Alles geregelt: Teil 2: Die Entwicklung der Regelungstechnik in Heizungssystemen von den Anfängen bis zum Digitalzeitalter
Im ersten Teil berichteten wir (IKZ-HAUSTECHNIK 3/2012), wie Heizsysteme in Gebäuden in der Vergangenheit geregelt wurden. Von der handbetätigten Luftklappe über einfache Raumtemperaturregelungen bis hin zu außenlufttemperaturgesteuerten Stetigreglern war die Regelung von Heizungsanlagen noch ein recht überschaubarer Prozess. Im Rahmen weiterer Anstrengungen den Energieverbrauch zu senken, die Betriebssicherheit und den Bedienkomfort zu erhöhen, entstanden in den letzten Jahrzehnten höhere Ansprüche an die Regelungstechnik. Welche Entwicklungsschritte dabei umgesetzt bzw. Techniken zum Einsatz gekommen sind, zeigt der zweite und abschließende Teil der Artikelserie auf.
Was schon heute möglich ist, kann morgen zum Standard werden – die einfache und bequeme Bedienung der Heizungsanlage via Internet.
Heizungsanlagen mit mehreren Wärmeerzeugern und einem Pufferspeicher sind heute eine Selbstverständlichkeit.
Erst ausreichend leistungsfähige Mikroprozessoren ermöglichten die Steuerung komplexer Anlagen über einen Regler.
Wenig Knöpfe, viele Funktionen. Über einen Drehknopf können z. B. bei dem aktuellen „calorMATIC“- Raumtemperaturregler Menüpunkte ausgewählt werden. Je nach Menüpunkt lassen sich die Softkeys „kontextsensitiv“ auch mit entsprechenden Funktionen belegen.
Die übersichtliche und leicht verständliche Steckertechnik erleichterte die Montage und Inbetriebnahme.
Eine wesentliche Neuerung in der Regeltechnik, die aber noch nicht unbedingt eine Veränderung der Regelstrategie nach sich zog, war die Einführung von elektronischen Reglern. Mittlerweile ist es so, dass im Rahmen einer teilweisen Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen oft mehrere Wärmequellen zusammen genutzt werden. Dabei erfordert der Einsatz unterschiedlicher Wärmeerzeuger (z. B. einer Wärmepumpe oder einer Solaranlage in Verbindung mit einem Brennwertkessel) auch ein komplexeres Regelmanagement. Dies u. a., weil die gewonnene Wärmeenergie nicht rund um die Uhr zur Verfügung gestellt werden kann. Der Regelung obliegt zum einen die Aufgabe, die unterschiedlichen Wärmequellen zu koordinieren, um damit z. B. den Pufferspeicher aufzuheizen. Zum anderen muss sie dafür sorgen, dass die entnommene Wärme bedarfsabhängig in den einzelnen Heizkreisen vorliegt. Eine einfache Steuerung würde den Speicher lediglich undifferenziert bis zur Maximalgrenze aufheizen. Hingegen wird bei einer guten Regelstrategie insbesondere die wirtschaftlichste und umweltfreundlichste Quelle bevorzugt. Häufig kommt zur Heizfunktion auch noch die Warmwasserbereitung hinzu. Diese erfordert eine weitere Differenzierung, um beispielsweise ein schnelles Aufheizen für die thermische Desinfektion zu gewährleisten.
Intuitive Bedienkonzepte
Durch die erweiterten Anforderungen moderner Regelungstechnik wurde auch die Programmierung deutlich komplexer. Während man bei alten Schaltuhren einfach die Reiter weiter steckte, mussten bei elektronischen Reglern reale Schaltzeiten einprogrammiert werden. Mit jeder Modellerweiterung erhöhte sich die Zahl der Programmiermöglichkeiten. Konnten früher nur zwei Heizzeiten eingestellt werden, so wuchs diese Zahl immer weiter an. Ebenso kamen neue Anwendungsmöglichkeiten hinzu: So konnte nun beispielsweise gezielt eingestellt werden, welche Temperaturen während einer Absenkheizzeit herrschen sollten.
Auf einer Zeitleiste gesehen bewegen wir uns hierbei von Mitte bis Ende der 1980er-Jahre. In einer Zeit, in der viele Knöpfe mit zahlreichen Funktionen belegt und aus technischer Sicht üblich waren. Dies lag mitunter daran, dass es noch keine leistungsfähigen Prozessoren gab, die in der Lage gewesen wären, alle Funktionalitäten auf einer Bedienoberfläche zu hinterlegen.
Um die Bedienung eines Heizkessels zu vereinfachen, entwickelte in dieser Zeit z. B. der Heiztechnikhersteller Vaillant ein Bedienkonzept, das als Dreh- und Klick-Technik Eingang in die Technikgeschichte gefunden hat. Hierbei konnten durch Drehen eines Knopfes in einem Menü Punkte ausgewählt und durch Drücken eines anderen Knopfes ausgeführt werden. Die älteren Displays dieser Regler kannten schon Klarschrift, die unterhalb einer Symbolik auf einem Display hinterlegt war. So war trotz größerer Funktionalität der Regler eine vereinfachte Bedienung durch das intuitive Konzept möglich.
Digitaltechnik und eBUSsystem
Die Einführung der Digitaltechnik änderte daran zunächst kaum etwas. Es wurden nach wie vor Schaltuhren, nun auf digitaler Basis, angezeigt. Darüber hinaus gab es wie bisher Einsteller für die Temperatur und den Betriebsartenschalter. Da sich der Regler, aufgrund der zunehmenden Funktionalität und einer modularen Erweiterbarkeit, dynamisch an die Anlage anpassen sollte, wurde eine Anzahl von Grundprogrammen fest verdrahtet. Der Nachteil dabei war, dass diese nicht modular erweitert werden konnten.
Bisher standen Klemmen oder Schnittstellen nur unidirektional zur Verfügung. Das hieß, ein Regler konnte dem Heizgerät nur einseitige Befehle erteilen. Um die Jahrtausendwende wurde dieser Eingang dann digitalisiert. Steuerungen bzw. Regelungen arbeiteten seitdem bidirektional. Dabei bekam das Heizgerät nach wie vor Befehle vom Regler, nur dass die Datenübertragung hierbei digital erfolgte und das Gerät über die gleiche Leitung Rückmeldung geben konnte. Das Problem dabei: Ein Regler konnte genau ein Heizgerät ansteuern. Die Schnittstelle war somit eingeschränkt.
Einen großen Entwicklungsschritt stellte deshalb die Einführung bzw. Umstellung der Datenübertragung der einzelnen Komponenten der Regeltechnik auf ein neues Schnittstellenprotokoll, den eBUS dar. Er kombiniert zahlreiche Vorteile und ist weitgehend störungssicher. So arbeitet der eBUS beispielsweise mit nur zwei Leitungen, sodass die Anlage selbst bei vertauschter Installation (Verpolung) dennoch ihren Dienst versehen kann. Zudem ermöglicht der eBUS den Aufbau von komplexeren Regel- und Heizsystemen bzw. die Einbindung einer Heizungsanlage in die Gebäudeleittechnik, in der die Heizungsregelung nur eine Komponente darstellt.
Vernetzung und Onlinebedienung
Die Entwicklung wird dahin gehen, die unterschiedlichen Systeme eines Gebäudes miteinander zu vernetzen, um so den Energieverbrauch zu optimieren. Dies gilt für alle Bereiche der technischen Gebäudeausrüstung sowie für alle Komponenten eines einzelnen Systems und orientiert sich zunehmend an den Wünschen und Bedürfnissen des Nutzers sowie der entsprechenden technischen Gebäudeausstattung. So ist es z. B. heute schon möglich, mit elektronischen Thermostatventilen unterschiedliche Sollwerte für die Raumtemperatur einzustellen. Diese Einzelraumregelungen werden dann zentral je Wohneinheit gesteuert und deren Daten zusätzlich auf die Regelung der Heizungsanlage aufgeschaltet.
Ein noch höherer Bedienkomfort und eine Steigerung der Betriebssicherheit ergeben sich aus der Steuerung über das Internet oder via Smartphone. Dadurch können Nutzer ein Gebäude auch bei Abwesenheit energieeffizient steuern, ohne dafür eine Vielzahl von Reglern bedienen oder vor Ort sein zu müssen. Es können aktuelle Betriebszustände per Fernzugriff abgefragt und bei Bedarf optimiert werden. Dies ist mittlerweile schon zum Standard für große Gebäudekomplexe wie Einkaufszentren oder öffentliche Gebäude geworden, ebenso wie für Hotels oder zentral versorgte Objekte der Wohnungswirtschaft und wird auch zunehmend im Privatbereich (1- und 2-Familienhaus) sowie bei Etagenheizungen eingesetzt. Ein weiter wichtiger Punkt wird in Zukunft das visuelle Energiemonitoring sein. Dabei werden alle Anlagenkomponenten nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten untersucht und auf eine optimale (günstigste) Betriebsweise zusammengeführt.
Bilder: Vaillant Deutschland GmbH & Co. KG, Remscheid
www.vaillant.de
