Heizungsregelung und Warmwasserbereitung

Unsere Fußbodenheizung wird durch ein Funktionsmodul Heizkreisregler FBHEIZ der UVR1611 gesteuert. Die Vorlauftemperatur wird dabei über einen Mischer A8/A9 geregelt, der warmes Wasser in den Heizkreis mischt und so die Vorlauftemperatur auf ihrem Sollwert hält. Wärmequelle ist dabei der Pufferspeicher oder die Gasbrennwerttherme, falls der Puffer leer ist. Der Heizkreisregler FBHEIZ bekommt zudem die Aussentemperatur S 12, um über die Heizkennlinie die Vorlaufsolltemperatur zu berechnen. Zusätzlich wird die Heizkreispumpe A 7 geschaltet. Diese passt ihre Leistung selbständig an die Erfordernisse an.

Regelung Heizungsanlage Teil 1

Die Funktion Anforderung Heizung HZ_ANF prüft, ob die Heizung aus dem Pufferspeicher als Wärmequelle betrieben werden kann (S 6) oder ob die Gastherme aktiviert werden muss. Dazu wird der aktuelle Wert der Vorlauftemperatur S 10 mit dem Sollwert verglichen, der vom Heizkreisregler FBHEIZ errechnet wurde. Der Gasbrenner wird angefordert, wenn die Vorlauftemperatur S 10 deutlich unter ihren Sollwert absinkt, der Wärmebedarf also nicht mehr aus dem Puffer gedeckt werden kann. Als Abschalttemperatur dient die Temperatur in der Mitte des Puffers S 6, denn aus diesem Bereich wird die Wärme für den Heizbetrieb bezogen. Zusätzlich ist in diesem Modul noch eine geringfügige Unterdeckung konfiguriert. Dies fördert die Stabilität des Systems, weil kurzzeitige Temperaturschwankungen der Puffermitte (z.B. durch Strömungseffekte oder Schalten von Pumpen oder Ventilen der Solaranlage) nicht sofort zu einer Anforderung der Gastherme führen. In Kombination mit den Schaltschwellen ist es auf diese Weise auch möglich, den Pufferspeicher bis auf einige Grad unterhalb der Vorlaufsolltemperatur zu leeren bevor der Brenner aktiviert wird.

Die Leistungssteuerung der Gastherme erfolgt über ein 0-10V-Signal A 15, das von der PID-Regelung Brenner1 erzeugt wird. Der Regler wird als Differenzregler betrieben, wobei die Vorlauf-Solltemperatur den größeren und die tatsächliche Vorlauftemperatur S 10 den kleineren Wert der Differenzbildung bestimmen. Steuergröße ist die tats&amul;chliche Vorlauftemperatur S 10, wobei für die Differenz ein kleiner positiver Wert (ca. 0.5°C) eingestellt ist. Damit wird die Leistung der Gasbrennwerttherme A 15 so geregelt, dass die tatsächliche Vorlauftemperatur S 10 geringfügig unter der errechneten Vorlaufsolltemperatur liegt. Die Heizkurve im Heizkreisregler FBHEIZ wurde um diese Differenz nach oben verschoben, so dass die Heizung mit der korrekten Vorlauftemperatur betrieben wird.

Dieser Trick ist auf Grund des Hydraulikschemas notwendig, denn die Vorlauftemperatur wird sowohl von der Stellung des Mischers A8/A9 beeinflusst, geregelt vom Heizkreisregler FBHEIZ, als auch von der Temperatur S 9 auf der Zuführungsleitung , geregelt von der PID-Regelung Brenner1 wenn der Gasbrenner aktiv ist. Somit wirken zwei unabhängig gesteuerte Regelgrößßen auf dieselbe Steuergröße S 10, was zu unerwünschtem Regelverhalten führen kann. Durch die unterschiedlichen Sollwerte der beiden Regelungen wird jedoch eine Priorisierung der beiden Regelungen erreicht, was zu folgendem erwünschten Verhalten führt:

  • Sofern der Pufferspeicher noch ausreichend Wärme bereitstellen kann, bleibt die Gastherme aus. Die Versorgung der Fußbodenheizung erfolgt aus dem Puffer und der Heizkreisregler FBHEIZ hält über den Mischer A8/A9 die Vorlauftemperatur S 10 konstant.
  • Weil aus dem Pufferspeicher Wärme entnommen wird, sinkt die Temperatur des Wassers, das der Fußbodenheizung über den Mischer zugeführt wird, mit der Zeit ab. Der Heizkreisregler FBHEIZ kompensiert das durch Öffnen des Mischers A8/A9, um die Vorlauftemperatur S 10 auf ihrem Sollwert zu halten.
  • Wenn die Vorlauftemperatur S 10 aus dem Puffer nicht mehr gehalten werden kann, aktiviert die Anforderung Heizung HZ_ANF die PID-Regelung Brenner1 und damit den Brenner A 15. Der Mischer A8/A9 ist zu diesem Zeitpunkt bereits vollständig geöffnet.
  • Die PID-Regelung Brenner1 regelt die Brennerleistung A 15 soweit herauf, dass die Vorlauftemperatur S 10 im Heizkreis wieder fast ihren Sollwert erreicht. Sie bleibt allerdings um die erwähnten ca. 0.5°C darunter, so dass der Heizkreisregler FBHEIZ den Mischer A8/A9 weiterhin vollständig geöffnet hält. Der Brenner erzeugt also genau so viel Wärmeenergie, wie die Fußbodenheizung gerade abnimmt.
  • Falls der Brenner durch die PID-Regelung Brenner1 soweit heruntergeregelt wird, dass er am unteren Ende seines Modulationsbereiches arbeitet, und dabei dennoch mehr Wärmeenergie erzeugt wird, als die Fußbodenheizung abnehmen kann, dann wird die Vorlauftemperatur S 10 ansteigen. Steigt sie um mehr als ca. 0.5°C an, dann beginnt der Heizkreisregler FBHEIZ damit, den Mischer A8/A9 zu schließen, damit die Vorlauftemperatur auf ihrem Sollwert bleibt.
  • Weil Gastherme, Puffer und Fußbodenheizungen hydraulisch parallel geschaltet sind, wird in diesem Fall die überschüssige Wärme automatisch in den Puffer geleitet. Der Brenner wird erst abgeschaltet, wenn genügend Wärme im Puffer eingelagert wurde um damit die Heizung betreiben zu können (S 6). Damit wird ein Taktbetrieb des Brenners bei Modulation an der unteren Leistungsgrenze vermieden.

Durch die Timerfunktion VERZG1 wird die Freigabe der PID-Regelung Brenner1 um einige Minuten verzögert, während die Anforderung selbst direkt in die Analogfunktion Max(An)3 geleitet wird. Dies bewirkt, dass der Brenner mit minimaler Leistung an der Untergenze seines Modulationsbereichs gestartet wird und seine Leistung (A 15) erst nach Ablauf einiger Minuten auf den erforderlichen Wert hochgeregelt wird. Da die Zuführungsleitungen und der Brenner selbst beim Start noch kalt sind, dauert es eine gewisse Zeit, bis die Wärme im Heizkreislauf ankommt. Würde die PID-Regelung gleichzeitig mit dem Brennerstart aktiviert, so würde sie die Brennerleistung unnötig stark hochregeln und eine Leistungsspitze erzeugen.

Warmwasser wird über eine Frischwasserstation erzeugt. Die dazu nötige Wärmemenge wird dem oberen Teil des Pufferspeichers entnommen, der deshalb auf Warmwassertemperatur gehalten wird. Dies erfolgt soweit möglich über die Solaranlage. Wenn deren Leistung nicht ausreicht, dann wird erfolgt die Erwärmung dieses Pufferbereiches über die Gastherme.

Regelung Heizungsanlage Teil 2

Der Einsatz des Gasbrenners erfolgt nach einem ähnlichen Algorithmus wie bei der Fußbodenheizung, der Sollwert ist hier allerdings fest vorgegeben und unabhängig von der Außentemperatur. Über die Anforderung WW_ANF wird geprüft, ob der Puffer oben (S 7) eine ausreichende Temperatur besitzt. Wenn nicht, dann wird der Brenner A 15 gestartet und über die PID-Regelung Brenner2 so geregelt, dass die Wassertemperatur am Ausgang der Gastherme S 9 den effektiven Sollwert der Warmwassertemperatur erreicht. Das Wasser wird also nicht stärker erwärmt als erforderlich und der Brennwerteffekt wird besser ausgenutzt. Weil das von der Therme erwärmte Wasser oben in den Puffer eingespeist wird, verschiebt sich im Verlauf des Vorgangs die Schichtung im Puffer nach unten. Das zur Therme strömende und von dieser erhitzte Speicherwasser wird also zunehmend wärmer, weshalb die Leistung der Gastherme geregelt und im Verlauf des Vorgangs zurückgenommen werden muss.

Damit für die Warmwasserbereitung nur ein möglichst geringes Wasservolumen aufgeheizt werden muss, werden über die beidem Umschaltventile A 3 und A 5 Vor- und Rücklauf der Gastherme in den oberen Pufferbereich verlegt. Diese zieht daher Speicherwasser vom unteren Ende des Warmwasserbereichs im Puffer an und speist es nach Erwärmung von oben in den Puffer ein. Die Umschaltventile werden über thermische Stellmotoren geschaltet, so dass der Umschaltvorgang erst mit einer Verzögerung erfolgt. Die einzelnen Funktionen bewirken folgendes Schaltverhalten:

  • Die Anforderung WW_ANF schaltet ein, sobald der Puffer im oberen Teil (S 7) nicht mehr warm genug für die Warmwasserbereitung ist. Die Freigabe der WW-Bereitung kann in bestimmten Situation blockiert werden, siehe unten.
  • Die Logikfunktion ODER6 übernimmt die Anforderung und erzeugt daraus ein positives und negatives Schaltsignal zur Umschaltung der beiden Ventile A3 und A5. Das positive Schaltsignal wird an die Analogfunktion Max(An)3 gegeben, die daraufhin den Brenner mit minimaler Leistung startet.
  • Die Timerfunktion VERZG2 verzögert die Freigabe der PID-Regelung Brenner2, bis die Umschaltung der Vertile vollzogen ist. Gleichzeitig gibt sie ein Schaltsignal an die Analogfunktion Max(An)3, wodurch dort eine Untergrenze für die Brennerleistung erzeugt wird. Der Regelbereich der PID-Regelung Brenner2 kann so unter die Untergrenze des Modulationsbereichs des Brenners ausgedehnt werden, ohne dass eine zu geringe Leistung beim Brenner angefordert und dieser daraufhin abschalten/takten würde. Dadurch verbessert sich die Dynamik der Regelung speziell an der Untergrenze der Brennerleistung. Zusätzlich blockiert die Timerfunktion VERZG2 über die Logikfunktion UND1 die Brenneranforderung für die Heizung. Dies ist notwendig, damit während der Warmwasserbereitung die PID-Regelung Brenner1 für den Heizungsbetrieb deaktiviert wird, weil diese bei gleichzeitig vorliegender Heizungsanforderung während der Warmwasserbereitung den Brenner auf hohe Leistung regeln würde, da in diesem Fall auf Grund der umgeschalteten Hydraulik kein geschlossener Regelkreis vorliegt.
  • Die Timerfunktion TIMER1 erzeugt aus dem Anforderungssignal einen mehrere Minuten langen Impuls, der die Freigabe der Heizkreispumpe A 7 blockiert. Dies bewirkt ein Schließen des Mischers A8/A9 und einen Stillstand der Heizkreispumpe A 7, während der Brenner startet und auf die hohe (im Vergleich zur FBH) Temperatur des Warmwasseres hochregelt. Dadurch wird verhindert, dass heißes Wasser in den Heizkreis gelangt, weil der Heizkreisregler FBHEIZ den Mischer A8/A9 nicht schnell genug schließen würde. Nach Ablauf der Timerfunktion TIMER1 wird der Heizkreisregler FBHEIZ wieder freigegeben, so dass dieser beginnt, den Mischer langsam wieder zu öffnen. Dadurch wird während der Warmwasserbereitung der Heizkreis aus dem Pufferspeicher weiterbetrieben. Die Timerfunktion TIMER1 triggert zusätzlich auf die negative Flanke des Schaltsignals, so dass auch zum Ende der Warmwasserbereitung der Heizkreis kurz gestoppt wird. So wird verhindert, dass heisses Wasser von der Warmwasserbereitung in den Heizkreis gelangt, das sich noch im Brenner und in den Rohren befindet.
  • Die PID-Regelung Brenner2 steuert die benötigte Brennerleistung für die Warmwasserbereitung. Sie wird erst verzögert nach der Anforderung freigegeben, damit ausreichend Zeit für die Umschaltung der Hydraulik durch die Ventile A3 und A5 besteht.
  • Die Analogfunktion Max(An)3 sammelt die Regelgrößen der beiden PID-Regler sowie die Schaltsignale der Brenneranforderungen. Die Schaltsignale bewirken jeweils das Einschalten des Brenners mit minimaler Leistung, auch wenn die zugehörigen PID-Regelungen erst mit Verzögerung aktiviert werden und deshalb noch kein Ausgangssignal liefern. Sollte der Brenner bereits aktiv sein, so verhindern sie ein kurzzeitiges Ausschalten und erneutes Starten des Brenners beim Umschalten zwischen Heizungsbetrieb und Warmwasserbereitung. Auf diese Weise kann die Anzahl der Brennerstarts stark gesenkt werden, der Brenner wird so lange wie möglich in Betrieb gehalten und lediglich in seiner Leistung reguliert und dem jeweiligen Betriebsmodus Warmwasser oder Heizung angepasst. Sofern die Leistung abgenommen wird, kann so eine durchgehende Brennerlaufzeit von mehreren Tagen erzielt werden.

Hydraulikschema Heizung und Warmwasser

A 3 A 5 A 7 A 9 A 8 A 15 S 5 S 6 S 7 S 9 S 10
updated 15.03.2016 Sitemap