wenn der Kollektorfühler eine höhere Temperatur erfasst und beginnt, den Warmwasser-Speicher zu laden. Sobald dieser gefüllt ist, schaltet der Regler auf das Umschaltventil, um die Wärme in den Pufferspeicher zu führen. In einstellbaren Zeitabschnitten wird die Temperatur im Warmwasser-Speicher gemessen, um die solare Wärme bei Bedarf wieder dorthin zu leiten. Während der solaren Ladung der Speicher kann die Anforderung an den Gaskessel unterdrückt werden und verhindert somit, dass die teurere Energiequelle zum Einsatz kommt, obwohl genügend solare Energie in Aussicht ist.

Bild 3: Solarkreis und Feststoffkesselintegration durch variabel nutzbare Ausgangsrelais und variable Fühlereingänge.

Kombination von Wärmepumpen und Öl-/Gaskessel
Laut einer Hersteller-Umfrage bei Installateuren wird im Bereich der Erneuerbaren Energien heutzutage häufig die Kombination von Wärmepumpen und Öl-/Gaskesseln bevorzugt. Insbesondere bei Niedrigenergiehäusern erlaubt dieses Zusammenspiel einen hohen Nutzungsgrad der Wärmepumpe bei gleichzeitiger Absicherung durch einen Gas- oder Ölkessel, der nur einspringt, wenn die Wärmepumpe die geforderte Leistung nicht mehr erbringen kann. Dies ist insbesondere bei Luft-Wasser-Wärmepumpen der Fall, wenn die Außentemperatur zu niedrig ist (z. B. 5° C) und die von den Heizkreisen geforderte Wärmemenge nicht mehr erzeugt werden kann. In diesem Fall muss die Regelung die Wärmepumpe abschalten und den Kesselbetrieb anstoßen. Herkömmliche Regelungen müssen hierfür mit Außenthermostaten und zusätzlichen Relaisschaltungen erweitert werden. Der SDC-Regler bietet hierfür eine auf diese Situation abgestimmte Funktion, die eine Umschaltung zwischen Wärmepumpenbetrieb und Kesselbetrieb nach einer einzustellenden Außentemperatur erlaubt. Ein in das Wärmemanagement optimal eingebettetes Zusammenspiel von fossilen und Erneuerbaren Energieträgern kann somit ohne zusätzlichen Aufwand erreicht werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt in Bezug auf den Einsatz von Wärmepumpen ist, dass diese mittlerweile nicht nur zum Heizen sondern auch zum Kühlen eines Gebäudes verwendet werden. Hierbei ist natürlich zu beachten, dass es in den gekühlten Räumen während der heißen Sommermonate nicht zu Kondensatbildung kommt. Ein Heizungsregler bietet hier die Möglichkeit, einen Heizkreis im System von Heizen auf Kühlen umzustellen, sodass eine konstante Vorlauftemperatur für z.B. die Fußbodenheizung von beispielsweise 18° C eingeregelt werden kann. Über einen externen Kontakt ist selbst eine Taupunktabschaltung möglich.

Kombination von Solaranlagen und Öl-/Gaskessel
Die digitalen Smile-Regler der neueren Generation verfügen über eine OpenTherm-Schnittstelle, die es ihnen ermöglicht, problemlos Daten mit entsprechend zertifizierten Geräten anderer Hersteller auszutauschen. So können Regelgeräte mithilfe dieser Schnittstelle alle OpenTherm-zertifizierten Heizkessel (hauptsächlich Brennwertgeräte) regeln und somit noch vielseitiger einsetzen.

Autor: Jens Bredemeier, Marketingleiter bei Honeywell

Bilder: Honeywell