DE102023131207A1 - Raumtemperatur-Regelung der Warmwasser-Fußbodenheizung als Input-Regelung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Raumtemperatur-Regelung einer Fußbodenheizung oder-Flächenheizung umfassend eine Regeleinheit für jeden Raum welche über ein Mischventil (7), Heizkreispumpe (8), Volumenstrommesser (9), Temperaturfühler für Vorlauf (10) und Rücklauf (12), sowie ein Steuergerät (14) verfügt. Kern der Erfindung besteht darin, dass die Außentemperatur zur Regelung der raumweise einzubringenden Wärme verwendet wird. Die dem Raum über das Heizwasser zuzuführende Wärme entspricht der Wärme, die vom Raum über Transmission und Lüftung an die kältere Umgebung abfließt. Die dem Raum über das Heizwasser zuzuführende Wärmemenge wird vorzugsweise mittels der Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 rechnerisch ermittelt. Das Steuergerät (14) errechnet die dem Raum zuzuführende Heizlast für die jeweils vorherrschende Außentemperatur und legt die Regelgröße, die momentane mittlere Heizwassertemperatur bei festgelegtem konstantem Volumenstrom fest. Die Lufttemperatur des Raumes wird nicht gemessen und nicht zur Regelung der zuzuführenden Wärmemenge verwendet. Gleichzeitig wird die Temperatur der Raumluft und auch die nicht messbare Temperatur der Raumumschließungsflächen, als Teil des individuellen Raumklimas mit der Luftfeuchte und der Luftbewegung im Raum zur Regelgröße, die dem subjektiven Nutzerempfinden entspricht, aber wegen ihrer Komplexität vom Nutzer über eine Eingabe gesteuert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein System zur Regelung der Raumtemperatur bei Fußbodenheizungen.
• Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme zur Raumtemperatur-Regelung, insbesondere Systeme zur Regelung träger Warmwasser-Fußbodenheizungen oder Flächenheizungen, sind nicht energieeffizient und bedürfen dringend einer Verbesserung.
• Die derzeitige Raumtemperatur-Regelung der Warmwasser-Fußbodenheizung (Stand der Technik) ist eine Drossel-Regelung, die vor vierzig Jahren von der Heizkörperheizung übernommen wurde. Beide Heizungs-Systeme verhalten sich in Bezug auf die Wärmeabgabe an den Raum absolut unterschiedlich.
• Weil die Begriffe „Steuerung“ und „Regelung“ in der deutschen Sprache Synonyme sind oder zumindest häufig synonym verwendet werden, erklärt sich auch folgende Tatsache: Die Drossel-Regelung (Stand der Technik) für Heizkörperheizung ist eine echte Regelung nach DIN 19226, die gleiche Regelung bei Fußbodenheizung ist eine Steuerung ohne geschlossenen Wirkkreis.
• Für die Warmwasser-Fußbodenheizung ist bisher keine bessere Lösung als die Drossel-Regelung auf dem Markt. Diese Tatsache verhindert eine Energie-Einsparung von über 30% bei allen Warmwasser-Fußbodenheizungen im Neubau und Bestand.
• Die Drossel-Regelung (Stand der Technik) entspricht den Anforderungen an eine energieeffiziente Technik nicht und muss ersetzt werden.
1. A. Die Raumtemperatur-Regelung als Drossel-Regelung ist keine Regelung nach DIN 19226 mit geschlossenem Wirkkreis mit Rückmeldung. Die extreme Trägheit des Speicherestrichs von mehreren Stunden zwischen Actio und Reactio schließt die folgende Voraussetzung einer Regelung aus: Die Regelgröße, also die zu regelnde Größe, muss fortlaufend gemessen und mit der Führungsgröße verglichen werden, um die Regelgröße an die Führungsgröße anzupassen. Das ist auch wegen der Trägheit des Heizestrichs nicht möglich. Auszug aus dem Text der DIN 19226: „Das Regeln, die Regelung, ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße (die zu regelnde Größe) erfasst und mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungskreis des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst.“
2. B. Die systembedingt und auch von der GEG §63 geforderte Regelgröße „Raum-Temperatur“, die aus Raum-Luft-Temperatur und Temperatur der Raumumschließungsflächen besteht, kann nicht gemessen werden. Der Raumfühler (Raumthermostat) kann nur die Luft-Temperatur des Raumes, also nur etwa 20% der geforderten Raum-Temperatur, messen. Die restlichen 80% der Raum-Temperatur betreffen die Strahlungs-Temperatur der Raum-Umschließungsflächen, die nicht gemessen werden kann. Die über Strahlung an den Raum abgegebene Wärme kann nicht gemessen oder quantifiziert und deswegen in den Regelprozess nicht eingebunden werden.
• Begriffe Raumtemperatur / Lufttemperatur (Wikipedia):
• - „Die RAUMTEMPERATUR oder Innentemperatur ist eine zusammenfassende Temperaturgröße aus der örtlichen Lufttemperatur und der Strahlungstemperatur der einzelnen Umgebungsflächen“.
• - Die LUFTTEMPERATUR ist die Temperatur der den Menschen umgebende Luft ohne Strahlungseinwirkung.
• Die Fußbodenheizung mit Drossel-Regelung (Stand der Technik) ist eine „Angebotsheizung“.
• Definition Angebotsheizung: Wärme wird dem Heizkörper angeboten.
• Bei der Angebotsheizung wird das Heizwasser mit dem Wärmeinhalt der errechneten Heizlast aller Räume des Hauses über das Rohrnetz zu den Heizkörpern/Heizflächen gepumpt. Jedem Heizkörper/Heizfläche soll mit Hilfe des hydraulischen Abgleichs die Wassermenge zugeführt werden, die der errechneten Raumheizlast entspricht. Die Raumtemperatur-Regelung sollen die Raumthermostate übernehmen.
• Die einwandfreie Funktion der Angebotsheizung setzt eine perfekte Berechnung, Auslegung und Einregulierung der Heizungsanlage voraus.
• Die Drossel-Regelung einer Angebotsheizung entspricht keiner der Anforderungen einer „intelligenten Regelung“.
• Beide Heizungssysteme, Heizkörperheizung und Fußbodenheizung haben das gleiche Regelsystem, die Drossel-Regelung, obwohl beide Systeme auch bezüglich der Wärmeabgabe an den Raum absolut unterschiedlich sind.
• Wärmeabgabe der Heizkörperheizung etwa 80% über Konvektion an die Raumluft, 20% über Strahlung.
• Somit kann die Lufttemperatur mit dem Raumfühler gemessen auch die Regelgröße darstellen. Der Raumfühler ist an allen Heizkörpern direkt im Thermostatventil am Heizkörper angebracht. Die Drossel-Regelung ist hier ein geschlossener Wirkkreis mit Rückmeldung und laufender Anpassung von Mess- und Regelgröße. Es ist als eine Regelung nach DIN 19226 und entspricht der GEG §63.
• Wärmeabgabe Fußbodenheizung etwa 20% über Konvektion an die Raumluft, 80% über Strahlung an die Raumumschließungsflächen.
• Die über Raumfühler gemessene Temperatur der Raumluft (20%) ist nicht gleich der Raumtemperatur, die Temperatur durch den Strahlungsanteil (80%) fehlt. Zusätzlich sind die Raumfühler häufig eher zufällig, nicht an repräsentativen „Mess“-Stellen im Raum positioniert.
• Zusätzlich kann physikalisch bei mindestens der halben Heizperiode, bei Außentemperaturen zwischen +5 und +20°C kaum eine Lufterwärmung über Konvektion entstehen. Hier ist die Oberflächentemperatur des Bodens bei +22 bis +20°C (Siehe Tabelle 3).
• Gutachten belegen, dass diese „regellose“ Phase praktisch ohne konvektive Aufheizung der Luft an den Raumumschließungsflächen, den Nutzer zur „Regelung“ der Innentemperatur über geöffnetes Fenster animieren. Dieser sogenannte „Rebound-Effekt“ führt laut Gutachten zu einer Energieverschwendung von über 20%.
• Ebenfalls haben die kältesten Außenflächen des Raumes, die Fenster, eine Innentemperatur von +17 bis +20°C. Bei dem geringen Temperaturunterschied zur Norm-Innentemperatur (Raumluft, 20°C) gibt es wegen der unterschiedlichen Dichte der kälteren Oberfläche kaum noch Kaltluftabfall, der zu einer Luftwalze führen könnte. Zusätzlich wird, der hygienischen Vorschrift entsprechend, ein 0,5-facher Luftwechsel die komplette Raumluft im Turnus von zwei Stunden jeweils durch kalte Frischluft ersetzen.
• Ein weiteres Argument ist, dass die vermeintliche Regelgröße „Raumluft“ aus Trägheitsgründen der Speicherheizung, die Messgröße nicht fortlaufend, sondern erst jeweils über Stunden vergleichen und anpassen.
• Die Drossel-Regelung bei Fußbodenheizung ist keine Regelung nach DIN 19226 und entspricht nicht der GEG §63.
• Zusammenfassung der Erfindung:
• Um die systembedingte Energieverschwendung zu verhindern, muss die träge Fußbodenheizung in Zukunft mit einer zeitgemäßen „intelligenten“ Regelung" mit geschlossenem Wirkkreis mit Rückmeldung entsprechend DIN 19226 ausgestattet werden.
• Das setzt allerdings eine zu 100% genaue Mess- und Regelgröße voraus.
• Da die nicht messbare „Raumtemperatur“ bei Fußbodenheizung, wie beschrieben, als Regelgröße nicht in Frage kommen kann, muss ein anderer Weg beschritten werden. Bevor man auf das Ergebnis, die vom Boden an den Raum in Form von Konvektion und nicht messbarer Strahlung abgegebene Wärme, einige Stunden wartet, soll die in den Fußbodenheizkreis hineingeschickte Wärmemenge, die exakt der errechneten Raumheizlast entsprechen soll, geregelt werden.
• Eine präzise Führungsgröße ist beispielsweise die nach DIN EN 12831 gerechnete Raumheizlast oder eine zukünftig adäquate Form der berechneten Raumheizlast.
• Keines der derzeit auf dem Markt befindlichen Regelsysteme kann die in den Heizkreis geschickte Wärmemenge genau messen und definieren. Darum ist es sehr unwahrscheinlich, dass diese Wärmemeng im Heizwasser der Raumheizlast entspricht.
• Dafür sind die Berechnungen zur Auslegung der Fußbodenheizung nach DIN EN 1264 und die nachfolgenden Einregulierarbeiten zu ungenau. Eine genaue raumweise Information über die Kreis-Wassermenge (kg/h) und Heizwassertemperaturen (°C) von Vor- und Rücklauf für den jeweiligen Heizkreis gibt es bei der Drossel-Regelung nicht.
• Die Raumheizlast ist die Wärmemenge (Wärmestrom) des Raumes, die laufend über Transmission durch die Raumumschließungsflächen und über Lüftung an die kältere Umgebung abfließt.
• Die nach DIN EN 12831 gerechnete Heizlast ist eine absolut genaue Darstellung der bauphysikalischen Situation des Gebäudes und der hygienischen Mindestanforderungen an die Raumlüftung. Die Heizlast wird auf ein in der DIN vorgegebenes Außentemperatur-Maximum, der Norm-Außentemperatur, für das Baugebiet und die raumweise genormte Norm-Innentemperatur errechnet.
• Die Heizlast ist eine Funktion der Außentemperatur.
• Die Außentemperatur verändert sich während der Heizperiode zwischen diesem Maximum, der Norm-Außentemperatur und der Außentemperatur am Ende der Heiznotwendigkeit bei +20°C.
• Die der errechneten Raumheizlast entsprechende Wärmemenge im Heizwasser, die dem Fußboden-Heizkreis zugeführt werden soll, wird durch die Kreiswasser-Menge (kg/h) und die mittlere Heizwasser-Temperatur (°C) genau definiert. Die mittlere Heizwassertemperatur ergibt sich aus Vor- und Rücklauf-Temperatur des Heizwassers.
• Die ideale Regelung jeden Heizkreises (Raum) ist eine Beimisch-Regelung als Bedarfsheizung (1).
• Definition Bedarfsheizung: Wärme wird vom Heizkörper angefordert.
• Hier wird jedem einzelnen Raum über das Heizwasser nur die Wärmemenge zugeführt, die tatsächlich gebraucht wird. Kennzeichen der Beimisch-Regelung: Jeder Raum ist ein eigener Regelkreis mit einer Minipumpe (2 Watt, 4,5cm), Mischventil, Wassermengen-Zähler, Temperaturfühler für Vor- und Rücklauf. Über die Drehzahl bestimmter Pumpen kann die Wassermenge auch exakt definiert werden. Bei der Input-Regelung werden alle relevanten Soll- und Ist-Werte exakt gemessen und angezeigt.
• Die mittlere Heizwassertemperatur, die mit der Kreiswassermenge der errechneten Raum-Heizlast entsprechen soll, ist von der sich laufend verändernden Außentemperatur abhängig.
• Statt der bisher gemessenen Luft-Temperatur im Raum, die keine verbindliche Regelgröße darstellt, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem erfindungsgemäßen System zur Raumtemperatur-Regelung bevorzugt die nach DIN EN 12831 gerechnete Heizlast oder ein hiervon abgeleiteter Wert zur Führungsgröße. Ein abgeleiteter Wert kann zum Beispiel eine mittlere Temperatur bei einem gegebenen Volumenstrom sein. Auch andere abgeleitete Werte, wie der Volumenstrom, oder eine Kombination aus beiden ist möglich. Zudem kann die Führungsgröße ein auf der berechneten Heizlast basierender durch einen Nutzer bevorzugt proportional zur errechneten Heizlast verschobener Wert sein.
• Diese als Raumklima bezeichnete Kennlinie bzw. der bei einer bestimmten Außentemperatur entsprechende Wert oder ein hiervon abgeleiteter Wert kann ebenfalls die Führungsgröße darstellen. Ein abgeleiteter Wert kann zum Beispiel eine mittlere Temperatur bei einem gegebenen Volumenstrom sein. Auch andere abgeleitete Werte, wie der Volumenstrom, oder eine Kombination aus beiden ist möglich.
• Das „Raumklima“ kann wegen seiner Komplexität physikalisch nicht gemessen werden. Es wird vom Nutzer beurteilt und manuell vorgegeben in Form der angepassten Kennlinie (siehe 2).
• Definition „Raumtemperatur“ und „Raumklima“:
• „Die Raumtemperatur oder Innentemperatur ist eine zusammenfassende Temperaturgröße aus der örtlichen Lufttemperatur und den Strahlungstemperaturen der einzelnen Umgebungsflächen“.
• Das Raumklima hat einen entscheidenden Einfluss auf das Wohlbefinden, die Gesundheit und Leistungsfähigkeit des Nutzers. Die thermischen Bedingungen im Raum sind maßgeblich dafür verantwortlich, dass ein hoher thermischer Komfort im Raum erreicht wird.
• Die wichtigsten, das „Raumklima“ bestimmenden physikalischen Parameter sind: Die Lufttemperatur, die Wärmestrahlung der Raum-Umschließungsflächen wie Wände, Decken, Fußboden, Fenster, Luftfeuchte sowie die Luftgeschwindigkeit im Raum.
• Alle Warmwasser-Fußbodenheizungen können mit der neuen Input-Regelung und der aus dem nutzerspezifischen Raumklima errechneten Heizwasser-Temperatur als Regelgröße ausgestattet werden.
• Eine Alternative zur Drossel-Regelung als „Angebotsheizung“ (Stand der Technik) ist als raumweise Beimisch-Regelung in Form einer „Bedarfsheizung“ bekannt. Ein solches System zur Regelung einer Fußbodenheizung, regelt die raumweise unterschiedliche Temperatur des Heizwassers statt der Durchflussmenge, bzw. den Volumenstrom jeden Heizkreises. Die raumweise Beimisch-Regelung ist nicht neu, aber Voraussetzung für eine „intelligente Regelung“.
• Eine andere Alternative ist die Regelung über PWM-Pulsweitenmodulation. Diese PWM steuert im Gegensatz zur Beimisch-Regelung die Kreiswassermenge bei konstanter Heizwassertemperatur. Das ist keine Regelung nach DIN 19226, sondern eine Steuerung, die die Modulation an Hand der vermeintlich gemessenen „Raumtemperatur“ festlegt. Auch hier entsteht das gleiche Problem, es kann nur die Luft-Temperatur (etwa 20%) gemessen werden, was wie bereits beschrieben nicht repräsentativ für die „Raumtemperatur“ ist.
• Die Pulsweitenmodulation kann ebenfalls über die errechnete Raumheizlast nach DIN EN 12831 geregelt werden, indem daraus die Pulsweiten errechnet werden müssen. Allerdings muss die genaue Kreiswassermenge bei geöffnetem Kreisventil/Stellantrieb genau gemessen werden können und auch die Vor- und Rücklauftemperatur des Kreises. Erst dann ist die genaue Pulsfolge und -Weite der errechneten Raumheizlast energieeffizient zuzuordnen.
• Jeder Raum der bekannten „Bedarfsheizung“ ist ein eigener Regelkreis mit Mischventil und Minipumpe, Durchflussmengenmesser und zwei Temperaturfühlern. Dem Raum wird über das Heizwasser nur die Wärmemenge zugeführt, die tatsächlich gebraucht wird.
• Definition Bedarfsheizung: Wärme wird vom Heizkörper angefordert.
• Die Bedarfsheizung führt jedem einzelnen Raum über das Heizwasser nur die Wärmemenge zu, die tatsächlich gebraucht wird und vorher ermittelt wurde.
• Jeder Raum ist ein eigener Regelkreis mit Mischventil und Minipumpe und zwei Temperaturfühlern. Das garantiert eine reaktionsschnelle Regelung jeden Heizkreises mit geschlossenem Wirkungskreis (DIN 19226).
• Nicht mehr notwendig sind systembedingt eine exakte Berechnung und Auslegung der Fußbodenheizung, hydraulischer Abgleich und die zentrale witterungsgeführte Gebäude-Regelung. Statt den Räumen laufend Wärme über das Heizwasser zuzuführen, wird dem Wärmeverteilnetz des Gebäudes nur bei Bedarf einzelner Räume Wärme entnommen.
• Wichtig: Bei der Input-Regelung als Bedarfsheizung kann auf die nach DIN EN 12831 einzurechnende „Reserve“, die Wohnungstrennwände zur Nebenwohnung in die Raumheizlast, wegen des möglichen abgesenkten Heizbetriebes verzichtet werden, um eine absolut genaue Regelgröße zu bekommen.
• Die bekannte Beimisch-Regelung garantiert eine laufende Anpassung der Regelgröße an die Führungsgröße und ist somit eine echte Regelung mit geschlossenem Wirkkreis. Das Problem bei der Drossel-Regelung (Stand der Technik) ist die Tatsache, dass die die operative Raumtemperatur mit einem Raumfühler nicht gemessen werden kann, weil die Fußbodenheizung die Wärme an den Raum sowohl über Konvektion an die Raumluft (etwa 20%) als auch über Strahlung (etwa 80%) an den Raum abgibt. Der Teil der Raumtemperatur, der über Strahlung an die Umschließungsflächen abgegebenen wird, kann nicht gemessen werden (Quantenphysik).
• Grundsätzlich soll bei Fußbodenheizung / Flächenheizung die Input-Regelung mit der Raumheizlast bzw. der daraus resultierenden Durchflussmenge und der mittleren Heizwassertemperatur als Regelgröße, für alle Regelsysteme eingesetzt werden. Auch z.B. eine Pulsweitenmodulation kann eigentlich nur mit dieser Regelgröße energieeffizient betrieben werden.
• Ein gesicherter und genauer Wert ist die Raumheizlast, die nach DIN EN 12831 gerechnet wird. Die Raumheizlast soll der Wärmemenge entsprechen, die stündlich über Transmission und Lüftung vom Raum an die kältere Umgebung (Außenluft) abfließt.
• Die Raumheizlast verändert sich in Abhängigkeit mit der Außentemperatur.
• Die Grundidee der Erfindung beruht darauf, die dem Raum über das Heizwasser zuzuführende Wärme vor dem Raumeintritt so zu regeln, dass die in der normativen Berechnung der Heizlast angenommene Raumtemperatur konstant bleibt.
• Die dem Raum zuzuführende Wärme und die vom Raum an die kältere Umgebung abfließende Wärme müssen sich die Waage halten.
• Eine Regelung der trägen Fußbodenheizung mit nicht messbarer operativer Raumtemperatur ist nur möglich, wenn die genaue dem Raum zuzuführende Wärme vor dem Eintritt der Wärme in den Raum geregelt wird. Hierdurch ist es möglich, die Trägheit des Systems bei der Regelung auszuschließen, bzw. erheblich zu verkleinern.
• Erfindungsgemäß besitzt das System zur Input-Regelung ein Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, die Wärme im Heizungswasser jeden Heizkreises so zu regeln, dass diese dem errechneten Raum-Wärmebedarf (Raumheizlast) entspricht, bevor sie in den Fußbodenheizkreis geschickt wird.
• Dabei ist das Steuergerät dazu ausgebildet, die Raumheizlast, die dem Raum zugeführt werden muss, rechnerisch genau zu ermitteln. Oder die berechneten Werte sind in dem Steuergerät hinterlegt. Dieser Wärmebedarf entspricht der vom Raum nach draußen abfließenden Wärme. Dieses Gleichgewicht hält die geforderte Raumtemperatur und somit die Raumtemperatur im Raumklima konstant.
• Die dem Heizwasser zugeführte Wärme wird über den Kreis-Volumenstrom (kg/h) und die Temperaturdifferenz (K) zwischen Vor- und Rücklauf-Temperatur (°C) genau definiert und geregelt.
• Die „Input-Regelung“ regelt die der Raum-Heizlast entsprechende Wärmemenge im Heizwasser direkt bevor das Heizwasser in den Fußbodenheizkreis des Raumes gepumpt wird. Das ist eine echte Regelung nach DIN 19226 mit geschlossenem Wirkkreis.
• Die Raum-Heizlast verändert sich systembedingt laufend in Abhängigkeit der Außentemperatur. Die mittlere Heizwassertemperatur, welche die zu regelnde Größe, also die Regelgröße darstellt, wird laufend in Abhängigkeit der Außentemperatur mit Werten der Heizkennlinie des Raumes verglichen, welche in einem Steuergerät hinterlegt sind, so dass die Heizwassertemperatur laufend der außentemperaturbestimmten Heizlast angepasst wird.
• Diese laufende, verzögerungsfreie Messung und Anpassung von Messgröße und Regelgröße definieren die Regelung mit geschlossenen Wirkkreis und Rückkopplung nach DIN 19226.
• Die spätere Wärmeverteilung im Raum zwischen Konvektion und Strahlung ist von vielen Faktoren abhängig, für diese energieeffiziente Regelung jedoch nicht relevant.
• Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur raumweisen Regelung der Raumtemperatur bei Fußbodenheizungen, wobei die an den Raum abzugebende Wärmemenge des Heizwassers regelt wird, indem-als Führungsgröße zur Regelung der abgegebenen Wärmemenge_eine errechnete Raumheizlast (Wärmebedarf) bevorzugt nach DIN EN 12831 bzw. ein hiervon abgeleiteter Wert, wie die mittlere Heizwassertemperatur und/oder der Volumenstrom oder ein auf der errechneten Raumheizlast basierendes individuell einstellbares Raumklima bzw. ein hiervon abgeleiteter Wert, wie die mittlere Heizwassertemperatur und/oder der Volumenstrom verwendet wird, und wobei die Regelung der abgegeben Wärmemenge erfolgt, bevor die Wärme in den Raum eintritt. Dies ermöglicht, die Trägheit des Systems bei der Regelung auszusparen. Im Stand der Technik wird meist die Lufttemperatur mit einbezogen, welche bewirkt, dass die Trägheit einer Fußbodenheizung sich besonders nachteilig auswirkt. Besonders bevorzugt wird die Lufttemperatur bei der Regelung explizit nicht verwendet, oder nur in einem solchen Maße, dass sie weniger als 20% Einfluss auf die Regelung hat.
• Wird z.B. ein Teil des wärmeabgebenden Bodens mit Möbeln oder losen Teppichen belegt und somit die Wärmeabgabe dieser Stellen verhindert, wird über die Komfort- oder Raumklima-Kennlinie dieses Manko korrigiert.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.
• Dabei zeigt:
• 1 das Prinzip Fußboden-Heizkreis am Wohnungsverteiler;
• 2 das Funktions-Diagramm der Heizkennlinien;
• 3 Tabellenwerte am Beispiel eines Raumes mit Fußbodenheizung in Abhängigkeit der Außentemperatur.
• Bezugszeichenliste:

1

Rücklauf-Sammler

2

Rücklauf-Absperrventil

3

Rücklauf-Leitung zum Sammler

4

Rücklauf-Bypass

5

Vorlauf-Verteiler

6

Vorlauf-Leitung vom Verteiler

7

Mischventil

8

Heizkreis-Pumpe

9

Volumenstrommesser

10

Temperaturfühler Vorlauf

11

Vorlauf Heizkreis

12

Temperaturfühler Rücklauf

13

Rücklauf Heizkreis

14

Steuergerät zur Info-Verarbeitung

15

Signalleitungen Regelkreis

15'

Signalleitungen Externe Informationen

16

Heizschlange Fußbodenheizung

17

Heizestrich

18

Bodenoberfläche wärmeabgebend

19

Wärmestrahlung

20

Konvektion (Luftwalze)

21

Raumluft

22

Raum-Umschließungsflächen

23

Außentemperatur-Fühler / Information

24

Komfort-individuelle Wohlfühleinstellung

• 1 stellt einen Abschnitt eines typischen Wohnungsverteilers mit den entsprechenden Armaturen (1-6) dar. Diese Schaltung ist die Voraussetzung für eine „intelligente Regelung“.
• Ein vom Verteiler (1) / Sammler (5) abzweigender Heizkreis (Raum), hier in Form einer Beimisch-Regelung, besteht im Wesentlichen aus Mischventil (7), Minipumpe (8), Volumenstrommesser (9) und den Temperaturfühlern im Vor- und Rücklauf (10, 12).
• Über die Signalleitungen (15`), die auch WLAN- oder Funk-Verbindungen usw. sein können, wird dem Steuergerät (14) von draußen die aktuelle Außentemperatur, ggf. der Wetterbericht und andere Informationen wie Abwesenheitskennung usw. zugeführt.
• Über die Signalleitungen (15) (auch WLAN usw.) fließen die aktuellen Informationen der Regelung wie Heizwasserstrom vom Volumenstrommesser (9) und die Temperaturen von Vor- und Rücklauf (10, 12) in das Steuergerät (14) ein.
• Alternativ zum Volumenstrommesser (9) kann die mess- und steuerbare Drehzahl der Minipumpe (8) auch eine genaue Angabe zum Volumenstrom (kg/h) geben und diese über die Signalleitung (15) an das Steuergerät (14) weitergeben.
• Durch die Zuleitungen, Vorlauf (11) und Rücklauf (13) fließt bereits geregeltes Heizungswasser (Volumenstrom und Temperatur) in die Heizschlange (16) der Fußbodenheizung. Das Rohr ist die Heizfläche, die die Wärme durch den Estrich (17) an die Bodenoberfläche (18) leitet. Diese gibt die Wärme über Strahlung (19) und Konvektion (20) an die Raumluft (21) und die Raumumschließungsflächen (22) ab.
• 2 stellt im Wesentlichen das in dem Steuergerät (14) hinterlegte Funktionsdiagramm für jeden einzelnen Raum dar.
• Neben spezifischen Raumdaten wie Raumnutzung, DIN-Raumtemperatur und Raumfläche fließen Zusatzinformationen wie die aktuelle Außentemperatur AT (23), der Wettervorhersage, Einstellungen zu Absenkbetrieb bei Abwesenheit und die individuell einstellbare, dem Raumklima entsprechende Komforteinstellung KO (24) ein. Diese Merkmale sind Teile einer „intelligenten Regelung“.
• Im Beispiel-Diagramm sind die Außentemperatur (ta min) auf der Y-Achse und die spezifische Heizlast des Raumes (W/m²) auf der X-Achse dargestellt. Parallel zu der unteren X-Achse ist in der oberen waagerechten Achse die mittlere Heizwassertemperatur (tm °C) dargestellt, die in diesem Beispiel der spezifischen Heizlast (W/m²) entspricht und in dem Steuergerät (14) hinterlegt ist.
• Die zwei Heizkennlinien haben unterschiedliche Funktionen. Die Heizkreiskennlinie 1 entspricht der errechneten Raumheizlast nach DIN EN 12831 für die der Klimazone entsprechende Norm-Außentemperatur, hier ta min -16°C, oder einer anderen angenommenen spezifischen Größe wie Gebäudeheizlast aus dem Wärmeschutznachweis usw.
• Für den hier mit 50 W/m² angenommenen Wert ist in dem Steuergerät (14) für diesen Raum eine mittlere Heizwassertemperatur von 37°C bei Auslegungstemperatur -16°C hinterlegt. Die Heizkennlinie 1 wird auch Basiskennlinie oder Referenzkennlinie genannt.
• Die Heizkreiskennlinie 2 ist die nutzerspezifische Komfort- oder Raumklima-Kennlinie.
• Da das Raumklima insgesamt nicht gemessen werden kann, stellt der Nutzer seine individuelle Kennlinie ein. In dem Beispiel aus 2 wünscht der Nutzer einen höheren Wärmeeinsatz und wählt einen höheren Wert, der der spezifischen Raumheizlast von 65 W/m² entspricht. Im Steuergerät (14) ist die dazugehörige mittlere Heizwassertemperatur von 41,5°C hinterlegt. Diese Werte sind für das Regelventil (7) relevant. Die raumweise Temperaturspreizung delta t (K) und der Volumenstrom des Heizkreises (kg/h) sind bekannt und in dem Steuergerät (14) hinterlegt. Die Vorlauf-Temperatur, die hier der mittleren Heizwassertemperatur von 41,5°C entspricht, wird zur Messgröße und von dem Steuergerät (14) mit der der mittleren Heizwassertemperatur entsprechenden Regelgröße „Vorlauf-Temperatur“ über den Temperaturfühler (10) laufend gemessen, verglichen und angepasst.
• Den Unterschied zwischen den beiden Kennlinien kann der Nutzer laufend abfragen. So kann er nicht nur den absoluten momentanen Raum-Wärmeverbrauch erkennen, sondern auch den Heizmehr- oder Minderverbrauch der durch die Wahl seiner individuellen Komfort- oder Raumklima-Kennlinie entsteht.
• Bei der Wahl einer Komfortkennlinie mit einer niedrigeren Raumheizlast wird die Höhe des Minderverbrauchs und der Energieeinsparung durch die Differenz zwischen den beiden Kennlinien dargestellt.
• Ein psychologischer Energiespareffekt ist die Tatsache, dass der Nutzer nach einer Ausführung laufend den absoluten Wärmeverbrauch, den Unterschied zwischen der Referenz-Kennlinie 1 und der von ihm gewählten Komfort-Kennlinie 2 für jeden Raum mitgeteilt bekommt. Es kann z.B. der Mehrverbrauch, der sich aus der Differenz aus der spezifischen Heizlast 50 W/m² und 65 W/m² ergibt, sein.
• 3 stellt eine Tabelle dar, die beispielhaft die wesentlichen sich verändernden Werte in Bezug auf die Wärmeabgabe der Fußbodenheizung eines Raumes in Abhängigkeit der sich ändernden Außentemperatur zeigt.
• Vorgaben: Raumheizlast nach DIN EN 12831
• - Raumheizlast 780 W
• - Raumfläche 15,0 m²,
• - Norm-Außentemperatur -16°C
• - Norm-Innentemperatur +20°C
• - Fußbodenheizungs-Auslegung nach DIN EN 1264
• - Delta t bei Auslegung 10K
• - Fußboden RI 0,10 W/m²K
• - Rohr 17x2
• - Rohrabstand RA 20 cm
• Tabelle Kopfzeile:
• - „tm“ - Mittlere Heizwassertemperatur
• - „tv“ und „tr“ - Vor- und Rücklauf-Temperatur
• - „Delta t“ - Temperaturunterschied Vorlauf- / Rücklauf-Temperatur
• - „W/m²“ - Spezifische Wärmeleistung des Bodens
• - „Watt“ - Gesamt-Wärmeleistung des Bodens
• - „kg/h“ - Kreiswassermenge
• - „t ofl“ - Oberflächentemperatur des Bodens
• - „ta min“ - Norm Außentemperatur
• Aus 3 können die einzelnen, sich verändernden Werte in Abhängigkeit der Außentemperatur („ta min“) zwischen +20°C bis -16°C abgelesen werden. Auffallend ist die Oberflächen-Temperatur des Bodens („t Ofl“) bis zur Außentemperatur von +5,1 °C, die die mittlere Außentemperatur in der Heizperiode darstellt. Die Werte liegen zwischen +20° und +22,2°C und reichen wie beschrieben für eine konvektive Lufterwärmung nicht mehr aus.
• Die folgenden Patentansprüche basieren auf folgenden neuen Erkenntnissen:
• - Die Regelgröße der Fußbodenheizung kann nicht die Raumtemperatur sein, weil der messbare Anteil der Wärmeabgabe an den Raum nur der 20% Anteil der Raumluft-Temperatur ist. Der 80%- Strahlungsanteil kann nicht gemessen und erfasst werden.
• - Die Trägheit der Fußbodenheizung lässt keine Regelung nach DIN 19226 mit geschlossenem Wirkkreis und Rückmeldung zu. Die Trägheit der Fußbodenheizung lässt sich bei der Regelung ausklammern, wenn der Regelkreis nicht den gesamten Raum mit einschließt. Geregelt werden muss der Wärmeeintrag, bevor er über den Estrich in den Raum eingetragen und an die Luft weitergeben worden ist.
• - Die zuverlässigste Führungsgröße ist die nach DIN EN 12831 errechnete Raumheizlast. Die zuverlässigste Regelgröße, ist der über das Heizwasser abgegebene Wärmestrom.
• - Die im Heizwasser dem Raum zugeführte, der Raumheizlast entsprechende Wärmemenge lässt eine perfekte Regelung mit geschlossenem Wirkkreis und Rückinformation entsprechend DIN 19226 zu.
• - Diese Wärmemenge im Heizwasser wird erst nach der Beimisch-Regelung dem Raum zugeführt.
• - Die Führungsgröße „Raumklima“ als Alternative der Basiskennline 1, die rein mathematisch der nach DIN errechneten Raumheizlast entspricht, beinhaltet ein die Komfort- oder Nutzerkennlinie 2. Diese zweite Kennlinie beinhaltet ein Konvolut aus nicht messbaren Werten wie Lufttemperatur, Temperatur der Raumumschließungsflächen, Luftfeuchtigkeit sowie Luftbewegung im Raum und entspricht dem reinen Komfortempfinden des Nutzers.

Claims (13)

1. System zur raumweisen Input-Regelung der Raumtemperatur einer Fußbodenheizung oder Flächenheizung, wobei jeder Raum, eine Regeleinheit, Volumenstrommesser (9), Temperaturfühler für Vorlauf (10) und Rücklauf (12) umfasst, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (14), welches die an den Raum abzugebende Wärmemenge des Heizwassers regelt, indem als Führungsgröße zur Regelung der abgegebenen Wärmemenge (Regelgröße) - die errechnete Raumheizlast (Wärmebedarf) bzw. ein hiervon abgeleiteter Wert, wie die mittlere Heizwassertemperatur und/oder der Volumenstrom oder - ein auf der errechneten Raumheizlast basierendes individuell einstellbares Raumklima bzw. ein hiervon abgeleiteter Wert, wie die mittlere Heizwassertemperatur und/oder der Volumenstromverwendet, verwendet wird, wobei die Regelung der abgegebenen Wärmemenge erfolgt, bevor die Wärme in den Raum eintritt.
2. System nach Anspruch 1, wobei die Regeleinheit ein Mischventil (7) und eine Heizkreispumpe (8) umfasst.
3. System nach Anspruch 1, wobei in dem Steuergerät (14), die Raumheizlast nach DIN EN 12831 berechnet wird oder hinterlegt ist.
4. System nach Anspruch 1, wobei die Lufttemperatur des Raumes für die Regelung nicht zum Einsatz kommt.
5. System nach Anspruch 1, wobei das Raumklima ein proportional zur errechneten Heizlast individuell angepasster Wert ist.
6. System nach Anspruch 5, wo bei das Raumklima vom Nutzer einstellbar ist.
7. System nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät (14) dazu ausgebildet ist, die Außentemperatur in die Raumtemperatur-Regelung mit einzubeziehen, wobei die Heizungsanlage nicht dazu ausgebildet ist das Heizwasser zentral gebäudeweise vorzuregeln GEG 2020 §61).
8. System nach Anspruch 1, zur raumweisen Temperatur-Regelung, dadurch gekennzeichnet, dass die Input-Regelung eine Regelung des Heizwassers nach DIN19226 mit geschlossenem Wirkkreis und Rückmeldung entspricht, die Außentemperatur mit einbezieht und somit auch die Forderungen der GEG 2020 §61 und §63 erfüllt.
9. System zur Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (14) die sich in Abhängigkeit der Außentemperatur laufend verändernden Werte der beiden Heizungskennlinien, der Basis- oder Referenzkennlinie und der Raumklima- oder Komfortkennlinie im Betriebszustand laufend vergleicht, und die Unterschiede zu Mehrverbrauch und Energieeinsparung als transparente Verbrauchsinformation raumweise ausgibt.
10. System zur Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (14) dazu ausgebildet ist, neben der Raumheizlast aus der HeizlastBerechnung nach DIN EN 12831 auch die Gebäudeheizlast aus dem Wärmeschutznachweis oder der Effizienzhaus-Stufe (kfw) anzunehmen.
11. System zur Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit über ein Kreisventil/Stellantrieb verfügt und das System dazu ausgebildet ist, die vom Heizkreis abgegebene Wärmemenge durch PWM-Pulsweitenmodulation zu regeln, sodass bei einer systembedingt vorgegebenen Heizwassertemperatur und bei vorgegebenem Volumenstrom die Pulsweite entsprechend geregelt wird, um die berechnete Raumheizlast oder das Raumklima bereit zu stellen.
12. Verfahren zur raumweisen Regelung der Raumtemperatur bei Fußbodenheizungen, wobei die an den Raum abzugebende Wärmemenge des Heizwassers geregelt wird, indem als Führungsgröße zur Regelung der abgegebenen Wärmemenge_eine errechnete Raumheizlast (Wärmebedarf) bzw. ein hiervon abgeleiteter Wert, wie die mittlere Heizwassertemperatur und/oder der Volumenstrom oder ein auf der errechneten Raumheizlast basierendes individuell einstellbares Raumklima bzw. ein hiervon abgeleiteter Wert, wie die mittlere Heizwassertemperatur und/oder der Volumenstrom verwendet wird, wobei die Regelung der abgegeben Wärmemenge erfolgt, bevor die Wärme in den Raum eintritt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lufttemperatur bei der Regelung explizit nicht verwendet wird, oder nur in einem solchen Maße, dass sie weniger als 20% Einfluss auf die Regelung hat.

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