So arbeitet der Regelkreis einer Heizung
Dass die Heizung im Winter stets die Wohlfühltemperatur bereithält, betrachten wir als selbstverständlich. Aber wie funktioniert der Regelkreis einer Heizung überhaupt?
Inhalt des Blogartikel
Der Regelkreis der Heizung sorgt für die passenden Temperaturen
Grundsätzlich handelt es sich beim Regelkreis um einen geschlossenen Wirkungsablauf. Diese Geschlossenheit bildet die Basis der Regelung. Mithilfe des Regelkreises soll innerhalb eines technischen Prozesses eine bestimmte Größe verändert werden. Beim Heizen ist dies die Raumtemperatur, die nach dem Erreichen eines eingestellten Wertes auch dann konstant auf diesem Wert gehalten werden soll, wenn Störungen auftreten. Dazu muss der Regelkreis die ganze Zeit über messen, vergleichen und stellen.
- Messen
- Vergleichen
- Stellen
Die benötigte Regelgröße wird über Sensoren oder direkt gemessen.
Regelgröße (Istwert) und Sollwert werden miteinander verglichen. Aus der Differenz ergibt sich dann die Regelabweichung.
Unter Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften der Regelstrecke wird aus der Regelabweichung die erforderliche Stellgröße festgelegt.
Damit die Regelung funktioniert, wird der Istwert (also die zum Zeitpunkt der Messung tatsächlich vorherrschende Temperatur im Haus) mit dem eingestellten Sollwert verglichen und bei Abweichungen nachgestellt. Um die Messergebnisse nicht zu verfälschen, darf der Istwert weder im Heizungskeller (wegen der Abwärme des Kessels zu warm) noch im Eingangsbereich (durch Einströmen kalter Luft durch Öffnen der Tür oder durch Zugluft zu kalt) gemessen werden. Ideal ist ein Raum im Inneren des Hauses, den du regelmäßig nutzt, beispielsweise das Wohnzimmer. Dazu wird vom Heizungskeller – dort ist die Heizung für den eingestellten Sollwert zuständig – eine Leitung (Regelstrecke) in das Wohnzimmer verlegt, wo der Istwert gemessen und aufgezeichnet werden kann. So ist es möglich, Solltemperatur und Isttemperatur miteinander zu vergleichen und bei Bedarf anzugleichen. Diese Kontrolleinrichtung nennt man Regler.
Vorgänge, welche die Isttemperatur beeinflussen beziehungsweise verändern, bezeichnet man als Störgrößen. Eine solche plötzliche Änderung der Umgebungstemperatur kann durch offene Fenster oder sehr niedrige Temperaturen in der Nacht, bei hohen Temperaturen durch Sonneneinstrahlung am Tag oder durch Wärmeabstrahlung vieler Personen im Raum, entstehen. Die Einflussnahme durch Störgrößen darf natürlich nicht außer Acht bleiben, weshalb der Regler diese bei der Temperaturregelung entsprechend berücksichtigt. Öffnest du beispielsweise im Winter ein Fenster, sinkt die Raumtemperatur. Über den Temperaturfühler erkennt dies die Regelung und leitet mehr heißes Wasser in den Heizkreis.
Wichtige Begriffe aus dem Gebiet der Heizung und ihr Regelkreis
- Führungsgröße: Die Führungsgröße ist der eingestellte Sollwert beziehungsweise die Solltemperatur.
- Regler: Anhand seiner Übertragungsfunktion berechnet der Regler eine Steuergröße, die direkt das Stellglied (Mischermotor, Ventil, Pumpe, etc.) antreiben soll. Er fällt die Entscheidung, ob eine Aktion erforderlich ist. Falls ja, legt der Regler fest, in welche Richtung und mit welcher Stärke im Prozess auf die Regelgröße eingewirkt werden soll. Beim Regler kann es sich um einen einfachen Schalter, aber auch um eine Software-Simulation des Prozesses handeln.
- Stellgröße: Hierbei handelt es sich um das Ausgangssignal der Stelleinrichtung. Den Energiefluss beschreiben häufig physikalische Größen wie Stromstärke, Ventilposition oder Strömungsgeschwindigkeit. Tritt eine Regelabweichung auf, soll die Stellgröße diese Abweichung ausgleichen. Dabei ist es auch wichtig, die zeitliche Verzögerung innerhalb des Regelkreises der Heizung zu berücksichtigen.
- Stellglied: Das Stellglied liefert die notwendige Energie, um auf den Prozess (Regelstrecke) einzuwirken. Ein Stellglied können Ventil, Klappe oder andere Regelorgane innerhalb eines Regelkreises sein, die während des Betriebs ihren Querschnitt verändern können. In einer Warmwasserheizung sind die wichtigsten Stellglieder:
- Störgröße Dabei handelt es sich um eine spontane und unerwartete Änderung der Umgebungs- beziehungsweise Raumtemperatur.
- Regelstrecke: Das ist der Bereich des Regelkreises, der vom Regler aus geregelt werden soll.
- Regelgröße: Dies ist bei der Heizung die gemessene Temperatur, die den Regelungsvorgang bestimmt. Es kann mitunter vorkommen, dass die Regelgröße nur indirekt ein Messsignal liefert. In solchen Fällen bestimmt auch das Verhalten des Messsystems (Temperaturfühler, Sensor) die Regelung mit. Soll beispielsweise ein Thermoelement die Temperatur regeln, dann ist die Thermospannung die eigentliche Regelgröße und die Temperatur nur noch indirekt. Solche Ausdehnungstemperaturfühler kommen beispielsweise in Heizkörperthermostaten zum Einsatz, um den Wasserdurchfluss durch das Heizungsrohr zu steuern.
- Mischer
- Mischventile
- Heizkörperventile
- Differenzdruck-Regelventile
- Druckminderer
Das Stellglied wird vom Regelglied durch die Reglerausgangsgröße (Spannung) darüber informiert, auf welche Weise es die Regelgröße beeinflussen soll. Die Stellgröße des Stellgliedes (Mischermotor) wird entsprechend geändert. Abhängig von der vom Regelglied gelieferten Reglerausgangsgröße vergrößert oder verkleinert sich die Stellung des Mischers beziehungsweise der Ventildurchfluss. Die Einstellung des Mischers (die Stellgröße) übernimmt der Mischermotor und beeinflusst so die Raumtemperatur über die Vorlauftemperatur, die steigt oder sinkt.
Stetige Heizungsregler
Stetige Regler überwachen permanent die Istwerte des Regelkreises. Sie greifen zudem dauernd in die Heizungsanlage ein. Typische stetige Heizungsregler sind P-, I- und D-Regler, die sich in ihrem Regelverhalten unterscheiden.
Proportionalregler (P-Regler)
Hierbei handelt es sich um einfach aufgebaute Regler, die schnell reagieren und lediglich die Regelabweichung verstärken. Für ihr Regelverhalten bezeichnend ist der Umstand, dass die Regelgröße sich immer um den Sollwert bewegt, aber diesen nie exakt erreicht.
Integrale Regler (I-Regler)
I-Regler geben ein lineares Ausgangssignal ab, indem sie das mathematische Integral der Regelabweichung bilden. Sie berücksichtigen die Abweichung vom Sollwert und reagieren entsprechend auf diesen. Ihr Regelverhalten ist sehr exakt, die Heizungsregler hingegen reagieren langsam. Sie kommen daher eher selten zum Einsatz.
Differenzialregler (D-Regler)
Die Reaktion auf eine Änderung der Regelgröße erfolgt hier schnell. Weicht die Regelgröße allerdings ständig vom Sollwert ab, wird nicht geregelt. Du findest D-Regler deswegen nie allein, sie können aber I- und P-Regler ergänzen.
In der Praxis arbeiten meist Regler mit kombinierten Eigenschaften, um die jeweiligen charakteristischen Regeleigenschaften zu nutzen und optimal auf die gewünschte Anwendung anzupassen. Je nachdem, welche Komponenten Verwendung finden, heißen diese Regler PI-, PD- oder PID-Regler.
Unstetige Regler
Unstetige Regler reagieren nur auf bestimmte Zustände. Es gibt Zweipunkt-, Mehrpunkt- oder Fuzzyregler.
- Zweipunktregler reagieren lediglich auf ein und aus. Es gibt also eigentlich kein Zeitverhalten. Sie eignen sich daher nur für Regelaufgaben mit festem Sollwert.
- Unstetige Heizungsregler mit mehreren Schaltzuständen werden als Mehrpunktregler bezeichnet.
- Fuzzyregler übersetzen konkrete Eingangsgrößen in Einzelbegriffe, beispielsweise „30 Grad Celsius Zimmertemperatur“ in „heiß“. Sie verbinden quasi mehrere solcher Begriffe und erstellen daraus eine Regelanweisung.
Digitale Heizungsregler
Sie wandeln analoge Informationen in digitale um und können so mit Computerprogrammen und Gleichungen individuell verarbeitet werden. Digitale Regler für die Heizung lassen sich sehr gut an die Anforderungen des Regelkreises anpassen.
