Regelung der Raumtemperatur

Übersicht

Die Regelung der Vorlauftemperatur (d.h. der Temperatur des Heizungswassers) in Abhängigkeit der Außentemperatur ist bereits ein alter Hut. Und früher war dies der einzige Automatismus bei der Regelung von Fußbodenheizungen. Eine individuelle Regelung der Raumtemperatur gab es selten. Inzwischen verlangt die Wärmeschutzverordnung allerdings ausdrücklich eine separate Temperaturregelung für jeden Raum. Da bei Flächenheizungen die Ventile am zentralen Heizkreisverteiler sitzen, kann man leider nicht einfach ein Thermostatventil, wie es an Heizkörpern zum Einsatz kommt, anstecken, denn die Messung der Temperatur und die Betätigung des Ventils müssen räumlich getrennt werden. Im folgenden beschreibe ich meine persönliche Lösung, die im Zusammenhang mit dem Artikel Steuerung von Heizung und Solaranlage mit Linux gesehen werden muss.

Temperaturverlauf von Raum- und Außentemperatur

Temperaturverlauf der Raum- und Außentemperatur im Februar 2008. Der Sollwert der Raumtemperatur liegt im Bereich 20.1°C bis 20.5°C und wird von den beiden braunen Linien hervorgehoben. Die Raumtemperatur liegt praktisch immer innerhalb dieses Bereichs, obwohl sich die Außentemperatur im dargestellten Bereich um fast 20°C ändert. Lediglich an sonnigen Tagen überschreitet die Raumtemperatur die Obergrenze. Ohne die zusätzliche Regelung der Heizkreise (d.h. nur mit der Regelung der Vorlauftemperatur) würden die Schwankungen wesentlich größer ausfallen.

Regelung der Heizkreise

Das Öffnen und Schließen der einzelnen Heizkreise übernehmen sogenannten thermische Stellantriebe, die auf dem Heizkreisverteiler sitzen. Diese Antriebe gibt es für die Betriebsspannungen von 24V DC und 230V AC und in den Ausführungen “stromlos offen” und “stromlos geschlossen”. Meine Stellantriebe arbeiten mit 24V DC und sind stromlos (d.h. ohne 24V) geschlossen. Allen Ausführungen gemeinsam ist, dass sich bei angelegter Betriebsspannung ein kleiner Plastikbolzen um einige Millimeter aus dem Stellantrieb heraus oder hinein bewegt. Ist der Stellantrieb auf einem Ventil eines Heizkreisverteilers oder Heizkörpers montiert, dann bewegt der Plastikbolzen den Metallstift des Ventils und kann es dadurch öffnen und schließen.

Leider kennen die Stellantriebe in ihrer einfachsten Ausführung nur die Stellungen ganz offen und ganz geschlossen. Zwischenstellungen (50% offen/halber Durchfluss) sind nicht möglich, nicht mit variabler Betriebsspannung und nicht mittels “schneller” Pulsweitenmodulation. Um trotzdem die Heizleistung kontinuierlich zu regeln, verwendet man eine “langsame” Pulsweitenmodulation: In meiner Anlage beträgt die Periodendauer 20 Minuten. Um den mittleren Durchfluss zu halbieren und damit die Heizleistung auf etwa die Hälfte zu senken, ist das Ventil für 10 Minuten offen und danach für 10 Minuten geschlossen. Die Periodendauer zu verkleinern (z.B. 1 Minute auf, 1 Minute zu) funktioniert leider nicht, da die Stellantriebe sehr träge reagieren und für eine Zustandsänderung bis zu fünf Minuten brauchen. Da ich nur Flächenheizungen ansteuere, die prinzipbedingt relativ träge sind, ist die Periodendauer von 20 Minuten kein Problem.

Regelung der Raumtemperatur

Mit dem oben beschriebenen Verfahren lässt sich die Heizleistung quasi-kontinuierlich regeln. Jetzt muss nur noch der gewünschte mittlere Durchfluss in Abhängigkeit von der Raumtemperatur bestimmt werden. Dazu habe ich eine Soll-Temperatur z.B. 20,3°C festgelegt. Diese Soll-Temperatur liegt in der Mitte eines Bereichs von 0,4°C Breite, der die erlaubte Raumtemperatur abdeckt. In diesem Fall darf die Raumtemperatur zwischen 20,1°C und 20,5°C betragen.
Liegt die Raumtemperatur darüber, schließt der Stellantrieb das Ventil dauerhaft. Liegt sie darunter, öffnet der Stellantrieb das Ventil dauerhaft. Liegt die Raumtemperatur zwischen 20,1°C und 20,5°C, dann wird die Heizleistung entsprechend zwischen 0% (bei 20,5°C) und 100% (bei 20,1°C) gewählt. Die Formel für die Berechnung des mittleren Durchflusses bzw. der erforderlichen Heizleistung in Prozenz lautet

Erforderliche Heizleistung = (T_soll+0,2 – T_ist) / 0,4 * 100%

mit der Soll-Temperatur T_soll in °C (in diesem Beispiel 20,3) und der gemessenen Raumtemperatur T_ist. Bei einer Raumtemperatur von 20,2°C ergibt sich daraus z.B. eine Heizleistung von 25% was wiederum bedeutet, dass der Stellantrieb für 25% von 20 Minuten = 5 Minuten geöffnet wird und anschließend 15 Minuten geschlossen bleibt.

Um die Trägheit des Stellantriebs kümmere ich dabei nicht: Bei einem sehr geringen Heizbedarf kann es passieren, dass die entsprechend kurze “Offen-Zeit” nicht ausreicht, um das Ventil tatsächlich zu öffnen. In diesem Fall kühlt der Raum etwas weiter ab, bis die “Offen-Zeit” lange genug ist, um den Stellantrieb zu öffnen. Die Raumtemperatur bleibt dabei aber weit über der Soll-Temperatur. Ähnliches gilt für sehr hohe Heizleistungen. In diesem Fall reicht die Zeit nicht aus, das Ventil zu schließen. In der Praxis sind diese Fälle ohne Bedeutung.

Zu erwähnen ist noch, dass durch die Stellantriebe während des Öffnens ein wesentlich größerer Strom fließt als in vollkommen geöffnetem Zustand. Das Öffnen kann unter Umständen einige Minuten dauern. Da ich mit 24V Antrieben arbeite, muss ich das Netzteil an die maximale Leistungsaufnahme der Stellantriebe anpassen und entweder so auslegen, dass ich alle Stellantriebe gleichzeitig öffnen kann, oder per Software verhindern, dass alle Stellantriebe synchron geöffnet werden, z.B. indem jeder Stellantrieb seinen 20-Minuten-Zyklus zu einem anderen Zeitpunkt startet.

 

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