Optimierte Regelung mit geringem Aufwand Energieeffizienz durch intelligente Regeltechnik

Neue Methoden ermöglichen nicht nur höchste Energieeffizienz bei optimaler Einhaltung der Komfortanforderungen, sondern gewährleisten auch eine längere Lebensdauer der Anlagen und erlauben eine Verlängerung der Wartungszyklen. So sind beispielsweise Ersparnisse von bis zu 15 % schon durch die Optimierung der Regelparameter zu erzielen. Im Folgenden werden die wesentlichen Einflussfaktoren zur Energieeinsparung beschrieben, die durch den Einsatz von qualitativ hochwertigen
Regelungsanlagen erzielt werden können, sowie installationsseitige Optimierungsmöglichkeiten durch den Einsatz wissensbasierter Regler.

Energieeffizienz
Die Energieeffizienz eines Gebäudes ergibt sich nicht nur aus den Wärmedämmeigenschaften von Wänden, Dach und Fenstern, der Bauweise und Ausführung (Dämmung) sowie der Größe der Außenflächen, durch die Wärme bzw. Kälte entweichen kann. Ein wesentlicher Faktor zur Steigerung der Energieeffizienz ist auch die Güte der eingesetzten Regelungstechnik.
Im Folgenden werden einige Regelalgorithmen zur Steigerung der Energieeffizienz in Heizung- und Klimaanlagen beschrieben.

Energieeffiziente Regelfunktionen
Energieeffiziente Regelungsanlagen starten die Wärmeerzeuger nur dann, wenn ein Verbraucher Wärme anfordert. Das bedeutet, dass jeder Wärmeverbraucher – sei es ein Heizkreis, eine Warmwasserbereitung, eine Lüftungsanlage oder eine Einzelraumregelung – genau dann eine Anforderung in Höhe seines Sollwertes an die Wärmeerzeuger sendet, wenn er in seiner Nutzungszeit Wärme benötigt. Da die Nutzungszeiten für jeden Verbraucher individuell einstellbar sind, wird keine unnötige Wärme bereitgestellt, was wiederum die Verlustleistungen senkt.


Kennfeld. Ausgangssignal der Wissensbasis als Funktion der beiden Störgrößeneingänge: Wann immer eine der beiden Störgrößen Durchfluss oder Temperaturdifferenz bzw. Vorlauf-/Rücklauf klein ist, ist auch das Stellsignal an den Wärmeerzeuger gering. Sind beide o.g. Störgrößen maximal, dann ist auch die höchste Kesselleistung erforderlich.

Heizkreisregelung
In den meisten Anlagen werden aus Kostengründen lediglich Heizungsregelungen mit witterungsgeführter Vorlauftemperaturregelung eingesetzt.
Neben der Dimensionierung der Heizkörper hat auch die Heizkurveneinstellung einen großen Einfluss auf die Energieeffizienz. Eine höhere Heizkörperleistung erlaubt bei einer optimierten Regelung eine schnellere Aufheizung und eine stärkere Absenkung der Vorlauftemperatur. Die geringere Vorlauftemperatur führt zu einer Reduktion der Rohrleitungsverluste, die von der Leitungslänge und der Isolationsgüte abhängt. Bei Niedertemperatur- und Brennwertkesseln lässt sich dadurch auch die Rücklauftemperatur absenken, was sich wiederum günstig auf die Abgas- und Strahlungsverluste auswirkt und eine bessere Ausnutzung der Kondensation ermöglicht.
Aus regelungstechnischer Sicht muss verstärkt auf die Einstellung der Heizkurve geachtet werden. Eine Verschiebung der Ausgangskurve um +/- 5 K verändert den Energieverbrauch um +/- 19%.
Um die Nachteile einer witterungsge-führten Vorlauftemperaturregelung abzumildern, ist es also wichtig, dass die eingesetzte Regelungstechnik den Vorlaufsollwert möglichst gering hält. Spezielle Regler, beispielsweise „Tiger“ oder „Panther“ von CentraLine, schaffen dies durch die automatische Adaption der Heizkurve, die sich somit dem Gebäude anpasst.
Mit einer witterungsgeführten Regelung ist es zudem nicht möglich, die Einflüsse der Sonneneinstrahlung, die Wärme, die durch Geräte erzeugt wird oder die Anzahl der Menschen im Raum zu erfassen. Jeder Mensch erzeugt immerhin etwa 60 – 100 W Wärmeleistung. Diese Nachteile können nur mit einer Einzelraumregelung kompensiert werden.

Pumpenregelung
Weitere Einsparungen ermöglichen bedarfsgesteuerte Heizungspumpen: In vielen Fällen laufen Pumpen 24 Stunden am Tag bei maximaler Drehzahl. Vor allem bei großen Zubringerpumpen mit über 100 kW Leistung ergibt dies ein hohes Einsparpotenzial. Bei Frostgefahr ist es zwar erforderlich, dass die Pumpen kontinuierlich durchlaufen. Doch wenn oberhalb der Frostschutzgrenze Pumpen nur dann laufen, wenn tatsächlich Energie benötigt wird, können mindestens 30 bis 60 % der verbrauchten Elektroenergie gespart werden.


Klassische Klimaanlage.

Regelung der Wärmeerzeuger
Steht im Rahmen der Modernisierung der Regelungstechnik auch eine Sanierung der Kesselanlage an, lohnt es sich, Brennwertkessel einzusetzen. Die höheren Anschaffungskosten amortisieren sich durch geringere Energiekosten innerhalb weniger Jahre. Auch alternative Wärmeerzeuger wie Wärmepumpen sollten in Betracht gezogen werden. Einzelne Regelstrategien beispielsweise enthalten Funktionen zur effizienten Regelung von Kesseln, Kesselfolgen oder der Integration alternativer und umweltfreundlicher Wärmeerzeuger. Diese werden dabei so gruppiert, dass die umweltfreundlichen immer die führenden Wärmeerzeuger sind und die konventionellen immer zur Abdeckung der Spitzenlast genutzt werden.
Die Regelstrategie sorgt dafür, dass immer nur die notwendige Wärmeleistung zur Verfügung gestellt wird und so die Wärmeerzeuger mit maximalem Wirkungsgrad arbeiten. Dies wird durch einen Vergleich der von den Verbrauchern angeforderten und von den Wärmeerzeugern zur Verfügung gestellten Wärmeleistungen erzielt. Durch möglichst lange Laufzeiten und somit durch eine möglichst geringe Anzahl von Ein- und Ausschaltvorgängen sorgt die Regelstrategie auch dafür, dass die Lebensdauer der Kessel verlängert wird.

Wissensbasierter Regelalgorithmus
Bestimmte Regler bieten auch die Möglichkeit, die Wärmeerzeuger mittels eines wissensbasierten Regelalgorithmus zu regeln. Mit diesem Regelverfahren ist eine deutliche Verbesserung des Regelverhaltens möglich. Folgekessel werden nur dann eingekoppelt, wenn tatsächlich Bedarf für weitere Kessel vorhanden ist.
Zusätzlich zu der Regelabweichung, die auch in klassischen Ansätzen ausgewertet wird, berücksichtigt der wissensbasierte Regler wichtige Störgrößen wie die Rücklauftemperatur oder den sekundärseitigen Durchfluss. Dadurch ist der Ausgang des Regelblocks die benötigte Kesselleistung der Gesamtanlage, die dann in die entsprechenden Wärmeerzeuger-Stellsignale umgesetzt wird. Die Wissensbasis, die einen beträchtlichen Anteil des Stellsignals ausmacht, wird über die Regelabweichung automatisch angepasst. Der Regelalgorithmus ist mit einem statischen Optimieralgorithmus ausgestattet, welcher bei auftretenden Regelabweichungen selbstständig Anpassungen an der Wissensbasis vornimmt. Der Regler passt sich also selbstlernend der Anlage an und die aufwändige Einregulierung der Anlagenparameter bei der Inbetriebnahme entfällt.


Kennfeldreglerausgang für des Heizregister mit drei Störgrößen:   
X1 Störung Wärmeanforderung,
X2 Störung Entfeuchtung,
X3 Störung Lüfterdrehzahl.

Die Vorteile des wissensbasierten Ansatzes in Heizungsanlagen sind:

• stabile Kesselregelung ohne Schwingungen,
• Vermeidung unnötiger Ein- und Ausschaltvorgänge bei Kesselfolgen und somit Verlängerung der Lebensdauer der Anlage und der Wartungszyklen,
• geringe Temperaturgradienten an den Kesselbauteilen (Verschleißminderung),
• optimale Kesseldurchströmung und damit optimaler Kesselbetrieb,
• genaue Sollwerthaltung, die eine bessere Regelbarkeit am Heizkreisventil erlaubt,
• konstante Verfügbarkeit von Wärme gemäß der Sollvorgaben beim ­Verbraucher,
• Senkung des Energieverbrauches durch arbeitspunktoptimale Stelleingriffe.

Effiziente Regelung von Lüftungsanlagen
Der hohe Energieverbrauch von Lüftungsanlagen ist oftmals auf eine Überdimensionierung der Lüftungsanlage zurückzuführen. Eine Reduzierung des Volumenstromes auf die erforderlichen minimalen Luftwechselraten kann 30 bis 50 % der verbrauchten
Energie einsparen. Eine optimal koordinierte Regelung von Temperatur, Feuchte und Volumenstrom kann zusätzlich 10 bis 15% sparen. 
In herkömmlichen Lüftungsanlagen arbeiten Temperatur-, relative Feuchte- und Lüfterdrehzahlregler (Volumenstromsregler) unabhängig voneinander. Mit diesem Ansatz sind Schwingungen und Energievergeudung schon vorprogrammiert. Bei der Regelung der einzelnen Komponenten von Klimaanlagen können folgende Probleme auftreten:

• gleichzeitiges Schwingen von Temperatur und relativer Feuchte,
• überhöhte Stellbewegungen bei Störungskompensation und damit unnötiger Energieeinsatz,
• starke Beanspruchung von Ventilen und Pumpen bei Schwingen der Stellgrößen (z. B. häufiges Schalten),
• ungenaue Einhaltung von Sollwerten unter Störeinflüssen.

Regler von CentraLine bieten die Möglichkeit, einen wissensbasierten Regelalgorithmus einzusetzen, der alle genannten Nachteile beseitigt und wesentlich zur effizienten Nutzung der Anlagen beiträgt. Dem Grundgedanken wissensbasierter Informationsverarbeitung folgend, wird im Klimaregler der erforderliche Stelleinsatz nicht nur von der Reglerkomponente bestimmt, sondern von der Auswertung einer Wissensbasis, die auf Expertenwissen beruht. Die vom wissensbasierten Klimaregler genutzten Größen werden im Klimaprozess gemessen, stehen somit zur Verfügung, und eine zusätzliche Sensorik ist in der Regel nicht notwendig. Die Größen werden vom Regler jedoch komplexer ausgewertet. Der Regler „weiß“ nun, dass im Zustand x das Stellsignal y auszugeben ist. Damit kann der Regler bereits reagieren, bevor die veränderte Situation Auswirkungen auf die Regelgröße hatte und beispielsweise eine unzulässige Sollwertunterschreitung eintritt.
Die parallel arbeitenden und notwendigen PI-Reglerkomponenten haben ergänzend zu dem Stellanteil der Wissensbasis nur noch eine korrigierend eingreifende Funktion. Damit verringert sich der Regelbereich beträchtlich, was positive Konsequenzen für die Arbeitsweise des Reglers hinsichtlich Stabilität und Robustheit hat.
Zur Ermittlung eines bedarfsangepassten Stellsignals für die Anlagenkomponenten wie Lufterhitzer, Luftkühler, Wärmerückgewinnung und Luftklappen muss eine Stellsequenz erzeugt werden, die Komponenten wie z. B. Wärmerückgewinnung oder Mischklappen vollständig ausnutzt, bevor energetisch aufwendigere Anlagenteile angefordert werden.

Bei besserer Regelgüte wird durch den wissensbasierten Regler weniger Energie benötigt als mit konventionellen PID-Reglern. Man erreicht eine hohe Regelgüte durch:
• schnelles Ausregeln,
• geringes Überschwingen,
• moderate Stellsignale an den Stellventilen (minimale Amplituden, ruhiges Stellverhalten),
• geringe Beeinflussung der Teilprozesse Erhitzen, Kühlen, sowie Be- und Entfeuchten untereinander und damit Senkung vermeidbarer Störungen,
• hohe Robustheit des Reglers gegenüber Störwirkungen,
• Reduzierung unnötigen Energieeinsatzes durch optimale Koordination der Luftbehandlungen,
• Minderung des Anlagenverschleißes durch moderat bewegte Stellglieder. 

CO₂-Regelung und Wärmerückgewinnung
Ein Einsparpotenzial von 30 bis 50 % kann auch durch den Einsatz einer CO2-Regelung erzielt werden. Diese Regelung übersteuert den Außenluftanteil und den Volumenstrom durch die Drehzahl der Lüfter. Dadurch wird Frischluft nur dann zugeführt, wenn der CO₂-Sollwert unterschritten wird. Die Nutzung einer Wärmerückgewinnung mit hohem Wirkungsgrad (diese kann bis zu 80 % beim Einsatz von Brennwertkesseln sein) oder eine freie Nachtkühlung können weiter zur Steigerung der Energieeffizienz führen.

Regelmäßige Inspektion und Wartung
Ein wichtiger Baustein, um hohe Energie-effizienzwerte zu erhalten, ist die regelmäßige Wartung der Anlagen. Beim Einsatz moderner Regelungstechnik können die Wartungspläne direkt in die Regler eingegeben wird. Für jeden einzelnen Schaltbefehl oder jeden Antrieb kann so ein Wartungsintervall definiert werden. Nach Ablauf des Wartungsintervalls wird auf dem Regler ein Wartungsalarm ausgegeben. Diese wird nur aktiviert, wenn mit dem Kunden vereinbart wird, dass eine regelmäßige Wartung gewünscht wird. Diesen effektivsten Einsatz von Wartungsplänen gewährleistet nur eine Gebäudeleittechnik.

Anforderungen steigen
Die Zeit der niedrigen Energiepreise wird nicht lange anhalten und sie werden wieder steigen. Aber auch aus Gründen des Umweltschutzes muss die Energieeffizienz von Gebäuden permanent erhöht werden, was zahlreiche Regierungen weltweit erkannt haben und in Programmen zur Gebäudesanierung fordern und fördern. Einsparungen in Gebäuden können durch den Einsatz optimierter Regelung mit relativ geringem Aufwand erreicht werden. Eine moderne und effiziente Regelungs- und Gebäudeleittechnik leistet einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz in Gebäuden. Sie bietet bewährte und ausgiebig getestete Regelfunktionen, die den höchsten Anforderungen der Energieeffizienz gerecht werden.



Autor: Edgar Mayer ist Product Manager bei CentraLine c/o Honeywell GmbH

Bilder: CentraLine

Kontakt: CentraLine - Honeywell GmbH, 71101 Schönaich, Tel. 07031 637456, Fax 07031 637546, info-d@centraline.com, www.centraline.com