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Adaptierte Funktionalität

Die Schalthysterese an die Gebäudedynamik anpassen – ein Lösungsansatz für die energieoptimierte Regelung (nicht nur) von Ölheizungsanlagen

Aufheiz-/Auskühlungskennlinien sowie Schalthysteresen des Heizkreiswassers. Bild: Peter P. Elsen

Testobjekt: An dieser Elektrowärmepumpe – Heiznennleistung 8,5 kW, Baujahr 1998 – erreichte der Logikbaustein eine deutliche Reduzierung des Stromverbrauchs. Der neue Ansatz sieht eine energieoptimierte Regelung für Ölheizungsanlagen vor. Bilder: Peter P. Elsen

Peter P. Elsen, Elektroingenieur aus Trier. Bild: Peter P. Elsen

 

In der Januar-Ausgabe der IKZ hat Peter P. Elsen eine Gestensteuerung vorgestellt, die er entwickelt und als Pilotprojekt erfolgreich getestet hat. Mit ihr lassen sich durch verschiedene Positionen der Finger unterschiedliche Funktionen wie „Wasser zapfen“ oder „Licht regeln“ berührungslos realisieren. Der Elektroingenieur aus Trier stellt in dieser Ausgabe einen Lösungsansatz für die energieoptimierte Regelung (nicht nur) von Ölheizungsanlagen vor.

Anlaufphasen und kurze Laufzeiten eines Ölbrenners mit vielen Schaltzyklen erhöhen Brennstoffbedarf, Schadstoffausstoß und Verschleiß. Für einen energieeffizienten Betrieb sind deshalb die Lauf-/Pausenzeiten des Brenners zu optimieren. Der nachfolgend näher beschriebene Lösungsansatz ist, die vorhandene (in der Regel starre) Schalthysterese einer Zweipunkt-Regelung an die thermische Gebäudedynamik zu koppeln. Hierzu wird ein nachrüstbarer, smart programmierter Logikbaustein eingesetzt, der auch die Heizkreispumpe bedarfsorientiert steuert.

Ausgangssituation
Die Heizlast eines Gebäudes wird u.a. über die Norm-Außentemperatur ermittelt. Dieser kälteste Zeitraum umfasst aber nur etwa 15 % einer Heizperiode. Bei einer Außentemperatur von + 4 C° (Ø der Heizperiode), sinkt der Wärmebedarf bereits um die Hälfte. Ein konventioneller, nichtmodulierender Brenner liefert jedoch stets die volle Heiznennleistung. Zur Vermeidung von Überschussenergie wird der Brenner bedarfsorientiert ein-/ausgeschaltet (getaktet). Ein zentral angeordneter Wärmesensor liefert verbrauchsrelevante Signale an eine Zweipunkt-Regelung mit „starr“, einstellbarer Schalthys­terese. Systembedingt dominieren kurze bis mittlere Brennerlaufzeiten den Betriebsmodus.
Die Folgen des Taktens: Während der ersten sechs Minuten liegt der durchschnittliche Wirkungsgrad bei etwa 35 %. Er steigt mit zunehmender Laufzeit auf Werte > 76 %.

Aktuelle Situation: Überhöhte Taktung (Hypertaktung) des Brenners
Die starre Schalthysterese einer Zweipunkt-Regelung lässt den Einfluss der thermischen Gebäudedynamik mit unterschiedlichen Aufheiz-/Auskühlungszeiten unberücksichtigt und führt, besonders bei Teillast (Übergangszeit), zu einer überhöhten Anzahl an Schaltzyklen. Ein überdimensionierter Kessel, Fremdenergie (Sonneneinstrahlung durch Fenster) oder nachträgliche Wärmedämmungen verstärken diesen Effekt zusätzlich. Bedingt durch die notwendigen „Luftspülungen“ des Brennerraumes beim Anfahren entstehen aufs Jahr gerechnet erhebliche Wärmeverluste. Mithilfe einer größeren Spreizung der Schalthysterese lassen sich die Laufpausen und Laufzeiten verlängern und Schaltzyklen reduzieren. Ein Problem aber bleibt: Eine bei milden Außentemperaturen günstige, „größere Spreizung“ der Schalthysterese führt bei frostigen Außentemperaturen zu inakzeptablen Temperaturschwankungen in beheizten Räumen.

Problemlösung
Der Lösungsansatz besteht darin, die starre Basis-Schalthysterese am Regelgerät um eine dynamische (zeitliche) Komponente zu erweitern. Dabei wird mit zunehmender Auskühlungsdauer des Heizkreiswassers (abhängig von der Außentemperatur) die Laufpause des Brenners selektiv verlängert (dynamische, Schalthysterese) bzw. der Folgestart verzögert. Der synchrone Betrieb von Heizquelle und Heizkreispumpe („Pulsierende Wärmeabfuhr“) erhöht die zu erwärmende Wassermasse und vermindert das Taktverhalten zusätzlich. Der Grenzwert einer Laufpause ist überschritten, wenn Schwankungen der Raumtemperatur die Behaglichkeit der Bewohner beeinträchtigen.

Aktuelle Situation: Energieaufwendiger Leerlauf der Heizkreispumpe
Bereits bei einer Außentemperatur von etwa + 4 °C sinkt der Bedarf an Heizenergie und damit die Laufzeiten von Brenner und Heizkreispumpe signifikant. Während der „Nachtabsenkung“ sinken die Werte noch weiter. Häufig wird die Heizkreispumpe jedoch – zur Bestimmung der Heizkreistemperatur – unnötig im Dauerlauf betrieben. Dabei verursacht der Rücktransport der Wärmeenergie vom Heizflächen-/Rohrsystem zum Heizkessel vermeidbare Auskühlungsverluste („Kamineffekt“) und Stromkosten.

Problemlösung
Nach jedem Brennerstopp wird – nach Ausleitung der Restwärme aus dem Kessel in der Nachlaufzeit – die Heizkreispumpe abgeschaltet. Eine zeitnahe Ermittlung (Abfrage) der aktuellen Heizkreistemperatur erfolgt durch einen „Erstlaufpuls“ an die Heizkreispumpe. Als Basiszeit dient die vorangegangene Auskühlungsdauer des Heizkreiswassers (Laufpausendauer des Brenners). Sie wird in jeder Taktperiode ermittelt, in vier Zeitbereiche unterteilt und gespeichert. Dabei beträgt die Basis-Spreizung der Schalthys­terese am Regelgerät max. 2 K. Eine Zwischenstufe, von der Anzahl an Laufpulsen geschaltet, aktualisiert und speichert die Laufpausendauer. Liegt nach sechs Laufpulsen (je 1 Minute Dauer bei 5 Minuten Pause) kein Wärmebedarf vor, wird die Heizkreispumpe in den Standby-Modus überführt.
Nebeneffekt: Bei „stehendem“ Heizwasser wird die Wärmeenergie der Heizflächen an die Räume verlangsamt freigesetzt (stationärer Zustand → höherer Wärmeübergangswiderstand (αi) von Heizwasser → Heizflächen). Die Raumtemperaturen werden stabilisiert und das Taktverhalten weiter vermindert.

Programmierter Logikbaustein
Für die Realisierung dieser gebäudeangepassten Schalthysterese wurde eine Schaltlogik entwickelt und in einen Logik-Baustein übertragen. Die vier Laufpausenbereiche des Brenners (Auskühldauer Heizkreiswasser) werden per LED visualisiert. Die Funktionen der Schaltlogik sind von der Heiznennleistung des Kessels entkoppelt und lassen sich nachträglich in die Regelung integrieren. Prinzipiell lassen sich alle mit einer Zweipunkt-Regelung ausgerüsteten Heizungsanlagen, also auch Gasheizungen oder Wärmepumpen, mit dem programmierten Logikbaustein optimieren. Prognostiziert wird eine Reduzierung an Schaltzyklen um etwa 30 %, des Ölverbrauchs um 25 % und des Stromverbrauchs für die Heizkreispumpe – ohne Berücksichtigung der Nachtabsenkung – um 50 %.

Autor: Peter P. Elsen, Elektroingenieur

Erklärung:

Blaue Linie Temperatur Heizkreiswasser

Rote Linie   Betrieb Heizkreispumpe HKP

T   FIXE Einschalttemperatur Brenner
TED    DYNAMISCHE Einschalttemperatur Brenner
TA     Ausschalttemperatur Brenner

  • Mit wachsender Auskühlzeit (Außentemperatur) des Heizkreiswasser steigt die Startverzögerung des Brenners.
  • Es stehen vier Verzögerungszeiten zur Verfügung. Dargestellt sind die Modi (Mild & Kalt).
  • Die Laufpulse an die Heizkreispumpe, dienen zur „Abfrage“ der Heizkreis-Temperatur.

 

 

Nachgefragt
IKZ-HAUSTECHNIK: Haben Sie die von Ihnen beschriebene Logik bereits getestet, gibt es einen Prototypen?
Peter P. Elsen: Die an einen Logikbaustein übertragene Schaltlogik arbeitet in meiner Elektrowärmepumpe – Heiznennleistung 8,5 kW, Baujahr 1998 – sehr erfolgreich als Unikat. Die deutliche Reduzierung des Stromverbrauchs wurde vom Versorger hinterfragt.

IKZ-HAUSTECHNIK: Der Teufel steckt meist im Detail. Was macht Sie so sicher, dass das Modul in jeder Anlage – Öl, Gas, Wärmepumpe – funktioniert? Praktische Erfahrungen gibt es ja bis auf Ihre Wärmepumpenanlage nicht, nur theoretische Überlegungen. Ließe sich die Logik im Betrieb überhaupt nachbessern oder anpassen?
Peter P. Elsen: Meine theoretischen Überlegungen werden u. a. von der dena gestützt. Eine relative Sicherheit resultiert auch aus der Computer-Simulation. Die am PC entwickelte Schaltlogik lässt sich jederzeit verändern und anpassen. Ich räume ein, mit Anpassungen/Nachbesserungen muss gerechnet werden. Auch eine Weiterentwicklung ist denkbar.

IKZ-HAUSTECHNIK: Wie und an welcher Stelle würde der Logikbaustein in das System implementiert?
Peter P. Elsen: Die Schaltlogik wird in Form eines fertigen Moduls auf der DIN-Hutschiene der Kesselsteuerung montiert und verdrahtet. Als Funktions-Eingang dient der Befehl vom Kessel-Regelgerät – Zweipunkt-Regelung – Brenner EIN/AUS. Die beiden Funktions-Ausgänge dienen zum Anschluss der Heizkreispumpe und der selektiven Freigabe des Brennerstarts.

IKZ-HAUSTECHNIK:
Für alle die, die Interesse an dem Optimierungs-Baustein haben: Wo gibt es detaillierte Infos, um das Projekt in die Praxis umzusetzen?
Peter P. Elsen: Interessierte können sich gerne per E-Mail unter peter-elsen@web.de melden. Eine Computer-Simulation der Schaltlogik steht in meinem Büro zur Verfügung.

 

 

 

 


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