Netzregelung im 2-Leitersystem

[Update: 2023-05-25]

Seit gut 20 Jahren haben sich Zweileitersysteme im Geschoßwohnbau hervorragend bewährt. Seitens der Heizungsbauer kennt man inzwischen die wesentlichen Punkte die zu beachten sind, soll die Anlage effizient und zuverlässig funktionieren. Probleme gibt es aber nach wie vor mit der Regelung der Netzvorlauftemperatur.

Das Problem: Starke Netzschwankungen

Verursacht werden diese Probeme durch extrem stark variierenden Wassermengen im Netz, die ohne weiteres zwischen 1:100 schwanken können. Herkömmliche Regelungen für einen konstanten Netzvorlauf nehmen auf diese Wassermengenschwankungen für gewöhnlich keine Rücksicht, das Mischventil wird – wie immer – auf die maximal zu erwartende Wassermenge ausgelegt. Diese Wassermenge wird aber so gut wie nie umgewälzt, im Sommer und in der Übergangszeit in der Nacht sind die Wassermengen nur ein Bruchteil der „Auslegungswassermenge“. Der kvs-Wert des Regelventiles ist daher in 99% der Fälle nicht optimal, die Folge sind Netzschwankungen, die bis zu 40K und darüber gehen können. Neben einem zu großen Veränderungsschritt des (zu großen) Ventiles bei Istwertänderung ist vor allem ein Faktor ursächlich für die Schwankungen: Der Vorlauffühler ist fast immer 1 Meter und weiter vom Mischventil entfernt. Bei Schwachlast wird von der Regelung über den Vorlauffühler ein Stellbedarf erkannt, ein Stellbefehl ausgegeben und das Ventil ändert die Stellung. Jetzt dauert es aber in größeren Anlagen wegen des Wasserinhalts in den Rohren bis zu einer Minute, bis die Auswirkung des Stellantriebes beim Vorlauffühler ankommt. In der Zwischenzeit werden aber bereits wieder weitere Stellbefehle ausgegeben. Die Auswirkung der Stellbefehle kommt daher immer viel zu spät beim Vorlauffühler an, ein extremes Pendeln der Anlage ist unvermeidbar (siehe Bild 1).

Bild 1: Die Messung macht die enormen Temperaturschwankungen deutlich (ROT = Netzvorlauf / BLAU = Netzrücklauf)

Problemlösung 1

Um diese Problematik zu vermeiden gibt es mehrere Lösungsansätze. Die einfachste Lösung besteht darin, dass keine Kombination Regler+Fühler+Ventil+Stellantrieb gewählt wird, sondern ein ohne Hilfsnergie arbeitendes Regelventil eingesetzt wird. Diese Art Ventile gibt es seit Jahrzehnten, sie fanden und finden vor allem im Fernwärmebereich Anwendung. Diese Ventile reagieren sofort und korrekt auf Temperaturveränderungen, da die Messung praktisch unmittelbar neben dem Ventil stattfindet (siehe Bild 2). Die bei der elektronischen Regelung nicht vermeidbare Verzögerung entfällt und am Ende wird der Sollwert bestens eingehalten. Geeignet wären ebenfalls Brauchwassermischer, hier muss aber unbedingt die maximal zulässige (und mögliche) Temperatur beachtet werden, die bei Solaranlagen bis an die 100°C gehen kann.

Bild 2: Dreiwegeventil ohne Hilfsenergie arbeitend

Problemlösung 2

Das Problem der „verspäteten“ Erkennung der Netztemperatur nach einer Ventilbewegung kann durch einen kleinen Bypass bewerkstelligt werden (siehe Bild 3). Hiefür wird eine kleine Leitung (meistens reicht ein ½“ Rohr) installiert. Ein Ende der Leitung wird unmittelbar nach dem Vorlauffühler, das andere Ende unmittelbar nach dem Mischventil angeschlossen. Ein Strangregulierventil in der Leitung dient der Einstellung der maximalen Wassermenge.

Bild 3: Bypass verhindert Pendeln der Netztemperatur

Problemlösung 3

Aber auch mit einer herkömmlichen elektronischen Konstanttemperaturregelung kann diese Aufgabe erfolgreich umgesetzt werden. Das „Geheminis“ bei dieser Variante besteht darin, dass die Position des Regelventiles abhängig gemacht wird von der Entnahme-Temperatur des Puffers (ganz oben – oder besser Fühler in der Zuleitung vom Puffer) und von der Netzrücklauftemperatur. Über eine einfache Rechnung wird die Ventilposition permanent ermittelt und an den Stellantrieb weitergegeben. Ein Pendeln ist so nicht mehr möglich (siehe Bild 4). Etwaige kleinere Nebeneinflüsse können dadurch eliminiert werden, indem zusätzlich der Istwert des Netzvorlaufs mit dem Sollwert verglichen wird. Eine (geringe) Abweichung wird für die „Schiebung“ des Ventilsollwertes verwendet, ein Prozedere, das jeder Regeltechniker kennt.

Berechnung des Ventilsollwertes

Mit der nachstehenden Anwendung kann „durchgespielt“ werden, welcher Sollwert für ein Regelventil in Abhängigkeit der verschiedenen Regelparameter erforderlich ist. Am besten funktioniert das mit „geichprozentigen“ Regelventilen und Stetig-Stellantrieben (zB. mit 4-20mA oder 0-10V Signal).

Um ein allfälliges, leichtes Pendeln zu vermindern, kann / soll die aus der tatsächlichen Vorlauftemperatur resultierende Sollwertschiebung begrenzt werden. Dieser Parameter (zulssige Schiebung) ist im Betrieb auf den optimalen Wert einzustellen.

Die Berechnungsformeln

Für die Mischerregelung werden folgende Formeln verwendet:

  • Ventil-Sollwert % =
    (Netzvorlauf-Soll – Netzrücklauf-Ist) / (Puffertemperatur-oben – Netzrücklauf-Ist) x 100
  • Sollwert-Schiebung (durch VL-Abweichung) % =
    (Netzvorlauf-Soll / Netzvorlauf-Ist – 1) * 100
  • Ventil-Sollwert ohne Begrenzung % =
    Ventil-Sollwert + (Ventil-Sollwert * Sollwert-Schiebung / 100)
  • Tatsächliche Schiebung % = 
    Sollwert Schiebung * Schiebung zulässig / 100
  • Effektiver Ventil-Sollwert % = 
    Ventil-Sollwert ohne Begrenzung – Tatsächliche Schiebung
Netz-Vorlauf-Sollwert°C
Puffer-oben-Istwert (noch besser: Vorlauf zum Mischventil)°C
Netz-Rücklauf-Istwert°C
Sollwert50.00%
Netz-Vorlauf-Istwert°C
Erf. Schiebung0.00%
Schiebung zulässig%
Zulässige Schiebung0.00%
Ventilstellung korrigiert50.00%
 


Das Ergebnis

Bild 4: Anlage vom Bild 1 nach der Änderung der Regelung wie vorhin beschrieben

PS: Es ist selbstverständlich auch in der Problemlösung 1 und 3 sinnvoll und wirksam, den unter Problemlösung 2 beschriebenen „Kurzschluss“ zusätzlich herzustellen. Die Kosten sind minimal, die Genauigkeit der Regelung dafür umso besser.

PS2: Die beschriebenen Methoden 2 und 3 funktionieren sinngemäß auch bei anderen Mischer-Regelkreisen, wenn diese zu stark pendeln, zB. bei witterungsgeführten Regelungen (mit variablem Sollwert) in Kombination mit einem Wärmeerzeuger (zB. Kessel, Therme usw.).

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