Optimierte Systeme durch Systemregelung

Der Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie- und Umwelttechnik e.V. (BDH) weist auf die Bedeutung der Systemtechnik hin und setzt „auf hocheffiziente Systeme, die veraltete Technologien im Gebäudebestand ersetzen sollen. Energieeinsparungs- und Minderungspotentiale von mehr als 30 % sind hierdurch erschließbar. Diese Systeme sollen – und dies ist auch Wunsch der Politik – mit Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien in Gebäuden kombiniert werden. Auf diese Weise lassen sich die fossilen Brennstoffe Öl und Gas zunehmend ergänzen.“

Seit die Preise für Öl und Gas steigen, gehören Systeme zur Nutzung regenerativer Energien immer selbstverständlicher zu einem modernen Heizsystem dazu. Unter den Aspekten „Effizienzsteigerung“ und „Umweltschonung“ gewinnen Kombinationen verschiedener Techniken erheblich an Bedeutung, zum Beispiel die Ergänzung einer Wärmepumpe mit einem Gas-Brennwertkessel für den Spitzenlastbedarf oder das Zusammenspiel einer Solaranlage mit einem Gas- oder Öl-Heizkessel, einer Wärmepumpe oder einem Pelletskessel.

Regenerative Energien haben aber auch ihre Besonderheiten: Die Sonne scheint nur tagsüber. Holz liefert nur während der Verbrennung Wärme. Wärmepumpen benötigen lange Laufzeiten, um entsprechend lang wieder im Ruhezustand zu bleiben. Damit die aus diesen regenerativen Wärmequellen gewonnene Energie bei Bedarf verfügbar ist oder auch eine effektive Kombination ermöglicht wird, ist eine Zwischen­speicherung von großem Nutzen. Ähnliches gilt für Blockheizkraftwerke und Pelletskessel. Das Regelsystem koordiniert den Betrieb der Wärmeerzeuger und Pufferspeicher untereinander und stellt die erzeugte Wärme bedarfsgerecht zur Verfügung. Die aus regenerativen Energieträgern bereitgestellte Wärme hat dabei immer Vorrang gegenüber der aus fossilen Energieträgern erzeugten Wärme.

Kombinierte Wärmeerzeuger

Die Kombination verschiedener Energieträger eröffnet viele mögliche Heizsystem-Varianten. Dementsprechend variabel sind die heutigen, modular aufgebauten Regelsysteme (Bild 1). Selbst wenn sich die Anlagenkonfiguration einmal verändert, ist ein Um- und Nachrüsten mit entsprechenden Steckmodulen von großem Nutzen, auch weil dies die Arbeit erleichtert. Das Angebot reicht von Strategiemodulen zur Steuerung von Kesselkaskaden über Module zur Regelung einer Solaranlage bis hin zu Modulen zur Einbindung von Pufferspeichern und regenerativen Wärmeerzeugern. So lassen sich beispielsweise mit zwei Buderus-Modulen FM 458 (Bild 2) in einer Mehrkesselanlage bis zu acht bodenstehende und wandhängende Buderus-Kessel mit einstufigen, zweistufigen oder modulierenden Brennern in beliebiger Kombination betreiben (Bild 3). Das Regelgerät erkennt das neu ergänzte Funktionsmodul und zeigt sofort alle einstellbaren Parameter in der Bedieneinheit an. Dadurch ergeben sich vielfältige Möglichkeiten bei Anlagenerweiterung oder Kesseltausch.

So kann der Heizungsfachmann in eine Bestandsanlage mit einer Regelung Logamatic 4000 beispielsweise einen EMS-Heizkessel problemlos ergänzen. Bei Neubauprojekten bietet das FM 458 eine große Planungsfreiheit, weil sich Wandheizkessel mit bodenstehenden Kesseln einfach kombinieren lassen. Es lassen sich, ganz nach Wunsch und Bedarf, Öl- und Gas-Heizkessel in einer Kaskade kombinieren. Das Strategiemodul ermöglicht eine außentemperatur- und betriebsstundenabhängige Folgeumkehr in nahezu beliebiger Reihen­folge, sowie eine Lastbegrenzung wahlweise nach Außentemperatur oder mit externem Kontakt.

Regenerative Energien nutzen

Andere Funktionsmodule, wie das Modul FM 444 „Alternative Wärmeerzeuger und intelligentes Puffermanagement“ (Bild 4), binden regenerative Wärmeerzeuger in ein Heizsystem ein: sowohl von Hand beschickte Festbrennstoffkessel als auch automatisch von der Regelung gestartete Wärmepumpen oder Blockheizkraftwerke. Das Regelsystem Logamatic 4000 erkennt die Betriebszustände wie auch die Soll-Temperaturen des Gesamtsystems, erfasst über Fühler die Ist-Temperaturen und schaltet bedarfsabhängig nicht nur den Heizkessel, sondern bindet auch den regenerativen Wärmeerzeuger optimal ein (Bild 5).

Das Regelsystem übernimmt somit gemeinsam mit dem Modul das Management für beide Wärmeerzeuger und sofern vorhanden, auch für den Pufferspeicher. Dabei hat der regenerative Wärme­erzeuger als Führungskessel die höchste Priorität und wird als erster an- und als letzter Wärmeerzeuger abgewählt, so dass er die längsten Laufzeiten hat. Um den Betriebsbeginn des Heizkessels so lange wie möglich hinauszuzögern, wird er als Folgekessel behandelt.

Auf die Einbindung des Pufferspeichers kommt es an

Das Puffermanagement erkennt, ob die vorhandene Wärme im Pufferspeicher ausreicht und vermeidet unnötige Kesselstarts. Die Wärme­erzeuger werden in Abhängigkeit der Temperatur im Pufferspeicher bedarfsgerecht ein- und ausgeschaltet. Für die hydraulische Einbindung des Pufferspeichers kann zwischen drei Varianten gewählt werden:

Serielle Verschaltung von Heizkessel, regenerativem Wärmeerzeuger und Pufferspeicher,

Alternativschaltung zwischen Heizkessel, regenerativem Wärmeerzeuger beziehungsweise Pufferspeicher sowie

Regenerative Wärmeerzeuger und Heizkessel am Pufferspeicher.

Im Falle „Serielle Verschaltung von Heizkessel, regenerativem Wärme­erzeuger und Pufferspeicher“ sind der Pufferspeicher, der vom regenerativen Wärmeerzeuger beladen wird, und der Heizkessel hydraulisch in Reihe geschaltet. Beide Wärmeerzeuger – regenerativer Wärmeerzeuger (über den Pufferspeicher) und Heizkessel – decken gemeinsam den Wärmebedarf des Gebäudes. Dadurch kann die Temperatur im Pufferspeicher bis auf das Niveau des Anlagenrücklaufs sinken, und der regenerative Wärmeerzeuger beziehungsweise der Pufferspeicher kann ständig Wärme an das Heizsystem abgeben.

Werden hingegen der regenerative Wärmeerzeuger und der Pufferspeicher alternativ zum Heizkessel eingebunden, ist entweder der vom regenerativen Wärmeerzeuger geladene Pufferspeicher oder der Heizkessel in Funktion. Ein gemeinsamer Betrieb beider Wärmeerzeuger ist nicht möglich. Bei der Auslegung sollte darauf geachtet werden, dass jeder Wärmeerzeuger alleine den Wärmebedarf des Gebäudes decken kann (Bild 6). Der Sollwert für den Pufferspeicher ergibt sich folglich aus den Sollwerten der einzelnen Verbraucher wie Heizkreise und Trinkwassererwärmung.

Die Anlagen-Solltemperatur ist die höchste Anforderung der Verbraucher. Ein Vorteil dieser Schaltung ist, dass der Heizkessel hydraulisch nur bedarfsabhängig durchströmt wird. Diese Art der Einbindung empfiehlt sich, wenn hauptsächlich über den regenerativen Wärme­erzeuger geheizt werden soll.

Eine weitere Möglichkeit ist die Anbindung beider Wärmeerzeuger an den Pufferspeicher (Bild 7). Hierbei dient der Pufferspeicher als Pendelspeicher für den Heizkessel. Der Heizkessel wird eingeschaltet, wenn die Temperatur im oberen Teil des Pufferspeichers (Fühler Puffer Oben) die von den Verbrauchern angeforderte Soll-Temperatur unterschreitet, und ausgeschaltet, wenn die Temperatur im unteren Teil des Pufferspeichers (Fühler Puffer Unten) die Anlagen-Solltemperatur erreicht hat. Die Brennerlauf- und -stillstandszeiten des Heizkessels ergeben sich durch den Füllstand des Pufferspeichers.

Der Sollwert für den Pufferspeicher ergibt sich aus den Sollwerten der einzelnen Verbraucher wie Heizkreise und Warmwasser-Speicher, alle Verbraucher werden aus dem Pufferspeicher mit Wärme versorgt. Die Anlagen-Solltemperatur ist auch hier die höchste Anforderung der Verbraucher der Heizungsanlage.

Sorgfalt bei der Hydraulikplanung notwendig

Bei der Planung von Hydrauliken mit Pendelspeicher ist größte Sorgfalt geboten. Weil Pufferspeicher und Verbraucher parallel geschaltet sind, ist ein Abgleich der Volumenströme für eine funktionsfähige Anlage unumgänglich. Der Volumenstrom der Anlage, also von Rohrnetz und Verbrauchern, darf im Auslegungsfall maximal dem Volumenstrom des Heizkessels entsprechen. Der Pendelspeicher beeinflusst die Stillstände und die Laufzeiten des Brenners. Auf Grund des zusätzlichen Volumens an Heizwasser im Pufferspeicher verlängern sich die Laufzeiten des Brenners. Weil die im Pufferspeicher zusätzliche Energie zwischengespeichert ist, ergeben sich auch längere Stillstandszeiten.

Unterschiedliche Regelungskonzepte erforderlich

Automatisch von einem eigenen Regelgerät gestartete oder von Hand beschickte Systeme zur Nutzung regenerativer Energien fordern unterschiedliche Regelungskonzepte. Automatisch gestartete Wärmeerzeuger wie ein Blockheizkraftwerk können über einen Kontakt angefordert werden. Die Temperatur in der Mitte des Pufferspeichers (Fühler Puffer Mitte) wird mit der Temperaturanforderung der Verbraucher abgeglichen. Ist diese Temperatur unterhalb der geforderten Temperatur, wird der regenerative Wärmeerzeuger über einen Kontakt angefordert (Bild 8). Er bleibt solange in Betrieb, bis der Pufferspeicher vollständig durchgeladen ist (Fühler Puffer Unten).

Automatische regenerative Wärmeerzeuger können mit einer eigenen, anlagenunabhängigen Temperaturanforderung und Zeitprogramm betrieben werden – damit erhält ein BHKW lange Laufzeiten und ebenso lange Stillstandszeiten. Um die unterschiedlichen Aufheizzeiten der regenerativen Wärmeerzeuger zu berücksichtigen, können so entsprechende Zeitprogramme vorgegeben werden. Die Heizungsanlage bedient sich permanent aus dem Pufferspeicher. Der Heizkessel bleibt ausgeschaltet, solange der Fühler FPO im oberen Teil des Pufferspeichers eine ausreichende Temperatur misst. Erst wenn diese unterschritten wird, heizt der Heizkessel zu. Er geht auch in Betrieb, wenn die Verbraucher hohe Temperaturen zum Beispiel für die Trinkwassererwärmung anfordern und der regenerative Wärmeerzeuger diese nicht liefern kann.

Vom Betreiber von Hand gestartete Anlagen wie Stückholzkessel oder Kamineinsätze mit Wasser-Wärmetauscher unterscheiden sich von automatisch gestarteten regenerativen Wärmeerzeugern unter anderem auf Grund ihres Verbrennungsablaufes. Sie durchlaufen pro Betriebszyklus eine Start-, eine Abbrand- und eine Ausbrand-Phase. Hierbei kommt der Ansteuerung der Pufferspeicherladepumpe (PWE) eine besondere Bedeutung zu. Zwei Regelungsmöglichkeiten stehen dabei zur Wahl: die temperaturdifferenzgeregelte Ansteuerung oder die Ansteuerung in Abhängigkeit der Abgastemperatur des regenerativen Wärmeerzeugers. Je nach getroffener Auswahl wird die Pufferspeicherladepumpe so lange angesteuert, bis entweder die Temperatur im regenerativen Wärmeerzeuger (Fühler FWV) niedriger als die Temperatur im unteren Teil des Pufferspeichers (Fühler Puffer Unten) ist oder die Abgastemperatur eine einstellbare Temperaturschwelle unterschritten hat (Bild 9). In beiden Fällen bleibt der Heizkessel aus, bis der Fühler im oberen Teil des Pufferspeichers eine für die Versorgung der Anlage ausreichende Temperatur misst. Erst wenn diese unterschritten wird, heizt der Heizkessel zu.

Moderne Regelsysteme bieten viele Möglichkeiten zur Anlagenoptimierung. Ein großer Vorteil ist beispielsweise, dass wichtige Anlagentemperaturen einschließlich der Temperatur des regenerativen Wärmeerzeugers und des Pufferspeichers am Regelsystem angezeigt werden. Sie lassen sich bequem über eine Bedieneinheit auch vom Wohnraum aus abfragen. Mit angeschlossener Fernwirktechnik können die Werte zudem über eine entsprechende Software auf dem PC ausgegeben werden. Wer die Anlage beobachtet und Veränderungen an den Einstellungen einzelner Parameter vornimmt, bekommt über die zur Verfügung gestellten Hilfsmittel sofort die Wirksamkeit der Änderung angezeigt und kann dadurch seine Heizungsanlage energetisch immer am Optimum betreiben (Bild 10).

Fazit

Die moderne Regelungstechnik trägt wesentlich dazu bei, die bestmögliche Systemtechnik zu realisieren, weil sie einzelne Komponenten in einer optimalen Einheit zusammen bringt. So ist das Ganze mehr als die Summe seiner Teile. Integrierte Regeltechnik schafft die Umsetzung einer leistungsfähigen und energieeffizienten Systemtechnik.