IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 06/2001, Seite 34 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Energieeinsparung - welche Möglichkeiten bieten moderne Regelungssysteme?

Dipl.-Ing. Stefan Demes*

Das Haus der Gegenwart und besonders das der Zukunft sollte vor allem Komfort bieten und wirtschaftlich sein. Zwei Anforderungen, die sich widersprechen? Nein, denn schon die effiziente Nutzung auch erneuerbarer Energien bei Beheizung und Warmwasserbereitung schöpfen erhebliche Sparpotenziale aus. Intelligente Regelsysteme leisten hier einen wichtigen Beitrag. Zudem sorgen sie für besonders komfortable Behaglichkeit und Wohnqualität.

Vor allem bei der Wohnraumbeheizung, für die rund 77 Prozent der Energie eines Haushalts aufgewendet wird, bietet sich ein hohes Sparpotenzial. Den Energieverbrauch senken und durch geringere CO2-Emissionen gleichzeitig die Umwelt und den Geldbeutel schonen - dies können Hausbewohner auch bei der Warmwasserbereitung, für die 12,5 Prozent der Energie im Haushalt veranschlagt werden (Bilder 1 und 2).

Der Heizenergieverbrauch wurde in den vergangenen Jahren deutlich reduziert. Niedrigenergiehäuser mit um 25 Prozent reduziertem Heizenergiebedarf gegenüber der gültigen Wärmeschutzverordnung sind heute bereits im Neubau Standard. Passivhäuser mit einer weiteren deutlichen Reduktion des Heizwärmebedarfs gewinnen zunehmend an Bedeutung. Baumaßnahmen zur Wärmedämmung an Fassaden, Dächern und Fenstern senken den Energieverbrauch und leisten einen wesentlichen Beitrag zur Schonung der Umwelt. Allerdings ist damit ein zum Teil erheblicher Kapitalaufwand verbunden, der im Wesentlichen von folgenden Punkten abhängig ist:

Bild 1: Beheizungsstruktur

Bild 2: Energieverbrauch im Haushalt.

Der finanzielle Aufwand für die baulichen Maßnahmen bei einem Einfamilien- bzw. Reihenhaus ist sehr unterschiedlich (Tabelle 1).

Meist werden jedoch die positiven Effekte einer Wärmedämmung überschätzt. Die energetischen und finanziellen Einsparmöglichkeiten der am Markt verfügbaren Heizungstechnik hingegen wird oft unterschätzt. Dabei schlagen die Investitionskosten für die Regelung und Steuerung eines Heizsystems, im Vergleich zu Wärmedämmmaßnahmen, mit nur 1000 bis 2000 DM zu Buche.

Tabelle 1: Geschätzter Kapitalaufwand zur Modernisierung eines Einfamilien- oder Reihenhauses

Baumaßnahme

Kapitalaufwand [DM]

Dachdämmung

2000 - 5000

Außenwanddämmung

12000 - 25000

Innenwanddämmung

4000 - 6000

Fensterwechsel

15000 - 20000

Neuer Heizkessel

7000 - 10000

Neuer Warmwasserspeicher

2000 - 5000

Regel- und Steuereinrichtungen

1000 - 2000

Das Heizsystem

Außer durch passive Maßnahmen am Gebäude, lässt sich der Heizenergieverbrauch auch aktiv durch den Einbau von Gas-Brennwertgeräten oder eines Systems zur kontrollierten Wohnraumlüftung senken. Dank moderner Verbrennungstechniken konnten die Schadstoffemissionen in den vergangenen Jahren deutlich reduziert werden. Die Vorgaben des Gesetzgebers, aber vor allem die konsequente Umsetzung durch die Industrie, haben diese Erfolge möglich gemacht. Erdgas als fossiler Energieträger ist in Verbindung mit der Brennwerttechnik die umweltschonendste Art der Wärmeerzeugung. Verglichen mit einer 20 Jahre alten Ölfeuerung reduziert sich die jährliche Kohlendioxidemission (CO2) beim Einsatz eines Brennwertgeräts um bis zu 55 Prozent. Noch besser schneidet die Gas-Brennwerttechnik bei den Stickoxidemissionen (NOx) ab: Die jährliche Schadstoffbelastung ist um bis zu 87 Prozent geringer als bei einer Ölheizung (Bild 3).

Bild 3: Jährliche Kohlendioxid (CO2)- und Stickoxidemissionen (NOx) verschiedener Wärmeerzeuger am Beispiel eines 15-Familienhauses.

Wer auf die moderne Gas-Brennwerttechnik setzt, spart im Vergleich zu alten Feuerungsstätten bis zu 40 Prozent Energie. Zwar sind auch moderne Niedertemperaturheizungen schon sehr günstig im Verbrauch, doch spart ein Hauseigentümer mit einem Gas-Brennwertgerät weitere 15 Prozent Brennstoff. Laut Initiativkreis Erdgas & Umwelt erreicht die Zahl installierter Gas-Brennwertheizungen schon bald die Millionenmarke. In diesem Trend zur Brennwerttechnik spiegelt sich das gesteigerte Umweltbewusstsein der Verbraucher wider. Auch die Temperaturen im Heizsystem, insbesondere die Rücklauftemperatur bei der Brennwertnutzung, wirkt sich positiv auf den Energieverbrauch aus. Ideal sind gleitend geregelte Heizanlagen. Die Regelung der Anlage sollte deshalb, ebenso wie die hydraulische Auslegung des Systems auf eine kondensierende Betriebsweise ausgerichtet sein. Hydraulische Maßnahmen, welche die Rücklauftemperatur anheben - wie beispielsweise der Einbau von Vier-Wege-Mischern - sollte daher vermieden werden. Da Brennwertgeräte besonders bei niedrigen Rücklauftemperaturen optimal arbeiten, sollten Modernisierer solche Anlagenteile im Renovierungsfall unbedingt entfernen. Energiesparpotenzial steckt aber nicht nur im Wärmeerzeuger selbst. Mit geringem Kapitalaufwand lässt sich der Gasverbrauch mit geeigneten Regel- und Steuereinrichtungen weiter senken.

Die Heizungsregelung

Sind die Heizkörper nicht mit einem Thermostatventil ausgestattet, kann der Bewohner die Raumtemperatur nur über die Fensterlüftung regeln. Ein solches Vorgehen ist jedoch nicht mehr zeitgemäß. Zudem lassen sich solche Heizsysteme nicht in die Regelungsumgebung einer modernen Heizungsanlage einpassen. Auch die Steuerung der Warmwasserbereitung sollte bei der Heizungsregelung nicht außer Acht bleiben. Moderne Regelungssysteme haben die gesamte Heizanlage im Griff. Dazu gehört neben der Zeitsteuerung der Heizkreise und der Warmwasserbereitung auch die Einstellung von Urlaubsprogrammen. Alle Komponenten einer modernen Heizungsanlage - vom Heizgerät und dem Brenner über die Regelung sowie Warmwasserbereitung und -verteilung bis hin zu den Heizkörpern - sind optimal aufeinander abgestimmt. Die Heizungsregelung spielt dabei eine zentrale Rolle. Für den Hausbewohner macht sich das von ihr gesteuerte Zusammenspiel des Gesamtsystems durch warmes Wasser und angenehme Temperaturen in der Wohnung bemerkbar. Und der geringere Energieverbrauch schont nicht nur den Geldbeutel, sondern auch die Umwelt.

Sinnvoll ist der Einsatz einer Baueinheit aus Wärmeerzeuger und Regelung. Die Hersteller bieten aufeinander abgestimmte Komplettsysteme an. Gerätekombinationen garantieren die beste Primärenergieausnutzung und somit eine maximale Schadstoffreduzierung. Der Montageaufwand ist gering, da meist anschlussfertige Systeme angeboten werden. Im System integrierte Sensoren für die Außen-, Raum- und Vorlauftemperatur werden von der Regelung optimal ausgewertet.

Gängige Systeme bestehen aus einem Heizungsregler und Radiatoren mit Thermostatventilen. Stellt der Bewohner eine geringe Raumtemperatur ein, sinkt der Brennstoffverbrauch. Schon ein Grad weniger in der Wohnung spart rund fünf Prozent Energie. Allerdings sollte es dadurch nicht zu Einbußen bei der Behaglichkeit kommen. Günstig ist es daher, die Heizungssysteme in Zeiten der Nichtbelegung mit gesenkter Raumtemperatur zu betreiben.

Ein witterungsgeführter Vorlauftemperatur-Regler führt dem Gebäude auch im Absenkbetrieb, abhängig von der Höhe der Außentemperatur, Wärme zu. Dieser Zusammenhang wird über die einfache Parallelverschiebung der Heizkurve zu tieferen Werten hin abgebildet und führt damit zu einer neuen Zuordnung von Außen- und Vorlauftemperatur.

Das Gebäude wird weiter erwärmt, ohne die vorhandenen Raumtemperaturen zu berücksichtigen. Eine Absenkung stellt sich zwar ein, jedoch erfolgt die Auskühlung nur sehr langsam. Der Übergang auf Tagbetrieb erfolgt in der Regel immer zum gleichen Zeitpunkt. Dieser orientiert sich über die Heizkurve zwangsläufig an den aktuellen Witterungsbedingungen. Während der Übergangszeit kann die Aufheizung jedoch aufgrund der vorhandenen Heizkapazität effektiver erfolgen. Hier kann die Heizungsregelung ihre Stärken voll ausspielen.

Die Hauseigentümer können beispielsweise Energie sparen durch:

Werden Räume oder ganze Gebäude längere Zeit nicht bewohnt, kann der Nutzer die Absenkung direkt beeinflussen. Moderne Gebäude erlauben aufgrund ihrer Trägheit, die Heizungsanlage während der üblichen Nachtabsenkphasen im Frostschutzbetrieb zu fahren. Die Speicherkapazität der Gebäude und die gute Isolierung verhindern dabei ein zu starkes Auskühlen. Um mehr als 3 K bis 5 K sollten die Temperaturen allerdings nicht gesenkt werden, sonst kühlen Wände und Möbel zu stark aus und die Behaglichkeit lässt zu wünschen übrig. Auch Haustiere und Zimmerpflanzen sollten die Absenktemperatur gut vertragen können. Sinken die Temperaturen in den Räumen zu stark, versuchen die Bewohner die geringere Wärmestrahlung der Einrichtung und der Bausubstanz durch hohe Lufttemperaturen zu kompensieren, um die gewünschte Behaglichkeit zu erreichen. Um nicht zu frieren, drehen sie die Heizkörper wieder auf. Die Folge: Überheizung der Räume. Werden die Raumtemperaturen dagegen permanent auf einem für die Bewohner angenehmen Niveau gehalten, lassen sich Heizkosten sparen.

Bild 4: TA 250 und TA 270 von Junkers.

Um den Absenkbetrieb zu verlängern, sollten die Heizzeiten auf individuelle Tagesabläufe einstellbar sein. Regler wie die witterungsgeführten Ceracontrol-Regler TA 250 und TA 270 von Junkers erfüllen diese Aufgabe (Bild 4). So lassen sich mit Wochenprogramm und sechs Schaltpunkten je Tag die Absenk- und Aufheizzeiten optimal an die jeweiligen Lebensgewohnheiten anpassen. Ohne auf Komfort und Behaglichkeit verzichten zu müssen, senken die Bewohner dadurch den Energieverbrauch.

Eine zuschaltbare Schnellaufheizung erlaubt es, die Räume in möglichst kurzer Zeit aufzuwärmen. Dafür wird die aktuelle Vorlauftemperatur - für jeden Heizkreis separat - kurzfristig angehoben. Über das Anpassen des Zeitfensters wird die Aufheizung auf den tatsächlichen Bedarf abgestimmt. Den Heizkreisen wird so die zur schnellen Aufheizung notwendige Energie für die Aufheizphase bereitgestellt. Bei jedem Übergang vom Absenk- zum Normalbetrieb wird die gewünschte Raumtemperatur, gerade in der Übergangszeit, schnell erreicht. Für den anschließenden normalen Heizbetrieb wird die gewählte Heizkurve automatisch eingestellt. Dann wird dem System nur noch die Energiemenge zugeführt, die für eine behagliche Raumwärme benötigt wird. Entsprechend niedriger ist die Vorlauftemperatur.

Um die beschriebenen Funktionen zu realisieren und das volle Energiesparpotenzial einer Heizungsanlage auszuschöpfen, sind keine besonderen hydraulischen Anforderungen zu erfüllen. Die Bilder 5 und 6 zeigen, wie die Hydraulik eines solchen Systems aufgebaut ist. Moderne Regelungssysteme sind für den Einsatz bei Standardanwendungen konzipiert.

Bild 5: TA 250, Hydraulik und Regelung (Prinzipschema).

Die Geräte sollten vom Fachmann oder Laien ohne besonderes Vorwissen leicht zu bedienen sein. Deshalb haben manche Regler mehrere voneinander unabhängige Bedienebenen. Mit Hilfe einer Klartextanzeige und "mitdenkender" Bedienerführung wird selbst die Eingabe komplexer Programme zum Kinderspiel.

Bild 6: TA 270: Hydraulik und Regelung (Prinzipschema).

Zusätzlich können dem Fachmann entsprechende Service- und Systemebenen zur Verfügung stehen. Hier stellt er die Regelung auf die individuelle Situation ein. Vorteilhaft sind Regler, die Informationen über alle Betriebszustände liefern: Daten aus den Wärmeerzeugern und den Heizkreisen, Störungen im Heizungs- und Warmwassersystem.

Für den Nutzer praktisch ist eine integrierte Fernbedienfunktion bei den witterungsgeführten Reglern. So lässt sich die Heizungsanlage bequem vom Wohnraum aus steuern. Werden die Räume außer der Reihe nicht oder nur verkürzt genutzt, kann der Sparbetrieb begonnen werden. Das System wechselt entweder manuell oder automatisch wieder in den Automatikbetrieb.

Ein integrierter Raumtemperaturfühler berücksichtigt die Temperatur in der Wohnung und regelt die Heizleistung entsprechend. Fremdheizungen wie z.B. ein offener Kamin, ein Kachelofen, die Sonneneinstrahlung oder Zugluft erfasst der Regler und berücksichtigt sie in der Regelstrategie. Ist die Raumaufschaltung aktiv, so wird beim Übergang vom normalen Heiz- auf Sparbetrieb die Heizungsanlage so lange im Frostschutzbetrieb gefahren, bis die abgesenkte Raumtemperatur erreicht ist. Der Brenner des Heizgerätes ist solange aus. Die Raumtemperaturaufschaltung unterstützt die Schnellaufheizung. Ist die gewünschte Raumtemperatur erreicht, schaltet sich die Schnellaufheizung ab. So wird verhindert, dass sich das System überheizt.

Die Steuerung der Warmwasserbereitung

Energie sparen können Hauseigentümer auch bei der Warmwasserbereitung, für die 12,5 Prozent der Energie eines Haushalts aufgewandt werden. Die Heizleistung eines Einfamilienhauses ist vor allem durch den gewünschten Warmwasserkomfort bestimmt. Dieser kann größer als der Heizwärmebedarf des Gebäudes sein. Nicht immer ist es sinnvoll, der Speicherladung automatisch Vorrang vor der Heizung einzuräumen. Die absolute Vorrangschaltung regelt den Heizbetrieb ab und die gesamte Heizleistung wird zur Erwärmung des Brauchwassers aufgewandt. Bei einer Teilvorrangschaltung läuft der Heizbetrieb während der Warmwasserbereitung in allen gemischten Heizkreisen weiter. Es kommt so während der Boilerladung nicht zu einer unerwünschten Auskühlung der Räume, die mit einem erhöhten Energieeinsatz bei der anschließenden Wiederaufheizung kompensiert

werden muss. Die Behaglichkeit wird nicht beeinträchtigt. Für die Nachladung des Speichers wird häufig nicht die maximale Heizleistung benötigt. Die restliche Wärme wird auf die Heizkreise verteilt und zur Erwärmung der Wohnung genutzt.

Die Teilvorrangschaltung hat aber noch einen weiteren Vorteil: Weil die Speicherladung die benötigte Heizleistung begrenzt, werden Verluste durch häufiges Starten des Brennwertgerätes verringert. Bei der Vorrangschaltung würde dabei mit einer zu großen Heizleistung gefahren. Die Folge: Ein Wärmeüberschuss im System, der die Rücklauftemperatur erhöht. Dies wirkt der Brennwertnutzung entgegen, weil die Kondensation der Abgase dadurch beeinträchtigt wird. Mit anderen Worten: Der Wirkungsgrad sinkt. Das Takten der Geräte führt zudem zu Energieverlusten infolge der häufigen Gerätestarts.

Der Betreiber kann die Warmwassersteuerung durch ein energiesparendes Zeit-Temperaturprofil optimieren. Dadurch erwärmt sich der Speicher zur geforderten Zeit nur auf die tatsächlich benötigte Temperatur. Für diese Regelfunktionen ist ein hydraulisches System, wie in Bild 6 dargestellt, erforderlich.

Netzwerke

Wichtiger Bestandteil von Netzwerken sind so genannte Bussysteme. Zum interaktiven Datenaustausch zwischen den einzelnen Komponenten arbeiten die witterungsgeführten Ceracontrol-Regler und der Raumregler TR 220 von Junkers mit einem Datenbussystem. Für die schnelle und sichere Datenübertragung entschieden sich die Entwickler für das Datenbussystem Controller Area Network (CAN). Der CAN ist ein Kommunikationsprotokoll, das Ende der achtziger Jahre von Bosch für die Anwendung im Automobil geschaffen wurde, nun aber in großem Maße zur Vernetzung von Industriesteuerungen im Feldbus- oder Sensor- und Aktorbereich verwendet wird. CAN findet zunehmend Einsatz in der Gebäudeleittechnik. Ein CAN-Bussystem kann als Plug-and-play-System ausgeführt werden.

Entscheidend für die Nutzung der Möglichkeiten des Regelungssystems ist die Bus-Topologie. Der CAN basiert auf einer linienförmigen Topologie. Über Routenknoten sind hierarchische Netzwerkstrukturen aufbaubar. Die Anzahl der Teilnehmer pro Netz ist nicht durch das Protokoll begrenzt, sondern von der Leistung der eingesetzten Bustreiberbausteine abhängig. Diese Topologie bietet dem Fachhandwerk die Möglichkeit, mit den witterungsgeführten Reglern TA 250, TA 270 und TA 300 flexibel auf die baulichen Gegebenheiten einer Anlage zu reagieren und so ein energiesparendes Konzept zu verwirklichen. Bild 7 verdeutlicht am Beispiel des TA 300 die Bus-Topologie der CAN-Systeme.

Bild 7: Prinzipschema der Verbindungsarten der Busteilnehmer am Beispiel des TA 300.

Die Hydraulik

Welche hydraulischen Voraussetzungen zu erfüllen sind, damit die Regelfunktionen optimal umgesetzt werden können und dadurch die Schadstoffemissionen reduziert werden, zeigen die Bilder 5 und 6. Die Regelung ist aber immer nur so gut, wie das System, in dem sie arbeitet. Daher wird auch das Energiesparpotenzial einer Heizungsanlage von der zu steuernden Hydraulik bestimmt. Damit ein Heizkörper oder die Fußbodenheizung die optimale Wärmemenge abgeben können, müssen sie richtig dimensioniert und hydraulisch abgeglichen sein. Der Trend geht in Richtung immer sensiblerer Systeme, die eine präzise und sorgfältig ausgeführte Anlagenhydraulik voraussetzen. Stimmen diese Rahmenbedingungen, kann der Heizungsfachmann das ganze Potenzial der Regelungsoptimierung, mit dem Ziel Energie zu sparen, ausschöpfen. Fehler in der Hardware - also bei der Hydraulik - können jedoch durch die Software der Regelung nicht kompensiert werden.

Fazit

Es gibt viele einfache und kostengünstige Möglichkeiten, die Energie für die Heizung und Warmwasserbereitung noch effizienter zu nutzen. Beim Energieverbrauch in Privathaushalten wird fast 90 Prozent der Energie zur Warmwassererwärmung und zur Beheizung benötigt. Darum können einige Maßnahmen große Effekte zeigen - beispielsweise die Brennstoffsubstitution. Experten prognostizieren, dass der Trend zum umweltschonenden Erdgas als dem fossilen Energieträger der Zukunft geht. Auch beim Hausbau selbst können Eigentümer durch Maßnahmen wie optimale Wärmedämmung Energie sparen.

Geringere Investitionskosten verursacht jedoch eine ausgereifte Regelungstechnik, deren Energiesparpotenzial darum aber nicht unterschätzt werden darf. Eine abgestimmte Regelung in Kombination mit einer sorgfältig ausgeführten Anlagenhydraulik steigert zudem den Wärmekomfort und die Behaglichkeit. Daneben wird so die Primärenergie optimal ausgenutzt. Die Folge: Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage steigt, bei gleichzeitig sinkendem Energieverbrauch. 

Internetinformationen:
http://www.bosch.de/junkers

A u t o r :   Dipl.-Ing. Stefan Demes, Produktmanager Regelungstechnik, Robert Bosch GmbH, Geschäftsbereich Thermotechnik, Wernau

B i l d e r :   Robert Bosch GmbH, Geschäftsbereich Thermotechnik, Wernau

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