Regelungstechnik in Heizsystemen

„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 Zirkulation mit Umwälzpumpen. Selbst regulierende Elemente wie Thermostatventile wurden noch nicht eingesetzt. Unter anderem hatte dies den Grund, Widerstände im Wärmeverteilsystem, also den Rohrleitungen, Armaturen und Heizkörpern, gering zu halten. Eine Folge waren 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 gedrosselte. Dieses recht einfache Verfahren kommt auch heute noch bei Feststoffkesseln zum Einsatz. 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. Hierbei übernahmen dann Brenner mit Hilfe elektrischer Antriebsenergie das für den Verbrennungsprozess erforderliche Mischen von Brennstoff und Verbrennungsluft. Bei dieser Art der Feuerungstechnik übernehmen Steuerventile das Ein- und Ausschalten des Heizgerätes. Für den nötigen Impuls, wann geheizt oder nicht geheizt werden sollte, sorgten dann ab den 1960er Jahren nicht mehr nur interne Regelungsorgane wie beispielsweise Vorlauftemperaturfühler/-regler, sondern einfache Raumthermostate, die in Abhängigkeit von der Temperatur eines Raumes im beheizten Gebäude das Gerät ein- oder ausschalten.

Vor dem digitalen Zeitalter

Bei der Regelung durch Raumtemperaturfühler stellte sich die technische Lösung folgendermaßen dar: Um den Brenner am Heizgerät ein- bzw. auszuschalten, misst der Raumtemperaturfühler die einstellbare Temperatur im Raum und gab diese Information an den Kessel oder das Wandheizgerät weiter. Diese fuhren dann auf Vorlauftemperaturen von ca. 70 bis 90 °C hoch, weil es noch keine Niedertemperaturkessel gab. 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 Beginn einer differenzierten Regelungstechnik wurden Raumthermostate eingeführt, die mit Schaltuhren ausgestattet waren. Hieraus ergab sich die Möglichkeit am gleichen Tag zwei unterschiedliche Heizkurven zu wählen bzw. nachts abzusenken, um auf diese Weise den Energieverbrauch zu senken.

Mindestens eben so wichtig wie die Einführung von Raumthermostaten war die fachgerechte Installation, um Energieeinsparungen und Komfortgewinn zu erreichen. Wird z. B. der falsche Führungsraum gewählt, führt dies schnell dazu, dass Teile des Gebäudes mit Wärme unterversorgt werden. Auch Installationsorte, bei denen der Raumthermostat Fremdwärme oder Zugluft ausgesetzt war, führten zu einer uneffizienten Betriebsweise. Diese wurde aber – verschärft durch die erste Ölkrise von 1973 – mit der Heizungsanlagenverordnung von 1978 teilweise gesetzlich verankert. Als nächster entscheidender Schritt, den Energieverbrauch mittels Heizungsregelung zu senken, kam die Nachtabsenkung. Diese erfolgte früher mit mechanischen Mitteln.

Dafür wurde ein Bimetall-Thermostat verwendet, um die Nachtabsenkung zu realisieren. Dafür brauchte man einen Motor. Der wurde aber nicht als mechanischer Motor eingesetzt, sondern dem Thermostaten wurde eine zu hohe Temperatur vorgetäuscht, indem er einfach elektrisch beheizt wurde. Dadurch schaltete das Heizgerät früher ab. Heute werden solche Vorgänge elektronisch geregelt. Nahezu parallel erfolgt die Steuerung einzelner Räume mit Thermostatventile. 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.

Erst in den späten 1970er Jahren kamen dann 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 normalerweise auf der Nordseite und witterungsgeschützt an der Gebäudeaußenwand installiert, so dass er vor Regen, Schnee, Wind und Sonne geschützt ist, um die Wetterbedingungen richtig zu erfassen. Auch die Anbringung neben einer Abluftöffnung, über einem Kellerschacht, auf der Südseite oder unterm Balkon – Stichwort Stauwärme – führte oft zu einem nicht optimalen Betrieb.

Die nächste Entwicklungsstufe in der Heizungstechnik war die dauerhafte Senkung der Kesseltemperatur. Das Heizen im Niedertemperaturbetrieb war technisch erst in der zweiten Hälfte der 1970er Jahre realisierbar und durch marktreife Gerätetechnik auch für ein breites Anwendungsgebiet einsetzbar. Dafür wurden Wärmeerzeuger entwickelt, die auch mit sehr niedrigen Vorlauftemperaturen jederzeit sicher funktionierten und nicht durch Kondensation beschädigt werden konnten.

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 der sich dann die modulierende Betriebsweise ergab. Erst zu Beginn der 1980er Jahre erfolgte die Anpassung der Vorlauftemperatur an den tatsächlichen Wärmebedarf.

Hierfür kamen dann Stetigregler zum Einsatz, die aus den bis dahin üblichen Zwei-Punkt-Reglern entwickelt wurden. Bei Stetigreglern wird die vom Nutzer einmal vorgegebene Temperatur mit der tatsächlichen Raumtemperatur verglichen und ein Vorlauftemperatursollwert an das Heizgerät vom Regler weitergegeben. 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 selbsttätig Gerät ab. Dabei übernahm das Heizgerät die Aufgabe diese Temperatur immer wieder neu einzuregeln. Dies geschah entweder über Brennermodulation beispielsweise bei Wandheizgeräten, oder wie bei einer klassischen Zwei-Punktregelung, bei der der Brenner abschaltete, sobald die Temperatur erreicht wird.

Darüber hinaus gab es Drei-Punkt-Regelungen, die mit Hilfe eines Mischventils für die erforderliche Heizkreistemperatur sorgten. 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. An diesen Grundprinzipien, des zur Verfügungstellens nach dem jeweiligen Wärmebedarf, 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.

Über die aktuellen komplexen Regelstrategien sowie die Einführung und Vorzüge des Einsatzes von Digitaltechnik in Heizungssystemen, lesen Sie im zweiten Teil dieses Berichts in der nächsten Ausgabe der tab.