Möglichkeiten zur Regelung von Heizungsanlagen . . .

...wenn mehrere Wärmeerzeuger eingebunden sind

Dipl.-Ing. Heinz-Werner Schnietka*
Neben der konventionellen Wärmeerzeugung durch Öl oder Gas mit einem oder mehreren Kesseln gewinnt die Nutzung von Alternativenergien immer mehr an Bedeutung. Um einen energieoptimierten Heizbetrieb bei unterschiedlichen Wärmeerzeugern (alternativ/konventionell) zu gewährleisten, ist die Koordination dieser untereinander und gegenüber den Wärmeabnehmern zwingend. Dafür ist ein leistungsfähiges Regelsystem erforderlich. Die Leistungsfähigkeit solcher Regelsysteme, aber auch die Anforderungen an den Anlagenaufbau mit unterschiedlichen Wärmeerzeugern stehen in diesem Fachbeitrag im Mittelpunkt.

Eine in der Praxis häufig anzutreffende Variante zur Nutzung von Alternativenergien ist die Kombination eines konventionellen Heizkessels mit einer thermischen Solaranlage. Diese dient häufig lediglich zur Brauchwassererwärmung (Bild 1). Der Kessel kann je nach Solarleistung bzw. Nutzeranforderung den Warmwasserspeicher nachheizen und deckt darüber hinaus den kompletten Heizwärmebedarf des Gebäudes. Aufgabe des Regelsystems ist es, die Stellglieder so anzusteuern, dass immer erst die Solarthermie bestmöglich zur Warmwassererzeugung genutzt wird. Nur wenn diese nicht ausreichend ansteht, wird die (teure) Öl- oder Gasenergie über den Kessel in Anspruch genommen. Der Anlagenaufbau nach Bild 2 zeigt eine Möglichkeit, wie die Solarthermie auch zur Heizungsunterstützung sinnvoll einzukoppeln ist. Eine besondere Bedeutung hat in diesem Anlagenaufbau der Pufferspeicher.

Bild 1: Fließschema Heizkessel mit thermischer Solaranlage zur Brauchwassererwärmung.

Bild 2: Fließschema Heizkessel mit thermischer Solaranlage zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung.

Grundsätzliche Funktionen des Pufferspeichers

Mit Pufferspeichern ist es möglich, bei hohem Solarenergieaufkommen überschüssige Energie zu speichern und diese in Mangelzeiten gezielt in die Wärmeabnehmer einzuspeisen, z. B. für die Warmwasserbereitung oder zur Unterstützung der Raumheizung. Sobald der Warmwasserspeicher aufgeheizt ist, also der Istwert am Fühler WW1 den gewünschten Sollwert erreicht hat, schaltet der Regler den Umschaltmischer U1 auf Durchgang, sodass die überschüssige Energie in den Pufferspeicher fließt. Die Koordination der entsprechenden Ladevorgänge mit den gewünschten Einschalt- und Umschaltbedingungen wird von der Regelung überwacht und durchgeführt. Neben seiner Eigenschaft als Energiespeicher hat der Pufferspeicher eine hydraulische Funktion. Denn sobald mehrere Wärmeerzeuger Energie in die Verbraucheranlagen einspeisen können, sind auch mehrere Förderpumpen notwendig (Bild 3). Und genau das kann bereits in kleinen Anlagen zu erheblichen Problemen führen. Damit die einzelnen Pumpen genau den Anlagenteil versorgen, für den sie bestimmt sind und sich nicht gegenseitig beeinflussen oder gar behindern, ist eine hydraulische Entkoppelung zwischen Wärmeerzeugern und -abnehmern erforderlich. Diese Funktion übernimmt der Pufferspeicher in den gezeigten Anlagenschemen. In seiner Funktion als Pufferspeicher verfügt er der Anlagengröße entsprechend über ein ausreichendes Wasservolumen, sodass die Strömungsgeschwindigkeit im Speicher gegen Null geht und er somit zum drucklosen Verteiler wird. Dadurch können sich die unterschiedlichen Volumenströme der Wärmeerzeuger- und Wärmeabnehmerpumpen nicht gegenseitig beeinflussen. Dieser hydraulische Anlagenaufbau gewährleistet mit der entsprechenden Regeleinrichtung unter allen Heizlastverhältnissen einen optimalen Heizbetrieb.

Bild 3: Integration mehrerer Wärmeerzeuger in Kombination mit einer thermischen Solaranlage. Der Pufferspeicher fungiert sowohl als Wärmespeicher als auch als hydraulischer Entkoppler.

Bild 4: Anlagenschema für das Passivhaus der Fa. Solaraktiv Bau AG.

Praxisbeispiel Passivhaus

Pufferspeicher eignen sich - wenn sie entsprechend dimensioniert sind - auch zur Langzeitspeicherung von Energie. Besonders in Passivenergiehäusern ist es möglich, auch ohne Primärenergieeinsatz komfortable Raumtemperaturen sicherzustellen. Ein entsprechendes Gebäude- und Anlagenkonzept hat die Firma Solaraktiv Bau AG entwickelt und in die Praxis umgesetzt. Bild 4 zeigt den Anlagenaufbau. Zur Bevorratung von Solarthermie für solararme Zeiten ist ein 10 m³ großer Wärmespeicher, dem hier die Hauptrolle zukommt, vorhanden. Die entsprechend dimensionierte Hochleistungs-Solarkollektorfläche versorgt den Warmwasserspeicher und speist darüber hinaus den Wärmespeicher zur Energiebevorratung. Das von der Solaraktivbau AG patentierte Speicherkonzept hat folgende Besonderheit:

Der Speicher erstreckt sich hochformatig über alle drei Stockwerke im Kern des Gebäudes mit ca. 900 m² Nutzfläche.
Die Regelung sorgt zum Aufladen des Speichers über den Umschaltmischer dafür, dass die Entnahmestelle am VFLS vorrangig mit der von den Verbrauchern geforderten Temperatur versorgt wird. In sonnenarmen Zeiten bzw. bei diffuser Strahlung, wenn nur eine geringe Solarerwärmung möglich ist, wird also in den unteren Teil des Speichers Wärme eingelagert. Die beiden Mischkreise MK1 und MK2 versorgen Niedertemperaturheizflächen, die in den Raumumschließungsflächen bzw. im Fußboden integriert sind.
Zur Sicherstellung von Komfortansprüchen bei der Warmwasserbereitung ist eine Elektroheizbatterie vorgesehen, die im Bedarfsfall, wenn keine ausreichend hohe Solarthermie ansteht und die Warmwassertemperatur nicht ausreicht, über den Regler zur Nachheizung zugeschaltet werden kann.

Die Anlage befindet sich bereits in der zweiten Heizperiode und wird vom Betreiber bezüglich Temperaturkomfort voll akzeptiert. Das selbe Anlagenkonzept wird zur Zeit auch in einer Neubausiedlung geplant und umgesetzt. Dabei handelt es sich um mehrere Doppelhäuser in Passivenergiebauweise. Die Speicher sind wiederum im Kern der Doppelhäuser installiert, sodass keine gespeicherten Energieverluste an Außenflächen gelangen, sondern den Wohnräumen zugute kommen.

Intelligente Regelung notwendig

Alle zuvor beschriebenen Anlagensysteme können mit der "MCR 200" von Honeywell geregelt werden. Sie liefert die Voraussetzungen, die unterschiedlichen Anlagenteile zu koordinieren und einen energieoptimierten Heizbetrieb sicherzustellen. Bereits werkseitig eingestellte Parameter sichern stabile Betriebsweisen ohne zeitraubende Einregulierung. Darüber hinaus erlauben Einstellmöglichkeiten individuelle Anpassungen auf spezielle Anlagengegebenheiten. Einstellparameter für Heizgrenzen, Heizkurven-Adaption, Sonnen- / Windaufschaltung und Optimierungsarten gehören bei heutigen DDC-Reglern zum Stand der Technik und werden somit hier nicht näher erläutert. Erwähnenswert sind aber noch folgende Besonderheiten dieses Regelsystems.

Es ist modular aufgebaut und besitzt Handschalter für alle anzusteuernden Stellorgane. Die Anzeige erfolgt über ein vierzeiliges Display. Zur ausführlichen Demonstration des Wärmegewinns über Solarkollektoren verfügt das Regelsystem über eine umfassende Statistikfunktion. Zur Ermittlung der dafür notwendigen Daten genügt ein eingebauter Volumenzähler mit Impulseingang. Ist kein Zähler vorhanden, kann das Fördervolumen der Kollektorpumpe unter Berücksichtigung des Glykolanteils herangezogen und dem Regler bei Inbetriebnahme über die Codetabelle mitgeteilt werden. Das Bediengerät zur Fernverstellung und Fernanzeige kann auch im Wohnbereich montiert werden.

Bild 5: Regelgerät MCR 200 mit Kommunikationsschnittstelle für Fax.

Zeitgemäße Kommunikationstechnik bis zur GLT

Das Regelsystem ist außerdem für die externe Kommunikation geeignet. Folgende Möglichkeiten bestehen:
a) Kommunikation mittels Telefax,
b) Kommunikation mittels Telefon,
c) Einbindung in die GLT (Gebäude-Leittechnik).

(a) Mit MCR 200 Fax kann sich die Anlage selbsttätig melden, z. B. bei Inbetriebnahme mit Statusangaben oder im Störungsfall bzw. als Lifetest zu den einstellbaren gewünschten Zeiten. In allen Fällen erhält der Faxempfänger - in der Regel der Installationsbetrieb, der den Service übernimmt - ein Telefax aus der Anlage. Es übermittelt alle Istwerte der angeschlossenen Fühler und nennt auch alle Sollwerte sowie den Status der Pumpen und Brenner (Ein/Aus) sowie die Mischer- und Ventilstellungen.

(b) Ausgerüstet mit MCR 200 SP1 kann man den Regler der Anlage telefonisch anwählen. Für den Service stehen über das telefonisch angeforderte Telefax aus der Anlage alle zuvor genannten Daten über Temperaturen sowie Status der Stellglieder bereit. Der Fachmann kann damit eine Diagnose stellen und entscheiden, ob eine Fahrt zur Anlage erforderlich ist. Der Anlagennutzer hat damit auch die Möglichkeit der Fernbedienung. Er kann beispielsweise vor Rückkehr aus seinem Urlaubsort die Heizung bereits telefonisch auf Komfortbetrieb umschalten.

(c) MCR 200 Einbindung in die GLT: In komplexen Anlagen wird zur Überwachung des gesamten Energiemanagements eine "Gebäude-Leittechnik" - kurz GLT - eingesetzt. Über diese können nicht nur Informationen, Störungen sowie Alarme übermittelt, sondern auch sämtliche Sollwerte abgefragt und eingestellt werden.

Alle Automationsstationen (bestehend aus einem oder mehreren Reglern), die über den Systembus verbunden sind, bezeichnet man als "lokales Projekt". Die Grenze für den Systembus ist durch die maximale Länge von 1000 Metern definiert. Automationsstationen, die über Modem einbindbar sind, nennt man "externe Projekte" bzw. "Liegenschaften". Damit lassen sich große Distanzen per Telekommunikation überwinden und beispielsweise alle Liegenschaften einer Behörde zusammenfassen. Standardisierte Schnittstellen sorgen dafür, dass eine einheitliche Hardware-BUS-Verbindung möglich ist. Die entsprechende Reglersoftware ist darauf vorbereitet, den Datentransfer zu ermöglichen. Die Umsetzung geschieht in Kommunikationsbausteinen, die aus Kostengründen nicht im Regler vorgehalten werden, sondern im Bedarfsfall als Ergänzungsmodule eingesetzt werden. Damit ist die Einbindung in die Excel-Gebäude-Leittechnik XBS von Honeywell möglich.

Fazit

Mit dem Bewusstsein, dass Hydraulik und Elektronik als eine Einheit zu betrachten sind, kann man rechtzeitig den Grundstein für eine effizient arbeitende Anlage legen. Die aufgezeigten hydraulischen Grundlagen stellen sicher, dass die Anlage für alle Heizlastfälle stabile Strömungsverhältnisse liefert. Mit der Auswahl der Regeleinrichtung, wie hier am Beispiel mit MCR 200 gezeigt, kann dem Kunden eine optimale Funktion mit viel Information und Kommunikationsmöglichkeiten für die gesamte Anlage geboten werden. Die Koordination zwischen allen verfügbaren Energiequellen und Wärmeabnehmern von einem Regelsystem stellt einen automatisch ablaufenden und energieoptimierten Alternativenergiebetrieb sicher.

Internetinformationen:
www.solaraktivbau.de und
www.honeywell.de/hga

*) Dipl.-Ing. Heinz-Werner Schnietka, Leiter Vertriebsmarketing bei Centra Regelungstechnik, Honeywell AG, Schönaich

Bilder: Centra Regelungstechnik Honeywell AG, Solaraktiv Bau AG

Literatur: Centra Regelungstechnik Honeywell AG, Schönaich - Solaraktiv Bau AG, Dimbacher Straße 12, 74182 Obersulm

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