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Taktbetrieb

Definition: der Teillastbetrieb, der durch regelmäßiges Ein- und Ausschalten einer Anlage realisiert wird

Englisch: cyclic operation

Kategorie: Grundbegriffe

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 20.11.2010; letzte Änderung: 03.11.2018

Bei vielen Anlagen der Energietechnik wird der Teillastbetrieb, also der Betrieb mit reduzierter Leistung, durch regelmäßiges Ein- und Ausschalten (Takten) eines Aggregats realisiert. Dies wird als Taktbetrieb oder intermittierender Betrieb bezeichnet. Das Aggregat läuft dann also abwechselnd mit Volllast und dann wieder gar nicht. Die Leistungsabgabe schwankt zwar stark, aber wenn das Takten genügend häufig erfolgt, sind diese Schwankungen für die Anwendung akzeptabel.

Der wesentliche Vorteil des Taktbetriebs besteht meist darin, dass er sich technisch sehr einfach realisieren lässt – einfacher als eine echte Leistungsanpassung. Andererseits kann er je nach Situation diverse Nachteile aufweisen. Im Folgenden werden einige Beispiele diskutiert.

Elektrische Beheizung

Bei elektrischen Heizelementen kleiner Leistung (z. B. unter 100 W) kann die Leistung relativ einfach z. B. mit einer Phasenanschnittsteuerung reduziert werden. Bei höheren Leistungen ist dies jedoch nicht optimal, weil damit Netzstörungen (durch Oberwellen) erzeugt werden. Außerdem ist es technisch einfacher, einen Elektroheizstab taktend zu betreiben. Häufig wird er einfach durch einen Thermostaten eingeschaltet, sobald eine gewisse Temperatur unterschritten wird, und wieder ausgeschaltet, wenn eine etwas höhere Grenztemperatur überschritten wird. Die Hysterese (der Unterschied der beiden Schalttemperaturen) wird so groß gewählt, dass das Takten nicht allzu schnell erfolgt, weil dies beispielsweise die Abnutzung von Relaiskontakten erhöhen würde.

Taktbetrieb
Abbildung 1: Verlauf von Temperatur und Heizleistung bei Beheizung mit Taktbetrieb. Ein Thermostat schaltet das Heizelement ein, wenn die Temperatur eine untere Grenze erreicht hat, und später bei der oberen Grenztemperatur wieder aus. Wenn die Hysterese (hier 8 Kelvin) reduziert würde, ergäbe sich eine höhere Taktfrequenz.

Auch Mikrowellenöfen werden meist getaktet betrieben. Man hört deutlich das Ein- und Ausschalten des Mikrowellenerzeugers.

Öl- und Gasbrenner

Der Brenner einer Ölheizung oder Gasheizung wird häufig via Taktbetrieb in der Leistung dem Bedarf angepasst. Dies ist wiederum technisch die einfachste Lösung, jedoch mit Blick auf die Energieeffizienz und die Abgasqualität nicht optimal im Vergleich zu einem modulierenden Brenner:

  • Beim Einschalten des Brenners muss in der Regel aus Sicherheitsgründen zunächst der Brennraum gespühlt werden (durch Betrieb des Gebläses ohne Brennstoffzufuhr), wodurch zusätzliche Abgaswärmeverluste entstehen.
  • Die Verbrennung ist direkt nach dem Einschalten weniger vollständig, so dass erhöhte Schadstoffmengen (auch im Heizkessel abgelagerter Ruß) entstehen.
  • Die Abgastemperatur und somit die Abgaswärmeverluste sind höher, als sie im modulierenden Betrieb wären. (Wenn allerdings der Schornstein eine gewisse Abgastemperatur braucht, um nicht feucht zu werden, kann dies unvermeidbar sein.)

Aus diesen Gründen sind moderne Brennwertkessel mit einem modulierenden Brenner ausgerüstet. Takten ist dann erst bei sehr geringem Leistungsbedarf nötig; auch ein modulierender Brenner kann nicht mit beliebig kleiner Leistung betrieben werden.

Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz eines Pufferspeichers, der immerhin die Taktfrequenz (Takthäufigkeit) stark reduzieren kann. Dies löst allerdings nicht das Problem der erhöhten Abgastemperatur.

Eine unnötig hohe Taktfrequenz kann auch auftreten, wenn die Brennerleistung unnötig hoch eingestellt ist und/oder wenn der von der Heizungs-Umwälzpumpe verursachte Wasserdurchfluss zu gering ist.

Wärmepumpen und Kälteaggregate

Sowohl Wärmepumpenheizungen als auch Kühlschränke und Gefriertruhen enthalten meist eine Wärmepumpe, die via Taktbetrieb auf die benötigte Durchschnittsleistung eingestellt wird. Das Aggregat wird in der Regel über einen Thermostaten gesteuert, wobei die Solltemperatur bei einer Heizungsanlage meist von der Außentemperatur abhängig gemacht wird.

Wie auch bei Elektroheizstäben arbeitet man mit einer gewissen Hysterese: Das Einschalten der Wärmepumpe erfolgt, wenn eine gewisse Temperatur des Heizwassers unterschritten wird, aber ausgeschaltet wird erst, wenn eine etwas höhere Temperatur überschritten wird. Die Differenz der beiden Temperaturen wird als Hysterese bezeichnet. Wenn diese recht gering gehalten wird, erhält man zwar eine genauere Temperaturregelung, aber ein häufigeres Ein- und Ausschalten der Wärmepumpe, was deren Effizienz verringert. Der Hersteller sollte die Hysterese so wählen, dass ein guter Kompromiss zwischen Temperaturstabilität und Effizienz erreicht wird.

Der Taktbetrieb von Wärmepumpen ist allerdings energetisch ungünstig. Da immer wieder Betrieb mit Volllast erfolgt, sind die Temperaturgradienten im Verdampfer und im Kondensator höher, als sie beim Betrieb mit reduzierter Kompressorleistung wären. Dies reduziert die erzielbare Leistungszahl und die Jahresarbeitszahl.

Eine mögliche Lösung des Problems wäre es, einen drehzahlregulierten Kompressor einzusetzen, der allenfalls bei sehr niedrigen Leistungen noch getaktet wird. Allerdings erhöht dies den Anlagenaufwand, und die Einrichtung zur Drehzahlregulierung verursacht ebenfalls gewisse Energieverluste (wenn auch kleinere als das Takten). Eine andere Lösung sind Kompressoren, die mit konstanter Drehzahl und dennoch regelbarer Leistung betrieben werden können. Sie arbeiten mit einer mechanischen Verstellung am Kompressor, mit der sich die Kompressorleistung reduzieren lässt. Die Stromaufnahme sinkt dann deswegen, weil der antreibende Elektromotor mechanisch weniger belastet wird.

Siehe auch: Teillastbetrieb, Thermostat, Energieeffizienz, Abgas, Brenner, Phasenanschnittsteuerung
sowie andere Artikel in der Kategorie Grundbegriffe

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