Die Einsparpotenziale, die hocheffiziente Gas-Brennwertgeräte heute bieten, werden in der Praxis häufig nicht ausgeschöpft. So zeigen Felduntersuchungen [1] u.a., dass die im Labor gemessenen Norm-Nutzungsgrade von den Geräten im Praxisbetrieb unter den in herkömmlichen Heizungsanlagen vorliegenden Randbedingungen oftmals nicht erreicht werden. Entsprechend werden die Erwartungen der Anlagenbetreiber bezüglich Energieeinsparung und geringeren Wärmekosten nicht immer voll erfüllt.
Unzureichende Abstimmung der Einzelkomponenten
Wie die Untersuchungen ergaben, ist die zumeist unzureichende Abstimmung der verschiedenen Einzelkomponenten innerhalb einer Anlage die Hauptursache dafür, dass die erwarteten Nutzungsgrade nicht erreicht werden und die Anlageneffizienz unterhalb der Möglichkeiten bleibt. Abhilfe schaffen hier eine fachgerechte Einbindung der Brennwertgeräte in die Anlagenhydraulik und die Optimierung des Gesamtsystems (Gebäude – Anlage – Nutzerverhalten – Umwelt).
Darüber hinaus können Effizienzpotenziale auch durch eine möglichst exakte Adaption des Betriebsverhaltens der Wärmeerzeuger selbst an die individuellen Bedingungen der jeweiligen Anlage erschlossen werden. Hierzu erhielten moderne Gas-Brennwertgeräte unter anderem intelligente Verbrennungsregelungen wie zum Beispiel Lambda Pro Control, die Schwankungen der Verbrennungsqualität, wie sie durch wechselnde Gasqualitäten, Luftdruckschwankungen sowie Veränderungen der Strömungswiderstände in den Zuluft- und Abgasleitungen entstehen, erkennen und automatisch ausgleichen.
Geringe Wasserinhalte stellen erhebliche Anforderungen
Demgegenüber müssen aber zunehmend Randbedingungen berücksichtigt werden, die durch die Forderungen des Marktes vorgegeben sind. So hat die Forderung nach immer kompakteren, in den Wohnbereich (z. B. der Küche) integrierbaren Geräteabmessungen zu geringeren Wasserinhalten der Geräte geführt (Bild 1). Die geringen Wasserinhalte der kompakten Brennwert-Wandgeräte stellen erheblich gestiegene Anforderungen an die Regelqualität der Geräte, um Effizienz und den vom Betreiber erwarteten Komfort sicherzustellen.
Eine weitere Randbedingung, auf die bei der Optimierung des Betriebsverhaltens Rücksicht genommen werden muss, sind geringer werdende Gebäude-Heizlasten, die sich aus erhöhten Wärmedämmstandards ergeben. So machen beispielsweise nach einer Heizungsmodernisierung durchgeführte Maßnahmen zur Wärmedämmung und die damit einhergehende Verringerung der Gebäude-Heizlast häufig eine größere Leistungsanpassung (Modulationsbereich) des installierten Brennwertgerätes erforderlich. Insbesondere an Kombigeräte, die neben der Wohnraumbeheizung auch das Trinkwasser im Durchlauf erwärmen, werden diametral entgegengesetzte Anforderungen gestellt: Während die Heizlast geringer wird, müssen für den geforderten Warmwasserkomfort hohe Leistungen bereitgestellt werden.
Bewertung von möglichen Optimierungsmaßnahmen
Die Entwicklungsarbeiten, die sich auf die Optimierung des Betriebsverhaltens von Gas-Brennwert-Wand- und Kompaktgeräten beziehen, müssen diese genannten Randbedingungen – geringe Wasserinhalte (kompakte Abmessungen), geringer werdende Gebäudeheizlasten bei gleichzeitig hohem Warmwasserkomfort – berücksichtigen. Neben der Reduzierung des Druckverlustes, was hier nicht näher betrachtet werden soll, ist vor allem die Reduzierung von Takthäufigkeit und Heizwasser-Temperaturschwankungen eine anspruchsvolle Herausforderung.
Aufgrund der geringen Bauvolumen und reduzierten Wasserinhalte fehlt bei Brennwert-Wandgeräten die dämpfende Trägheit herkömmlicher bodenstehender Heizkessel mit großen Wasserinhalten. Ohne technische Gegenmaßnahmen würde dies zum Takten des Brenners oder zu übermäßig großen Temperaturschwankungen und den damit verbundenen Ausdehnungsgeräuschen in Heiznetz und Heizkörpern führen. Übermäßiges Takten tritt dann auf, wenn die Wärmeabnahme des Gebäudes geringer ist als die kleinste modulierbare Leistung des Gerätes. Im Extremfall kann häufiges Takten auch zu Gas-Mehrverbrauch führen und so die Effizienz des Gerätes mindern.
Als Gegenmaßnahmen gegen Takten und Temperaturschwankungen stehen die folgenden Alternativen zur Verfügung:
- Verlängerung der Gerätelaufzeit durch Vergrößerung des Modulationsbereiches
- Verlängerung der Gerätestillstandszeit durch „dynamische Pausenzeitoptimierung“
Die Erweiterung des Modulationsbereichs ist begrenzt
Einer Erweiterung des Modulationsbereiches bei Gas-Brennwertgeräten sind bekannterweise physikalische Grenzen gesetzt. Druckdifferenz und Gas-Volumenstrom stehen im quadratischen Verhältnis zueinander. Um den Gas-Volumenstrom um die Hälfte zu drosseln, ist der Gasdruck auf ein Viertel in der Gasregelarmatur zu reduzieren. Bei im Prinzip wünschenswerten Modulationsbereichen von 1:10 würde dies – unter Berücksichtigung der gesamten Bandbreite der zweiten und dritten Gasfamilie – einer erforderlichen Variation des Gasvolumenstroms im Verhältnis von 1:48 entsprechen und einer Reduzierung des Gasdruckes in der Gasregelarmatur um den Faktor 2300. Die dadurch erforderlichen Regelcharakteristiken sind mit in Großserie und zu vertretbaren Kosten hergestellten Gasregelarmaturen nicht realisierbar. Erschwerend kommt hinzu, dass im Taktbetrieb häufig geregelte Modulation wegen der notwendigen höheren Startlast gar nicht erreicht wird.
Bei einer Erweiterung des Modulationsbereiches muss auch mit ansteigenden Kosten für die Hilfsenergie Strom gerechnet werden: Modulationsbereiche von 1:10 verlängern die Gerätelaufzeit um mehr als ein Drittel. Dies bedeutet aber auch, dass die elektrischen Verbraucher – Gebläse und Gasarmatur – entsprechend länger Strom verbrauchen. Damit öffnet sich eine Kostenschere, bei der zwar die Kosten für Gas zurückgehen, die Kosten für Strom aber in die Höhe klettern. Als praktikabler Modulationsbereich hat sich deshalb ein Verhältnis bis zu 1:6, also ca. 17 % Teillast, erwiesen.
Längere Gerätestillstandszeit durch Pausenzeit-Optimierung
Die zweite Alternative zur Optimierung des Betriebsverhaltens von Wärmeerzeugern mit geringem Wasserinhalt ist die Verlängerung der Gerätestillstandszeiten. Seit langem bekannt ist das Verfahren der festen Pausenzeiten, bei denen der Brenner nach jedem Betriebszyklus für einen festgelegten Zeitraum ausgeschaltet bleibt. Als Ein- und Ausschaltbedingungen gelten dabei die Grenzwerte einer Schalthysterese über bzw. unter den Sollwert. Überschreitet die Kessel-Ist-Temperatur den oberen Grenzwert, schaltet sich der Brenner aus und bleibt für die feste Pausenzeit ausgeschaltet. Erst wenn die Pausenzeit abgelaufen ist und zugleich die Kessel-Ist-Temperatur den unteren Grenzwert unterschritten hat, schaltet sich der Brenner wieder ein. Diese starre Regelung ist allerdings, da sie sich nicht an wechselnde Bedingungen anpassen kann, wenig effizient. Auch die auf dem Markt teilweise eingesetzten einstellbaren Pausenzeiten haben sich nicht bewährt, da sie bei der Inbetriebnahme des Gerätes erfahrungsgemäß nicht auf die örtlichen Gegebenheiten eingestellt werden.
Zwei Verfahren der dynamischen Pausenzeitoptimierung werden in modernen Gas-Brennwertgeräten eingesetzt:
–Pausenzeitoptimierung nach dem Integralverfahren
–Pausenzeitoptimierung nach dem Differenzialverfahren
Pausenzeitoptimierungnach dem Integralverfahren
Beim Integralverfahren macht man sich zunutze, dass entscheidend für das Komfortempfinden des Anlagennutzers die Wärme ist, die über einen längeren Zeitraum von den Heizkörpern in den Raum abgegeben wird, um das gewünschte Temperaturniveau einzuhalten. Dabei ist es zunächst unerheblich, wie hoch die Leistung ist, die das Brennwertgerät zu einem bestimmten Zeitpunkt abgibt. Anders ausgedrückt: Die durch den kleinen Wasserinhalt fehlende Massenträgheit auf der Erzeugerseite wird durch die hohe Massenträgheit der großen Heizwassermenge auf der Verbraucherseite (Wasserinhalt im Heiznetz) kompensiert.
Zu- und Abschalten des Brenners erfolgt beim Integralverfahren nicht über starre Temperaturgrenzen wie bei den festen Pausenzeiten, sondern über ein Zu- und Abschaltintegral. Das Abschaltintegral ist dabei ein Maß für die zu viel in das Gebäude eingebrachte Energie. Daher bleibt der Brenner so lange ausgeschaltet, bis das Zuschaltintegral den gleichen Wert erreicht, wie zuvor das Abschaltintegral (Bild 2). Überschusswärme wird so durch verlängerte Pausenzeiten innerhalb eines Schaltintervalls ausgeglichen. Damit dies auch bei unterschiedlichen Gebäuden und Heizungsanlagen funktioniert, ist der Schwellenwert des Abschaltintegrals auf das gewünschte Anlagenverhalten einstellbar. Um ein „Überschwingen“ dieses Regelverhaltens zu verhindern, wird bei einem Temperaturanstieg von mehr als 20 K über den Sollwert der Brenner automatisch ausgeschaltet.
Das Integralverfahren wird bereits seit Jahren zur Optimierung des Betriebsverhaltens von Mittel- und Großkesseln mit Erfolg angewendet. Bei diesen Kesseln gleichen die großen Wärmekapazitäten sowie die nachgeschalteten geregelten Heizkreise die auftretenden Temperaturschwankungen gut aus. Bei Gas-Wandgeräten mit ihren sehr viel geringeren Wärmekapazitäten und den in der Regel direkt angeschlossenen, nicht geregelten Heizsystemen kommt es dagegen zu Temperaturausschlägen von rund 30 K.
Pausenzeitoptimierungnach dem Differenzialverfahren
Beim Differenzialverfahren sind diese Temperaturschwankungen deutlich geringer ausgeprägt, weshalb es in den typischen Einsatzbereichen von Gas-Brennwert-Wand- und Kompaktgeräten – Ein- und Zweifamilienhäuser sowie Etagenwohnungen – hinsichtlich des Komforts Vorteile aufweist.
Der hinter dem Differenzialverfahren stehende Algorithmus wertet den Temperaturgradienten der Aufheizkurve innerhalb des Schaltintervalls aus, also die Geschwindigkeit in Kelvin pro Sekunde, mit der die Kesselwassertemperatur ansteigt. Die Pausenzeiten werden dann in Abhängigkeit von der Aufheizgeschwindigkeit gemäß einer vorgegebenen Funktion angepasst (Bild 3). Die Funktion wurde aufgrund aufwändiger Simulationen und Erfahrungen aus der Praxis festgelegt.
Zur Sicherstellung des Nutzerkomforts wird die Pausenzeit vorzeitig abgebrochen, wenn eine der folgenden Bedingungen vorliegt:
–Nach manuell erfolgter Sollwerterhöhung der Kesselwassertemperatur am Gerätebedienteil oder an der Fernbedienung der Anlage durch den Nutzer.
–Bei überdurchschnittlich schneller Abkühlung des Heizwassers, zum Beispiel durch Aufdrehen von Thermostatventilen durch den Nutzer.
–Bei Erreichen der unteren Hysterese-Kurve, in Abhängigkeit von der Außentemperatur (dynamische Temperaturdifferenz).
–Nach Ablauf von maximal 60 Minuten Pausenzeit.
Die beschriebenen Algorithmen und Grenzkriterien des Differenzialverfahrens haben sich im Praxisbetrieb über Heiz- und Sommerperioden bewährt.
Dabei traten die erwarteten Effekte – optimiertes Betriebsverhalten der Gas-Brennwert-Wandgeräte bei hoher Effizienz und ohne Komforteinbußen für die Nutzer – wie in den computergestützten Simulationen vorausberechnet ein.
Vergleich: Betriebsverhalten mit und ohne Pausenzeitoptimierung
Im Rahmen einer Langzeitstudie wurden sowohl durch Messreihen an praktisch ausgeführten Anlagen als auch durch rechnerische Simulationen die Auswirkungen der Pausenzeit nach dem Integralverfahren und nach dem Differenzialverfahren miteinander verglichen. Für die computergestützte Simulation kamen die Simulationsprogramme Matlab/Simulink und Trnsys zur Anwendung. Die Kombination beider Programme ermöglicht die umfassende Systemanalyse.
Der folgende Vergleich der beiden Verfahren zur Pausenzeitoptimierung bezieht sich sowohl auf das technische Betriebsverhalten (Takthäufigkeit, mittlere Brennerlaufzeit je Startintervall) als auch auf den Effizienzgewinn (Nutzungsgrad). Diese Vergleichsergebnisse sind für ein komplettes Betriebsjahr (Heiz- und Sommerperiode) gewichtet. Die vergleichende Komfortbewertung – Abweichung der Luft- und Empfindungstemperatur – in repräsentativen Räumen bezieht sich dagegen auf ausgewählte Tage in der Übergangszeit und in der Heizperiode mit vergleichbarem Außentemperaturverlauf. Referenz für alle Bewertungen ist die Geräteregelung mit fester Pausenzeit.
Taktverhalten und Takthäufigkeit
Beide Algorithmen – Integral- und Differentialverfahren – zeigen in etwa das gleiche Potenzial zur Reduzierung der mittleren Takthäufigkeit (Bild 4). Von ursprünglich 77 Takten pro Tag bei der festen Pausenzeit wurde die Zahl der Brennerstarts um ca. ein Drittel auf rund 50 Takte pro Tag verringert. Besonders positiv wirkt sich die dynamische Pausenzeitoptimierung in den Übergangs- und Sommermonaten April bis Oktober aus, wo die Takthäufigkeit von bis zu 170 Brennerstarts pro Tag auf unter 100 – und damit um über 40 % – reduziert wurde.
Im Tages-Heizwasser-Temperaturdiagramm – am Beispiel eines milden Apriltages – ist die Reduzierung der Takthäufigkeit optisch besonders gut zu erkennen (Bild 5). Erkennbar ist jedoch auch die um ein Drittel höhere Regelabweichung (+20/–10 K) der Pausenzeitoptimierung nach dem Integralverfahren gegenüber dem Differenzialverfahren (+8/–12 K), da beim Integralverfahren Begrenzungskriterien nicht umsetzbar sind.
Mittlere Brennerlaufzeit je Schaltintervall
Die dynamische Pausenzeitoptimierung nach dem Integral- bzw. Differenzialverfahren beeinflusst ebenfalls die durchschnittliche Brennerlaufzeit je Schaltintervall positiv. Die mittlere Brennerlaufzeit je Schaltintervall wird um ein Drittel von 7,65 Minuten auf 11,45 Minuten verlängert, während die Jahresgesamtlaufzeit fast unverändert bleibt (Bild 6).
Da in der Heizperiode die Pausen als auch die mittleren Brennerlaufzeiten durch die Pausenzeitoptimierung kaum beeinflusst werden, wirken sich diese Intervalländerungen vor allem in den Übergangsperioden aus. Positive Auswirkungen auf den Gasverbrauch hat die Verlängerung der Brennerlaufzeit je Schaltintervall insofern, dass die Startlastzeit überschritten wird und der Brenner im geregelten Modulationsbetrieb arbeitet.
Nutzungsgrad
Die moderne Brennwerttechnik erreicht Nutzungsgrade von bis zu 98% (bezogen auf den Brennwert). Trotz dieser bereits bis nahe an die physikalische Grenze ausgereizten Effizienz kann mit der dynamischen Pausenzeitoptimierung der Nutzungsgrad nachweislich noch verbessert werden (Bild 7). Die Effizienzsteigerung ergibt sich durch die mit der Taktreduzierung verbundene Verringerung der Vorbelüftungsphasen, den längeren Brennerlaufzeiten in der Übergangszeit (geregelter Modulationsbetrieb) sowie niedrigeren Bereitschaftsverlusten aufgrund niedrigerer mittlerer Kesselwassertemperaturen.
Komfort für den Nutzer
Unabhängig von den technischen Verbesserungen hat der höchstmögliche Komfort für den Anlagennutzer oberste Priorität. Denn bereits kleine Abweichungen der Luft- und Umgebungsflächentemperatur im Wohnraum werden deutlich als Komfortverlust wahrgenommen. Deshalb ist eine hohe Konstanz der Raumtemperaturen Voraussetzung dafür, dass die beschriebene Pausenzeitverlängerung von den Nutzern auch akzeptiert wird. Hier hat die um ein Drittel höhere Regelabweichung des Integralalgorithmus (siehe Bild 5) Nachteile, da sie sich besonders in der Heizperiode auf die Raumtemperaturkonstanz negativ auswirkt (Bild 8 a und 8 b).
Die Abweichung beim Integralalgorithmus im Winterbetrieb von ca. 0,5 K wird vom Nutzer bereits als spürbare Komforteinbuße wahrgenommen. Noch deutlicher zeigt sich die Temperaturabweichung beim Integralverfahren im Jahrestemperaturverlauf sowohl bei der Luft- als auch bei der Umgebungsflächentemperatur (Empfindungstemperatur) (Bild 9). Besonders die räumlich konzentrierten Temperaturschwankungen am Heizkörper werden negativ registriert.
Der vorangegangene Vergleich von Takthäufigkeit, mittleren Brennerlaufzeiten, Nutzungsgraden und Nutzer-Komfort zeigt klare Vorteile für die Pausenzeitoptimierung nach dem Differenzialverfahren. In modernen Gas-Brennwert-Wand- und Kompaktgeräten kommt deshalb das Differenzialverfahren zum Einsatz.
Zusammenfassende Betrachtung
Zur Optimierung des Betriebsverhaltens von Gas-Brennwertgeräten und insbesondere zur Verringerung der Takthäufigkeit stehen zwei grundsätzliche Maßnahmen zur Verfügung: Zum einen die Verlängerung der Gerätelaufzeit durch Vergrößern des Modulationsbereiches, zum anderen die Verlängerung der Gerätestillstandszeit durch dynamische Pausenzeitoptimierung.
Der Vergrößerung des Modulationsbereiches sind physikalische Grenzen gesetzt. In der Praxis haben sich Modulationsbereiche von bis zu 1:6 als realisierbar erwiesen.
Ohne Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit umsetzbar und ohne Betriebskostenrelevanz sind dagegen die Verfahren zur dynamischen Pausenzeitoptimierung, bei denen die Brennerstillstandszeiten in Abhängigkeit von der aktuellen Wärmeabnahme durch die Geräteregelung berechnet werden. Beim Integralverfahren werden innerhalb eines Schaltintervalls die Abweichungen von der Kessel-Solltemperatur über die Zeit aufsummiert und das Ergebnis als Maß für die Pausenzeit verwendet. Das Differenzialverfahren wertet dagegen den Temperaturgradienten der Aufheizkurve innerhalb eines Schaltintervalls aus.
Umfangreiche Feldmessungen und rechnerische Simulationen zeigen, dass mit beiden Verfahren die mittlere Takthäufigkeit um rund ein Drittel gesenkt werden kann. Allerdings müssen beim Integralverfahren aufgrund der um ein Drittel höheren Regelabweichung größere Temperaturabweichungen bei der Wärmeübergabe in die Räume in Kauf genommen werden, die von den Anlagennutzern als Komfortverlust empfunden werden. Das Betriebsverhalten nach dem Differenzialverfahren weist dagegen eine höhere Temperaturkonstanz auf.
Literatur
[1] Jagnow, K.; Wolff, D.; Müller, W.: Optimus Abschlussbericht von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt DBU gefördertes Forschungs- und Qualifizierungsprojekt zur Optimierung von Heizungsanlagen (Fördernummer: DBU – AZ 18315); Braunschweig/Wolfenbüttel und Bremen 2005
Weitere Informationen
Unser Autor Dr.-Ing. Manfred Dzubiella war bei Viessmann zunächst verantwortlich für Vorentwicklung Verbrennungstechnik. Aktuell ist er Leiter Modulentwicklung im Bereich Gaswandsysteme.
Unser Autor Dr.-Ing. Huu-Thoi Le ist bei Viessmann verantwortlich für Simulation und Betriebsoptimierung in der Gruppe Modulentwicklung im Bereich Gaswandsysteme.
