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Temperaturregelung

In der Energietechnik ist es häufig notwendig, die Temperatur eines Mediums zu regeln, d. h. durch automatische Eingriffe in einem gewünschten Bereich um eine bestimmte Solltemperatur zu halten. Beispielsweise ist es bei einer Heizungsanlage notwendig, die Vorlauftemperatur, also die Temperatur des gelieferten Heizwassers, zu regeln – wobei in diesem Fall die Solltemperatur in der Regel nicht fest ist, sondern von äußeren Bedingungen abhängig, insbesondere von der Außentemperatur. Ein anderes Beispiel wäre eine Klimaanlage, bei der ebenfalls die Raumtemperatur geregelt werden sollte.

Gewöhnlich werden die folgenden Komponenten für eine Temperaturregelung benötigt, mit denen man eine Rückkoppelschleife aufbaut:

• Die Ist-Temperatur muss im Betrieb irgendwie bestimmt werden – beispielsweise mit einem elektronischen Temperatursensor.
• Diese Temperatur muss auf irgendeine Weise automatisch beeinflussbar sein – etwa durch kontinuierliche Anpassung der Wärmeleistung eines modulierenden Brenners oder durch Ein- und Ausschalten eines Brenners mit fixer Leistung (Taktbetrieb). Eine andere Möglichkeit ist die motorgetriebene Verstellung eines Mischventils, mit dem z. B. heißes Kesselwasser und kühleres Rücklaufwasser variabel gemischt werden können; das war üblich für alte Konstanttemperaturheizkessel.
• Häufig benötigt man eine mehr oder weniger ausgefeilte Signalverarbeitung, um aus der gemessenen Ist-Temperatur, bzw. deren Abweichung von der Solltemperatur, stets ein angemessenes Regelsignal zu erhalten. Dies kann beispielsweise mit analoger Elektronik oder auch durch Programmierung eines Mikroprozessors implementiert werden.

Ein Gerät für eine Temperaturregelung wird oft als Thermostat bezeichnet. Häufig ist dies ein einfacher Zweipunkt-Regler.

In manchen Fällen verwendet man anstelle einer Rückkoppelung (oder zusätzlich) kompensierende Eingriffe aufgrund bekannter äußerer Einflüsse ohne Überwachung der Ist-Temperatur. Beispielsweise kann die Wärmeleistung sofort erhöht werden, wenn der Volumenstrom des Heizmediums zunimmt – ohne erst abzuwarten, bis die Temperatur absinkt.

Typische Schwierigkeiten der Temperaturregelung

Einige Schwierigkeiten treten bei Aufgaben der Temperaturregelung häufig auf:

• Oft kann die Wärmezufuhr nicht kontinuierlich geregelt, sondern nur ein- oder ausgeschaltet werden. Dies ist bei vielen Brennern der Fall, auch bei älteren Wärmepumpen und bei einfachen Elektroheizstäben. Dazu kommt beispielsweise bei Brennern und Wärmepumpen, dass diese möglichst nicht zu häufig ein- und ausgeschaltet werden sollten, da diese sowohl die Energieeffizienz als auch die Lebensdauer beeinträchtigen würde.
• Unter diesen Bedingungen verwendet man meist eine sogenannte Zweipunktregelung mit einer gewissen Hysterese: Das Einschalten erfolgt, wenn eine gewisse Temperatur unterschritten wird, aber ausgeschaltet wird erst, wenn ein höherer Temperaturgrenzwert überschritten wird. (Die Differenz dieser beiden Schalttemperaturen wird als Hysterese bezeichnet.) Natürlich führt dies im Betrieb zu entsprechenden Temperaturschwankungen zumindest von der Größe der Hysterese (siehe Abbildung 1), evtl. auch etwas mehr. Die Hysterese sollte so gewählt werden, dass die die Schalthäufigkeit minimiert wird, die Temperaturschwankungen aber noch im akzeptablen Bereich bleiben. (Man beachte, dass höchste Genauigkeit nicht unbedingt das oberste oder gar einzige Ziel ist.) Wenn hier ein guter Kompromiss nicht möglich ist, kann man zusätzlich z. B. noch einen Pufferspeicher einsetzen.

• Die Ist-Temperatur kann nicht immer am idealen Ort gemessen werden und wird teils durch äußere Einflüsse verfälscht – was natürlich zu entsprechenden Regelfehlern führt.
• Die Temperaturänderung erfolgt häufig erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung auf Regeleingriffe. Dies erschwert selbst bei kontinuierlich variablen Eingriffen eine genaue Regelung. Es kann bei falscher Einrichtung eines Reglers sogar zu instabilem Verhalten führen, d. h. zu großen Temperaturschwankungen. Eine optimale Funktion (mit immer stabiler und präziser Regelung) erfordert oft die Wahl eines gut geeigneten Reglertyps und dessen optimale Einstellung. Beispielsweise gibt es sogenannte Proportional-Integral-Regler (PI-Regler), bei denen ein P- und I-Anteil einstellbar sind. Der I-Anteil kann selbst kleine Regelabweichungen mit der Zeit ausgleichen.
• In Fällen mit großer thermischer Trägheit kann es schwierig werden, eine ordentlich funktionierende Regelung zu erreichen. Wenn etwa eine Wohnung durch starke Sonneneinstrahlung erwärmt wird und man die Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung erst dann zurückfährt, wenn ein Raumtemperaturfühler diese Erwärmung meldet, ist es oft schon zu spät: Es dauert Stunden, bis sich die reduzierte Wärmezufuhr auswirkt. Zielführender wäre deswegen eine Absenkung der Vorlauftemperatur schon im Voraus – etwa auf der Basis des über das Internet regelmäßig abgefragten Wetterberichts.
• Die Bestimmung des idealen Sollwerts ist nicht immer einfach. Beispielsweise kann Sonneneinstrahlung auf einen Außentemperaturfühler dazu führen, dass die Vorlauftemperatur zu stark abgesenkt wird. Umgekehrt kann ein Fühler auf der Nordseite dies zwar vermeiden, dann aber eben die Sonneneinstrahlung in die Räume nicht berücksichtigen. Das Grundproblem ist, dass es den "richtigen" Sollwert für alle Räume gar nicht gibt.
• Ein Defekt der Temperaturmessung (z. B. bei Ausfall eines Fühlers oder Verletzung eines Kabels) kann dazu führen, dass die Wärmeerzeugung voll aufgedreht wird und die Temperatur viel zu hoch wird – eventuell mit der Folge von Schäden. Unter Umständen ist eine zusätzliche Sicherheitseinrichtung nötig, um solche Fälle genügend unwahrscheinlich zu machen.

Eine weitere Optimierung kann je nach den Umständen sinnvoll sein. Beispielsweise arbeitet eine Wärmepumpenheizung mit drehzahlregeltem Verdichter am effizientesten im Teillastbetrieb (mit ungefähr der Hälfte der Maximalleistung). Deswegen ist es sinnvoll, selbst bei größeren Regelabweichungen (z. B. bei Aktivierung des Heizbetriebs) nur mit Teillast zu arbeiten – was eine einfache thermostatische Regelung aber nicht könnte.

Regelung mit Gradminuten

In manchen Fällen wird die Größe des Regeleingriffs nicht allein durch die momentane Ist-Temperatur (bzw. deren Abweichung vom Sollwert) bestimmt, sondern berücksichtigt auch die Abweichungen in der letzten Zeit. Beispielsweise bestimmen manche modernen Heizungsanlagen mit Wärmepumpe die Regelabweichung in Form von Gradminuten, also zeitlich aufintegrierten Temperaturabweichungen: Beispielsweise trägt eine Regelabweichung von −2 Grad über 5 Minuten −10 Gradminuten bei, und wenn die Regelabweichung danach für weitere 5 Minuten −3 Grad ist, ergibt das insgesamt −25 Gradminuten.

Diesem Ansatz liegt die Überlegung zugrunde, dass für den gegebenen Zweck (Beheizung eines Gebäudes) diese integrierte Größe relevanter ist als die momentane Temperaturabweichung des Heizwassers: Eine solche Temperaturabweichung stört erst, wenn sie über einige Zeit wirkt. Der Start des Verdichters der Wärmepumpe muss also nicht sofort erfolgen, wenn eine Solltemperatur unterschritten wird, sondern kann verzögert werden, bis eine bestimmte Zahl (negativer) Gradminuten erreicht ist. Diese können dann später abgebaut werden, indem man für eine gewisse Zeit eine etwas erhöhte Temperatur liefert, was wieder positive Gradminuten beiträgt. Eine solche Regelstrategie ist durchaus sinnvoll, auch wenn sie etwas schwerer nachvollziehbar und optimierbar ist.

Siehe auch: Temperatur, Thermostat, Heizungsanlage