Fortschritte in der Heiztechnik

Innovative Regelkonzepte schaffen Energieeinsparung und Bedienkomfort

Bereits Mitte der 80er-Jahre wurde bei den analogen Regelgeräten begonnen, die Modulbauweise einzuführen, deren Einsatz mit der Digitalisierung ausgeweitet wurde. Sie ermöglicht die Anpassung der Regelgeräte an die jeweiligen Anforderungen.

Wurde die Wärmeabgabe von Heizsystemen früher nur über die manuelle Zugabe von Brennstoff reguliert, so kann die Beheizung heute über Regelprogramme den jeweiligen noch so individuellen Bedürfnissen automatisch angepasst werden. Aber nicht nur die zeitliche Abstimmung des Heizverhaltens, auch komplexe Steuer-, Regel- und Überwachungsfunktionen des Wärmeerzeugers und des Wärmeverteilsystems gehören zum selbstverständlichen Leistungsumfang moderner Regelgeräte. Doch die Entwicklung ist damit noch nicht zu Ende.

Digitaltechnik als Optimierungsquelle

Noch vor einigen Jahren wurde den heiztechnischen Anforderungen mit analogen Regelungsgeräten begegnet. Ein großer Fortschritt war die in den 90er-Jahren eingeführte Digitalisierung, die auch vor der Heizungsregelung nicht halt gemacht hat. Damit eröffneten sich völlig neue Möglichkeiten, eine Fülle von Funktionen in die Heizungsregelung zu integrieren. In Analogtechnik ausgeführte Regelmodule waren meist nur auf eine Funktion mit begrenztem Leistungsumfang beschränkt. Die in digitalen Regelmodulen enthaltenen Mikroprozessoren sind hingegen sehr viel leistungsfähiger und können mit vielfältigen Programmvarianten ausgestattet werden.

Entwicklungsschritte der Heizungsregelung. Die seit den 90er-Jahren allgemein in der Elektronik eingehaltene Digitalisierung schaffte die Voraussetzung für vielfältige Optimierungsprozesse.

Abstimmung des Gesamtsystems

Die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Verbrennungstechniken sowie auch von regenerativen Heiztechniken haben mittlerweile ein sehr hohes technisches Niveau erreicht, das in naher Zukunft kaum mehr wesentlich zu steigern ist. Weitere Verbesserungen und Energieeinsparungen sind deshalb eher über die Optimierung des Gesamtsystems zu erwarten. Ein Beispiel hierfür ist die Ertragssteigerung, die durch ein dynamisches Regelkonzept bei Heizungsanlagen mit solarunterstützter Trinkwassererwärmung erreicht wurde. Eine solche Anlage ist so aufgebaut, dass ein bivalenter Speicher-Wassererwärmer über den unteren Wärmetauscher durch die Solaranlage und im Bedarfsfall über den oberen Wärmetauscher durch den Wärmeerzeuger beheizt wird. Im Speicher befinden sich zwei Temperaturmessstellen, die jeweils auf der Höhe eines Wärmetauschers angebracht sind. Im solarthermischen Anlagenteil wird die untere Speichertemperatur mit der Temperatur im Sonnenkollektor verglichen. Besteht eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz, veranlasst die Regelung die Aufladung des Speichers über die Kollektoren. Die Beheizung durch den Wärmeerzeuger erfolgt erst dann, wenn die Temperatur am oberen Speicherfühler einen eingestellten Sollwert unterschreitet.

In herkömmlichen Anlagen werden die Solaranlage und der Wärmeerzeuger jedoch autark voneinander geregelt. Es findet kein Abgleich zwischen beiden Anlagenteilen statt. So kann es vorkommen, dass an sonnigen Tagen zwar genügend Solarenergie zur Beheizung des Speichers zur Verfügung steht, aber die Temperatur am oberen Speicherfühler durch verschiedene Zapfungen kurzfristig unter den Sollwert abfällt. Aufgrund des mangelnden Informationsaustausches wird in diesem Fall der Wärmeerzeuger unnötig zugeschaltet. Dieses Regelverhalten kann durch eine bessere Abstimmung der Anlagenkomponenten optimiert werden. In solchen Regelgeräten wird die Regelung der Solaranlage mit der des Wärmeerzeugers intelligent verknüpft und ein unnötiges Nachheizen durch den Wärmeerzeuger vermieden.

Aufbau einer Heizungsanlage mit solarunterstützter Trinkwassererwärmung. Durch eine intelligente Verknüpfung der Regelungen von Solaranlage und Wärmeerzeuger kann der Energieverbrauch gegenüber konventionellen Temperaturdifferenzregelungen um bis zu 10% gesenkt werden.

Stabilisierung der Verbrennungsqualität

Auch im Bereich der Gasverbrennung hat in letzter Zeit ein Entwicklungsergebnis Aufmerksamkeit erregt, das auf ein innovatives Regelkonzept zurückzuführen ist. Die Rede ist hier von der multigas-Technik. Es ist darunter eine Verbrennungstechnik zu verstehen, die ihre Arbeitsweise den jeweiligen Umgebungsbedingungen anpassen kann. Gasbrenner werden üblicherweise durch entsprechende Einstellarbeiten auf die in der jeweiligen Region festgelegte Gasart abgestimmt. Die Beschaffenheit der im Versorgungsnetz vorherrschenden Gasart ist jedoch in der Praxis einem gewissen Schwankungsbereich unterworfen. Somit sind auch die Verbrennungsergebnisse zu unterschiedlichen Zeiten nicht homogen. Neben der Gasbeschaffenheiten haben bei atmosphärischen Brennern zusätzlich noch Verschmutzungen am Brennstab sowie der vom Wetter abhängige Schornsteinzug ähnliche Auswirkungen auf den Verbrennungsprozess.

Mit der multigas-Technik ist nun eine Austauschbarkeit der unterschiedlichen Gasarten ohne Stabilitätsprobleme oder Beeinflussung der Verbrennungsqualität möglich. Bei der Entwicklung ist es gelungen, eine Beziehung zwischen dem Ionisationssignal der Flammenüberwachung und der Luftzahl, also dem Verhältnis der dem Gas beigemischten Verbrennungsluftmenge, herzustellen. Das Ergebnis ist eine elektronische Verbrennungsregelung, die permanent den Ionisationsstrom der Flammenüberwachung intelligent auswertet. So ist es möglich, den aktuellen Verbrennungszustand mit den optimalen Verbrennungsbedingungen zu vergleichen und Änderungen über eine Variation der Gaszufuhr auszugleichen. Für die Markteinführung wurde bei Buderus zunächst ein atmosphärischer Brenner eines Niedertemperaturkessels mit der neuen Technik ausgestattet. Theoretisch ist der Einsatz aber bei sämtlichen Gas-Vormischbrennern denkbar.*

Vereinheitlichung der Bedienungsführung

Die mit dem Einzug der Digitaltechnik zugenommene Fülle an Funktionen und Programmen bietet zwar vielfältige Vorteile für die Heiztechnik, kann den Nutzer aber auch überfordern und abschrecken. Aus diesem Grund waren schon zu Beginn der Digitalisierung einfache Bedien- und Einstellführungen gefragt. So können Regelgeräte üblicherweise durch den Einsatz von Modulen um bestimmte Funktionen ergänzt und so den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Zudem werden Regelgeräte meist auf die speziellen Betriebserfordernisse zugeschnitten, indem ein Großteil der Funktionen bereits werksseitig fest programmiert ist. Auch soll die Anordnung der Funktionen auf verschiedenen Ebenen, die je nach Interessenlage vom Betreiber, Installateur oder Hersteller aktiviert werden können, die Bedienungsfreundlichkeit unterstützen. Weiterhin tragen einfache Bedienphilosophien wie die Einstellung durch "Drücken und Drehen" dem Sachverhalt Rechnung.

Trotz dieser vielen Maßnahmen zur Vereinfachung der Bedienung wurden Regelgeräte für wandhängende Heizkessel - aufgrund spezifischer Anforderungen - meist anders ausgeführt als bei bodenstehenden Heizkesseln. Entsprechende Unterschiede stellen sich dadurch auch bei den Bedienungsweisen ein. Insbesondere für Heizungsfachbetriebe, die sowohl bodenstehende als auch wandhängende Heizkessel installieren, ist dies immer wieder mit einer Umstellung auf das jeweilige Regelsystem verbunden. Hieraus lässt sich die Forderung nach einem einheitlichen systemübergreifenden Regelkonzept ableiten. Eine solche Entwicklung stellt Buderus mit dem Energie-Management-System (EMS) vor. Der Einsatz der neuen Regelgerätegeneration beschränkt sich noch auf wenige Produkte, soll aber sukzessiv ausgeweitet werden.

Um trotz des einheitlichen Regelkonzeptes den jeweiligen Anforderungen von wandhängenden und bodenstehenden Wärmeerzeugern gerecht zu werden, wurden diese mit unterschiedlichen Brennerautomaten ausgestattet, die aber hinsichtlich Bedienung und Einstellung nicht sichtbar in Erscheinung treten. So sind alle Anlagenfunktionen über die gleiche Bedieneinheit regelbar. Zur Vereinfachung von Wartung und Diagnose werden wichtige Informationen in Klartext angezeigt. Auch werden die letzten Fehlermeldungen gespeichert, um Problemanalysen zu vereinfachen und Betriebsvorgänge nachvollziehbar zu machen. Neben diesen Störungsmeldungen können aber auch vielfältige Betriebsparameter wie z.B. die Temperaturen von Kessel und Sicherheitstemperaturbegrenzer oder der Ionisationsstrom der Flammenüberwachung abgefragt werden. Selbst ein Anstieg der Abgastemperatur wird registriert und führt zu der Aufforderung, den Kessel im Rahmen einer Wartung reinigen zu lassen.

Die digitale Regelung der multigas-Technik wertet permanent den Ionisationsstrom der Flammenüberwachung aus und stabilisiert die Verbrennungsqualität. Daraus ergeben sich u.a. vereinfachte Anschlussbedingungen, ein konstant hoher Wirkungsgrad, niedrigere Schadstoffemissionen und ein geringerer Brennstoffverbrauch

Fazit

Mit dem Entwicklungsschritt des vereinheitlichten Regelkonzeptes beginnt ein neues Zeitalter, bei dem die Trennung zwischen wandhängenden, bodenstehenden, gas- und ölbetriebenen sowie regenerativen Wärmeerzeugern überwunden ist. Für Installateure wird es künftig keine Rolle mehr spielen, ob sie sich mit der gesamten Produktpalette beschäftigen oder sich auf ein Segment spezialisiert haben. Ist erst einmal die Kenntnis über die Regeltechnik eines Produktes erworben, so kann diese automatisch auch auf alle anderen angewandt werden. Damit entfällt die Auseinandersetzung mit verschiedenen Ausführungsvarianten. Dies kommt ferner dem Systemgedanken zugute, der von einer weitgehend freien Kombinierbarkeit aller Anlagenkomponenten ausgeht.

*Die Multigas-Technik wurde in der IKZ-HAUSTECHNIK 19/03 unter dem Titel "Nimmt jede Gasart und liefert beste Verbrennungswerte" ausführlich beschrieben.

T e x t u n d B i l d e r : Buderus Heiztechnik GmbH, Wetzlar

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