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Experten-Ratgeber zur Regelungstechnik von Heizungssystemen

Was ist eine Heizungsregelung? Wie funktioniert die Regelung eines Heizungssystems? Welche Regelmethoden kommen zur Anwendung? Was sind Heizungsregler und worin unterscheiden sie sich?

Wir heizen, damit der von uns bewohnte Raum die von uns gewünschte Temperatur erreicht und diese darin möglichst konstant bleibt. Was hier so banal klingt, ist in der Umsetzung ein höchst komplexer Vorgang, der auf dem optimalen Zusammenspiel verschiedenster regeltechnischer Komponenten beruht. Denn neben Wärmeerzeuger und Wärmeverteiler gehört auch die Regelungstechnik zur Heizungsanlage. Wir erklären Ihnen hier, was die Heizungsregelung ist und welche Aufgabe sie in der Heizung beziehungsweise beim Heizen erfüllt. Sie erfahren unter anderem, welche Regelungsarten angewendet werden, wie sie sich voneinander unterscheiden und welche Regler zum Einsatz kommen.

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Unterschiede der Heizungsregelung zur Heizungssteuerung

Die Aufgabe der Heizungsregelung ist es, dafür zu sorgen, dass die Heizung die zu beheizenden Räume auf eine bestimmte, vom Verbraucher vorgewählte Temperatur erwärmt und diese Temperatur dort möglichst aufrechterhält. Gelingt dies, auch dank der passenden Heizungsregelungstechnik und der zugehörigen Einstellungen, ist die Heizungsregelung ein durchaus effektives Instrument, um beim Heizen Energie und daraus resultierende Heizkosten zu sparen.

Unter Regeln versteht man dabei einen Vorgang, bei dem die zu regelnde Größe fortlaufend gemessen, mit der Führungsgröße verglichen und an diese durch Nachstellen des z. B. Heizkörperthermostats angenähert wird. Kennzeichnend für eine Heizungsregelung ist ihr geschlossener Wirkungsablauf bzw. Regelkreis (closed loop control).

Eine Heizungssteuerung umfasst im Unterschied dazu einen offenen Wirkungsablauf (open loop control). Denn bei einer Heizungssteuerung wird durch eine Stellgröße die Heizung beeinflusst, ohne dass die Steuergröße auf die Stellgröße rückwirkend Einfluss nimmt.

Schematische Darstellung der Funktionsprinzipien einer Heizungsregelung (Quelle: Wikipedia / Lizenz: gemeinfrei)
Schematische Darstellung der Funktionsprinzipien einer Heizungsregelung (Quelle: Wikipedia / Lizenz: gemeinfrei)

Regelkreis innerhalb eines Heizungssystems

Zum besseren Verständnis der komplexen Heizungsregelung erklären wir vorweg kurz, was beim Heizen passiert: Der Wärmeerzeuger (zum Beispiel ein Heizkessel) heizt das Heizwasser vor. Die zugehörige Temperatur nennt man Vorlauftemperatur. Ihre Höhe ist abhängig von der Art der Heizung und liegt zwischen etwa 40 Grad Celsius (Fußbodenheizung) und 90 Grad Celsius (älteres Modell mit Radiatoren).

Auf die Vorlauftemperatur erhitzt, strömt das Heizwasser in die flächig ausgelegte Fußbodenheizung oder zu den Heizkörpern, von wo die Wärme an den Raum abgegeben wird. Dabei wird das Heizwasser kühler. Es erreicht seine sogenannte Rücklauftemperatur, mit der es zum Wärmeerzeuger zurückfließt, um dort aufs Neue erwärmt zu werden – der Heizkreislauf startet dann von vorne.

Dieser Kreislauf wird hinsichtlich seiner Regelungsmöglichkeiten auch als sogenannter Regelkreis. bezeichnet. Dies ist ein in sich abgeschlossener Wirkungsablauf, der eine physikalische Größe innerhalb eines technischen Prozesses - bei Heizungen ist das die Temperatur - beeinflusst. Dabei geht es insbesondere um die Wertrückführung (aktueller Wert, Ist-Wert) an den Regler, der einer Abweichung vom Soll-Wert entgegenwirkt. Das Ganze nennt man dann sogenannte Rückkopplung. Um ihn anschaulich zu beschreiben, zerlegt man einen Regelkreis in einzelne sogenannte Übertragungsglieder.

In der Praxis sind Heizungsregelung und -steuerung jedoch nicht trennscharf voneinander abzugrenzen, da Regelungseingriffe sehr wohl auch Einfluss auf die Steuerung haben. Reduziert man z. B. die Heizkörpertemperatur, so kann dies über die absinkende Raumtemperatur auch Einfluss auf die temperaturabhängige Steuerung der Heizung haben.

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Temperaturgeführte Regelungsarten im Überblick

Folgende sogenannte Heizungsregelungen, auch Heizkesselregelungen genannt, lassen sich unterscheiden:

raumtemperaturgeführte Heizungsregelung

Bei dieser Heizungsregelung ist die aktuelle Raumtemperatur die Regelgröße, auf die Einfluss ausgeübt werden soll. Aus der Regelgröße und ihrem Sollwert, hier: der gewünschten Raumtemperatur, bildet man die sogenannte Regeldifferenz, mit deren Hilfe wiederum die Heizungsregelung die sogenannte Stellgröße Vorlauftemperatur (Führungsregelung) berechnet, mit der die Temperatur des Raums beeinflusst wird. Die Stellgröße ist einem nachgeschalteten Folgeregler im Heizgerät ein Soll-Wert, der seinerseits die Vorlauftemperatur des Heizungswassers regelt.

Moderne raumtemperaturgeführter Heizungsregelung machen die Aktivität des Wärmeerzeugers von den Temperaturen nur eines Raumes (sogenannter Führungs- oder Leitraum) einer zentral mit Wärme versorgten Gruppe von Räumen abhängig. Sobald darin die Solltemperatur herrscht, schaltet der zentrale Wärmeerzeuger auf Aus - und mit ihm sämtliche angeschlossenen Heizkörper. Um trotz dessen auch alle anderen Räume noch ausreichend mit Heizleistung zu beliefern, dient als Führungsraum der Raum, der am meisten Heizleistung braucht – und das auch dann, wenn darin „Fremde“ Wärmeerzeuger wie TV, PC, Mensch oder Tier auf die Temperatur fremdeinwirken.

In der Praxis dimensioniert man die Heizkörper in der Raumgruppe passend zu den Räumen, mit dem Ziel, dass sich alle Heizkörper ähnlich schnell aufheizen. Um das nötige Leistungsgefälle zu erzielen, bremst man die Heizleistung des Heizkörpers im Führungsraum dahingehend, dass er für das Aufheizen des Raums länger benötigt. Das gelingt entweder mit der Komplettöffnung der Thermostatventile oder, indem man den Durchfluss der per Hand einstellbaren Ventile an Heizkörpern im Führungsraum runterregelt ("drosselt"). Es gilt, den geringsten Durchfluss einzustellen.

außentemperaturgeführte Heizungsregelung

Bei der außentemperaturgeführten (auch außentemperaturabhängige oder witterungsgeführte Heizungsregelung genannt) Heizungsregelung nutzt man die jeweils aktuell gemessene Außentemperatur als Führungsgröße. Mit Hilfe einer sogenannten Heizkurve berechnet man die passende Vorlauftemperatur, die als Soll-Wert die Temperatur im Heizgerät regelt. Sinn macht es bei der außentemperaturgeführten Heizungsregelung, dass man an den Heizkörpern Thermostatventile verwendet, die die konstante Raumtemperatur sicherstellen. Bei dieser Art der Heizungsreglung kann man auf Referenzräume verzichten, was als vorteilhaft gegenüber der raumtemperaturgeführten Heizungsregelung bewertet wird.

Der witterungsgeführte elektronische Heizungsregler ECL Comfort 296 kann als Austauschregler fast alle alten Danfoss- und IWK-Regler sowie zahlreiche andere Fabrikate ersetzen. (Foto: Danfoss)
Der witterungsgeführte elektronische Heizungsregler ECL Comfort 296 kann als Austauschregler fast alle alten Danfoss- und IWK-Regler sowie zahlreiche andere Fabrikate ersetzen. (Foto: Danfoss)

Heizungsregelung mit Differenz aus Vor- und Rücklauftemperatur

Hier greift der Umstand, dass die Rücklauftemperatur sinkt, wenn mehr Wärmebedarf besteht und die Vorlauftemperatur gleich bleibt. Sobald die Sensoren eine sinkende Rücklauftemperatur melden, erhöht die Heizungsregelung die Temperatur des Vorlaufs. Von Vorteil ist, dass bei dieser Heizungsregelung keine Heizkurve mehr ermittelt werden und der Benutzer nicht mehr eingreifen muss.

Die wichtigsten Regeleinrichtungen im Vergleich

Um og Regelungsarten durchzuführen können eine Vielzahl von Regeleinrichtungen eingesetzt werden.

Tabelle 1: Gruppierung von Heizungsreglern
Regelgröße Nach der Art der Regelgröße lassen sich beispielsweise Temperatur-, Druck-, Durchfluss-, Feuchte-, Füllstands- und Universalregler unterscheiden. Eine solche Unterscheidung ist meistens nur bei einer einfachen Ausführung wie z. B. einem Thermostatventil oder Differenzdruckregler sinnvoll.
Stellenergie Je nachdem, ob Stellenergie benötigt wird, unterscheidet man Heizungsregler nach Reglern ohne und mit Hilfsenergie. Regler ohne Hilfsenergie verwenden zum Betätigen des Stellgliedes Energie wie z. B. den Druck der Dehnflüssigkeit im Thermostatkopf. Regler mit Hilfsenergie wie z. B. elektrische, pneumatische Regler benötigen zum Betätigen des Stellgliedes von außen zugeführte Stellenergie.
Regelverhalten Nach dem Regelverhalten unterscheidet man unstetige Regler wie z. B. Zweipunkt- und Dreipunktregler von stetigen Heizungsreglern wie z. B. P-Regler, I-Regler, PI-Regler, PID-Regler als auch unscharfe Regler wie z. B. Fuzzy-Regler.
Signalverarbeitung Nach der Art der jeweiligen Signalverarbeitung unterscheidet man analoge und digitale Regler.

In der Praxis vereinen moderne Heizungsregler jedoch Messeinrichtung und Vergleich-, Regel- und Stellglied in einer Einheit, sodass eine Einteilung in vorgenannte Reglergruppen schwierig ist. Nachfolgende Aufstellung listet die wichtigsten Regler im Detail auf:

Zwei- und Drei-Punktregelung

Bei dieser Regelung kann die Stellgröße Vorlauftemperatur nur zwei Werten entsprechen: Entweder dem Maximalwert, der am Geräte-Drehregler eingestellt wurde, oder dem Minimalwert, der einem Ausschalten der Heizung gleichkommt. Ändert sich die Ausgangsgröße, so geschieht dies sprunghaft. Der Zweipunktregler zählt damit zu den unstetigen, schaltenden Reglern.

Am häufigsten werden mechanisch arbeitende Zweipunktregler eingesetzt, die über einen Bimetallstreifen elektrische Kontakte betätigen. Dieser Streifen reagiert dabei auf Temperaturänderungen, indem er sich verbiegt bis das Bimetall den Sollwerteinsteller berührt, den Kontakt schließt und ein elektrischer Strom fließt, der z. B. Wärme über die Heizungssteuerung anfordert. Mit zunehmender Erwärmung des Raumes geht auch die Biegung des Bimetalls zurück und der Kontakt wird wieder geöffnet, sodass keine Wärme mehr angefordert wird. Durch die mit diesem Prinzip verbundene Schaltdifferenz ergibt sich immer auch eine Regelungenauigkeit.

Dreipunktregler können im Gegensatz zum Zweipunktregler drei verschiedene Schaltzustände einnehmen. So besteht z. B. die Möglichkeit, neben den Regelungsmöglichkeiten "Heizen" und "Aus" auch eine Kühlung oder einen Stellmotor auszulösen. Aus regelungstechnischer Sicht ist ein Dreipunktregler dabei ein gekoppelter Zweipunktzähler. In seinem Regelverhalten ähnelt ein Dreipunktregler einem stetigen Heizungsregler.

stetige Heizungsregelung

Die Stellgröße Vorlauftemperatur ist von Natur aus eine stetige Stellgröße. Sie nimmt kontinuierlich Werte an, die zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert liegen. Lässt sich die Leistung des Wärmerzeugers in etwa an den aktuellen Wärmebedarf des Gebäudes anpassen, macht eine stetige Heizungsregelung durchaus Sinn.

Andernfalls käme es zu Überschwingungen der Vorlauftemperatur, die sich mit dem Anpassen der Heizleistung nicht mehr ausgleichen ließen. Infolgedessen würde der Wärmeerzeuger übermäßig häufig starten („takten“), was einem wirtschaftlichen Betrieb entgegenstünde, da beim Starten überdurchschnittlich viel Brennstoff verbraucht wird, was die Heizkosten in die Höhe treibt.

In einem solchem Fall sorgt übrigens die 2-Punkt-Regelung für längere Gerätelaufzeiten. Ein Grund, warum man viele Heizungsregelungen so auslegt, dass man sie zwischen 2-Punkt- und Stetigbetrieb umschalten kann.

elektronische Heizungsregelungen

Elektronische Regelungen umfassen heute Zwei- oder Dreipunktregler (z. B. Thermostate), aber auch Regelungsansätze mit modulierenden Betriebsweisen. Die Kesselregelung stellt dabei sicher, dass die Heizwassertemperatur gleitend, in Abhängigkeit vom Heizbedarf angepasst wird. Wandhängende Brennwertkessel verwenden modulierende Regelungen, die eine stufenlose Betriebsweise bis zur maximal installierten Leistung ermöglichen. In Folge der Digitalisierung in der Regelungstechnik werden zunehmend auch lernfähige Regelungen eingesetzt, die auch online geregelt und auch fernüberwacht werden können.

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"Ratgeber zur Regelungstechnik von Heizungssystemen" wurde am 26.09.2016 das letzte Mal aktualisiert.