Elektro Regler Regler Regler Regler Regler. Heizung. Lüftung. (Leistungsregelung)

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2 Energetische Gebäudesanierung Aufgaben In den nächsten 20 Jahren steht die Sanierung von 50% des Gebäudebestandes in Deutschland an. Das jährliche Investitionsvolumen im Bestand steigt von jetzt auf 29 Milliarden Euro ein enormes Auftragspotential! Energetische Gebäudesanierung - Aufgaben Behaglichkeit Sicherheit Energieeinsparung Leittechnik Elektro Regler Regler Regler Regler Regler Gas Kessel Wirkungsgrad Energiespeicher Netzpumpen Heizung Lüftung (Leistungsregelung) (Leistungsregelung) Trinkwasser- Erwärmung (Thermische Desinfektion) Druck (F)- erhöhung (Stetige Regelung) Ein wesentlicher Anteil an der Energetischen Sanierung liegt im Bereich der Regel- und Leittechnik, verbunden mit einem angemessenen Dienstleistungseinsatz. Die Aufgabenstellung an die Regeltechnik hat sich deutlich gewandelt und erzeugt andere Regeltechnologien. Während früher günstige Investitionskosten im Vordergrund standen, dominieren zunehmend Regler, die geringe Betriebskosten gewährleisten. Derartige Regelsysteme werden nicht mehr über den günstigsten Errichtungspreis ausgewählt, sondern über eine gute Amortisation. Warum bewährte Regelprinzipien ändern? Ziel jeder Regelung: Funktion bei den geringsten Kosten Projektoptimierung technisch - kaufmännisch (Aufgabenstellung, Planung, Verhandlung) Anteile am Aufwandt Funktion (fortlaufend) Investkosten (einmalig) Betriebskosten (fortlaufend) Investkosten (einmalig) Betriebskosten (fortlaufend) Finanzierung (mehrjährig) Instandhaltung (fortlaufend) 80% 20% falsch 20% 80% richtig Regelprinzipien werden geändert, wenn Funktion oder Kosten nicht optimal sind!

3 Leistungsregler varecon lr Nutzen über die Gebäudekosten Gebäudekosten über 40 Jahre bei Vorlauftemperaturregelung Invest 0Mio., Kosten 00 Mio. Gebäudekosten über 40 Jahre bei Wärmeleistungsregelung Invest 0,2Mio., Kosten 96Mio., Nutzen 8Mio. Instandhaltung 25% (25Mio, ) Finanzierung 5% (5Mio. ) Her-stellung 0% (0Mio. ) Betriebskosten 50% (50Mio. ) Wärme Elektro Wasser Tarife plus 0,3% 0,3Mio. plus 0,2% 0,2Mio. Einsparung 4% 4Mio. mit Anlagezinsen 8Mio. Kritische Betrachtungen der immer noch verbreiteten, temperaturgeführten Regelsysteme und deren Dimensionierung zeigen Vereinfachungsfehler auf, die nicht mehr zu tolerieren sind. Wärmebedarfsermittlungen auf stationärer Basis führen zu überdimensionierten Anlagen, die dann von diesen Regelsystemen satt mit Wärmeenergie betrieben werden. Mangelnde Transparenz auf Grund fehlender übersichtlicher Leittechnik verhindert noch dazu die Erkenntnis dieses Zustandes. Um hier weiter zu kommen, muss man den unbequemeren Weg gehen - instationäre Erfassung der Betriebszustände und der daraus resultierenden Kosten. 2

4 Leistungsregler varecon lr Nutzen über Betriebskostensenkung Betriebskosten Einflussfaktoren - Wärmeenergie - Elektroenergie - Tarifkosten - Wasser/Abwasser Transparente Flächen - Wärmeleistung (Invest, Anschluss) - VL-RL-Temperatur (E-Energie) - Wirkungsgrad (Brennwertkessel) Wind Solarstrahlung Innenlufttemperatur Aussenlufttemperatur Speicherzustand Thesen: Bei der Dimensionierung und Regelung von Gebäuden werden zur Zeit weitreichende Fehler akzeptiert. Die Basis für Dimensionierung und Regelung ist in den meisten Fällen noch immer die Wärmebedarfsberechnung nach DIN. Sie bietet jedoch keine Rechtssicherheit für die Richtigkeit des Ergebnisses. Diese Empfehlung basiert auf dem unrealen Modell des stationären Zustandes von Gebäuden und hat eine hohe Fehlertoleranz von bis zu 40%. Bei dem Erfassen einer technischen Aufgabe sollten wir daran denken: "Selbst wenn alle Fachleute einer Meinung sind, können sie sehr wohl im Irrtum sein. (Bertrand Russel) Den Stand der Technik bestimmt die Wärmeleistungsregelung auf instationärer Basis. Als Ergebnis entsteht eine nachhaltige, subventionsfreie Senkung von Energie und Kosten. Es besteht ein hohes Anwendungspotential im Gebäudebestand und bei Investitionen. Die Amortisationszeiten liegen bei ca. 3 Jahren. Leistungsregler varecon lr reale instationäre Zustände in der Wand t ( C) Außenlufttemperatur Wärmestandsverlauf bei Änderung der Lufttemperatur in einer monolithischen Ziegelwand (nach Cammerer) Y = 0,8 W/mK S = 800 kg/m³ l t = 0,385 cm/k l s = 26,88 cm/m stationär t ( C) Außenlufttemperatur,5 C -2 C Instationäre Temperaturverteilung in einer monolithischen Ziegelwand ds Wärme -eintrag extrapoliert dt stationär dt = 0 dt ds Die Neigung des Temperaturgradienten verdeutlicht Richtung und Größe des Wärmestromes 20 C Raumtemperatur Bild 0 24h 2h Raumtemperatur s (mm) Bild s (mm) Bild 2 Hier wird eine 3 Uhr Temperaturkurve gezeigt. Durch die absorbierte Solarstrahlung ergeben sich instationäre Verhältnisse (unterschiedliche Temperaturgradienten) und gegenüber dem stationären Zustand zusätzliche, eingespeicherte Energie. Bild Speicherfähiges Material bedeutet Wärmeträgheit, die segensreich für die Stabilität des Raumklimas wirkt. Dies bedeutet aber auch, das sich im 24h- Rhythmus der Beharrungszustand nie erreichen lässt. Stationäre Berechnungen und Regelungen führen aus diesem Grund zu keinem brauchbaren Ergebnis. 3

5 Leistungsregler varecon lr stationäre und instationäre Zustände Es ist offensichtlich, dass im instationären Bereich bei den Regelungen bisher vernachlässigte Einflussfaktoren eine wichtige Rolle spielen. Dazu zählen der Wärmefluss in das Gebäude (Wärmeleistung), die Solarstrahlung in und auf das Gebäude und der Speicherzustand des Gebäudes (z.b. Wandtemperaturen). Stationär Decke Falsch Instationär Decke Richtig Fenster Q Solar = 0 Stationärer Zustand nach ca. 2 Tagen - Temperaturregelung 20 C Q Solar ist 0 Instationärer Zustand zur jeweiligen Zeit - Leistungsregelung Q Wärmegewinne DIN-Berechnung von Q Messung von Q Steuerung über VL-Temp. Außenluft- Regelung von Q Außenlufttemperatur temperatur ist konstant Nutzung real instationär Heizung HK -4 Q Solarstrahlung C Wand Q Wärmestrom ist konstant Q Heizung Q Wärmeverluste Wand Speicher vernachlässigbar Q Speicherladezustand Fußboden Fußboden Im historischen Verlauf der Reglerentwicklung der letzten 50 Jahre zeigt sich eine deutliche Aufspaltung der Entwicklungsdynamik mit Schwerpunkt Hardware. Die Hardware hat sich von thermischen Systemen über elektrisch analoge Systeme bis hin zu den heutigen, leistungsfähigen DDC-Reglern entwickelt, die der Rechenleistung eines PC s nicht mehr weit nachstehen. Die Software indessen ist, wahrscheinlich mangels anderer Aufgabenstellungen, fast unverändert geblieben. Im Standardheizkreis mit zentraler Heizkreisregelung und Thermostaten an den Heizkörpern wird immer noch wie vor 50 Jahren die Vorlauftemperatur, geführt von der Außentemperatur, geregelt und zeitabhängig verändert. Die dazugehörige Heizungspumpe folgt einer eigenen, differenzdruckgeführten Regelung. Einfache Messungen im instationären Bereich zeigen, dass die Ergebnisse schlecht und nicht mehr hinnehmbar sind: - die Wärmeleistung schwingt - die maximale Wärmeleistung ist deutlich höher als der Bedarf des Gebäudes - kostenfreie Wärmequellen, wie die Sonne, werden nicht gut genutzt - in Absenkzeiten geht der Energieverbrauch kaum zurück - der Elektroenergieverbrauch zur Heizung ist doppelt so hoch wie benötigt - die Rücklauftemperatur ist auf Grund des hohen Volumenstroms zu hoch - die Heizkreise ermöglichen keine gerechte Wärmeverteilung bei Reduzierung 4

6 Heizkreise 950 bis 2000 Ziel, Ausführung und Ergebnis Heizkreis 950 außentemperaturgeführte Vorlauftemperaturregelung über thermisches Mischventil und gestufte Pumpe Direkte Regelung über Regler ohne Hilfsenergie Th Heizungsverteiler DDC Heizkreis 2000 "witterungsgeführte" Vorlauftemperaturregelung über motorisches Mischventil und geregelte Pumpe SS DE DA AE AA M ST SS Heizungsverteiler Ziel Regelung der benötigten Wärmeleistung für den realen, instationären Zustand des Gebäudes Ausführung Steuerung der Leistung über die Regelung jeweils festgelegter Vorlauftemperatur für den stationären Zustand des Gebäudes Ergebnis - Die Wärmeleistung schwingt - Die Thermostate regeln erfolgreich gegen die zentrale Regelung - Der max. Wärmeleistungsbedarf ist zu hoch - Die Solarstrahlung wird nicht berücksichtigt - Die Wärmeleistung wird bei Nichtnutzung kaum abgesenkt - Der Wärmeenergieverbrauch ist zu hoch - Die Temperaturspreizung ist gering, der Volumenstrom hoch - Der Elektroenergieverbrauch ist hoch - Die Rücklauftemperatur ist hoch - Der Heizkreis ist egoistisch, er entnimmt Wärme so gut er kann Vorlauftemperaturregelung - Verhalten bei Absenkung Vorregelung auf Thermostate Q = V *dt*c Q = V % C Schließhub Regelverhalten Q Leistung V Volumenstrom Sonne 24 t V Vorlauf t R Rücklauf 2 20 Kälte Nachtabsenkung Aufheizung Nutzung C Min Absenkung während der Nichtnutzung bei Temperaturregelung Typisches Verhalten von Thermostatventilen bei Kälte und Sonne 5

7 Wärmeleistungsmessung in Gebäuden 6

8 Es bedarf eines deutlichen Denkabstandes zum Gegenwärtigen, um das sinnvolle Ziel - die jeweils benötigte Wärmeleistung für den instationären Gebäudezustand zu regeln -, mit dem technisch und ökonomisch Möglichen zu erreichen. Folgende Hauptfunktionen sind in der Leistungsregelung enthalten: - Erfassung der Messwerte für die Berechnung des instationären Gebäudezustandes über Sensoren für Außentemperatur, Solarstrahlung und Wandtemperatur; - Erfassung der Messwerte für die Berechnung der Wärmeleistung über Sensoren für Vorlaufund Rücklauftemperatur und dem Volumenstrom, Messung des Volumenstromes über die Pumpe. - Der Sollwert für die Regelung ist eine Wärmeleistungsgrenzkurve, die über den instationären Gebäudezustand geführt wird. - Die Stellung der Wärmeleistung erfolgt über die Veränderung des Volumenstromes mittels Drehzahlstellung an der Pumpe. - Bequeme Kommunikation für den energetischen und technischen Betrieb mit den zuständigen Verantwortlichen; Eine Vielzahl weiterer Funktionen sorgt für sichere Hydraulik, Begrenzung des Differenzdrucks, bedarfsgerechte Vorlauftemperatur, das Energiemanagement und die Überwachung der Regelziele. Heizkreis mit LR - Ziel, Ausführung und Ergebnis Kältekreis DDC Heizkreis mit Leistungsregelung geführt von einer Wärmeleistungsgrenzkurve auf instationärer Basis Stand LON DE DA AE AA LON Ziel Regelung der benötigten Wärmeleistung für den realen, instationären Zustand des Gebäudes Ausführung Regelung der jeweils benötigten Wärmeleistung für den instationären Zustand des Gebäudes. DDC Kältekreis mit Leistungsregelung geführt von einer Kälteleistungsgrenzkurve auf instationärer Basis Stand 2004 LON DE DA 2 AE AA LON LON Heizungsverteiler Ergebnis - Die Wärmeleistung ist stabil - Die Thermostate erhalten nur die benötigte Wärmeleistung - Die maximale Wärmeleistung wird auf den Bedarf begrenzt - Die Solarstrahlung wird berücksichtigt - Die Wärmeleistung wird bei Nichtnutzung abgesenkt - Der Wärmeenergieverbrauch ist dicht am Optimum - Die Temperaturspreizung ist hoch, Volumenstrom und Elektroenergieverbrauch gering - Die Rücklauftemperatur ist tief - Der Heizkreis ist sozial, er entnimmt nur die ihm zustehende Wärme LON Kälteverteiler 7

9 Leistungsregelung - Verhalten bei Absenkung - Vorregelung auf Thermostate Q = V *dt*c % C Schließhub Regelverhalten Q Q = V *dt*c Leistung V 25 t V Volumenstrom Vorlauf Sonne t R 2 Rücklauf 20 Kälte Nachtabsenkung Aufheizung Nutzung C Min Absenkung während der Nichtnutzung bei Temperaturregelung Verhalten von Thermostatventilen mit optimaler Vorregelung bei Kälte und Sonne 8

10 Wärmeleistungsgrenzkurve Sonneneinfluss Absenkung 9

11 Hydraulische Veränderungen bei Einsatz von Leistungsreglern Beispiel: Heizkreis mit Vorlauftemperaturregelung im Verhältnis zu einem Heizkreis mit Leistungsregelung VL-Temperaturregelung Leistungsregelung auf instationärer Basis Thermostatventil t Raum Q Thermostat-ventil t Raum Q t m 60 C t m 60 C V V = 50 % V 2 = 0,5 x V d p d p = 25 % d p2 Q el. t VL 65 C Q el = 3 % LON d p2 = 0,25 x d p M Q el.2 =0,3 x Q el. t VL t VL 70 C 55 C t VL 70 C t VL 50 C Auf Grund der deutlichen Reduzierung der Volumenströme bei Leistungsregelung ändern sich die Anforderungen an die Anlagenhydraulik. Bei Einbau in bestehende Anlagen verkleinern sich Pumpen hinsichtlich Volumenstrom bzw. Förderhöhe und der hydraulische Abgleich muss auf kleinere Volumenströme erfolgen. Bei der Planung von Neuanlagen erfolgt eine entsprechende Dimensionierung. 0

12 Die Reglerparametrierung erfolgt entsprechend der Planungsvorgaben während der Produktion bzw. zur Inbetriebnahme. Ohne spezielle Vorgaben enthalten die Regler eine Standardparametrierung, angelehnt an DIN V 8599.