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Dass die Heizung im Winter stets die Wohlfühltemperatur bereithält, betrachten wir als selbstverständlich. Aber wie funktioniert der Regelkreis einer Heizung überhaupt?
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.
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.
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 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.
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.
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.
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 reagieren nur auf bestimmte Zustände. Es gibt Zweipunkt-, Mehrpunkt- oder Fuzzyregler.
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.
Wie funktioniert ein Regelkreis?
Der Regelkreis besteht aus einem Regler und einer Regelstrecke und vergleicht Ist- und Solltemperatur miteinander. Sind diese nicht identisch, wird beispielsweise durch Anheben der Vorlauftemperatur oder Öffnen der Heizkörperventile nachgeregelt.
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