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Die
Erfindung betrifft eine Wärmeversorgungseinrichtung,
insbesondere zur Wärmeversorgung
von Gebäuden
oder auch zur Erzeugung von Prozesswärme.
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Fernwärmesysteme
weisen in der Regel so genannte Hausanschlussstationen auf, bei
denen die mit einem geeigneten Wärmeträgermedium
herangeführte
Wärme an
einen Heizkreislauf übergeben
wird. Zur Übergabe
dienen beispielsweise Wärmetauscher oder
auch Strahlpumpen, mit denen als Wärmeträger dienendes Heißwasser
oder Dampf in das Wasser des Heizkreislaufs eingeleitet wird. In
der Verbindungsleitung zwischen der Hausanschlussstation und der
das Wärmeträgermedium
heranführenden Leitung
ist in der Regel ein Sicherheitsabsperrventil vorgesehen, das die
Leitung absperrt, falls hinter diesem Ventil ein zu hoher Druck
festgestellt wird. Damit soll vermieden werden, dass bei Schäden an der Hausanschlussstation unkontrolliert
Energie freigesetzt wird, indem beispielsweise Anlagenteile platzen und
Dampf ausströmt.
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Das
Sicherheitsabsperrventil ist ein sicherheitskritisches Bauteil.
Dieses muss jederzeit betriebsbereit sein und zwar auch dann, wenn
es über Monate
hinweg nicht betätigt
worden ist.
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Aus
diesem Problem heraus schlägt
die
DE 195 18 304
C2 vor, eine Sicherheitsventileinrichtung mit einem normalerweise
vollständig
offenen Sicherheitsventil so zu betreiben, dass das Sicherheitsventil
unabhängig
vom Eintritt eines Gefahrenfalles von einer Steuereinrichtung gelegentlich
betätigt,
d.h. in Schließstellung überführt wird.
Ein Sensor überwacht dabei
die Bewegung des Ventilverschlussglieds und gibt eine entsprechende
Meldung an die Steuereinrichtung. Folgt das Ventilverschlussglied
dem Schließbefehl
nicht oder nicht vollständig,
kann ein Alarm ausgelöst
werden, der anzeigt, dass die Sicherheitsabschaltvorrichtung defekt
ist. Damit kann die Anlage anderweitig stillgesetzt werden und es werden
gefährliche
Situationen vermieden, bei deren Handhabung es auf das Sicherheitsabschaltventil ankommt
und bei denen dieses evtl. nicht ganz funktionsfähig ist.
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Das
periodische Schließen
des Sicherheitsabsperrventils ermöglicht zwar die Erkennung von Fehlern
und in gewissem Rahmen durch die wiederholte Betätigung des Ventils auch die
Vermeidung von Fehlern, wobei aber der zu betreibende Aufwand relativ
hoch ist. Außerdem
muss zumindest ein weiteres mit dem Sicherheitsabsperrventil in
Reihe geschaltetes Ventil vorgesehen werden, das z.B. Reglerfunktionen übernimmt.
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Aus
der
DE 29 20 923 C2 ist
ein Warmwasserheizungssystem mit einer regelbaren Strahlpumpe bekannt,
die dazu dient, die für
den Heizungsvorlauf gewünschte
Warmwassertemperatur einzustellen. Dazu mischt sie dem Heizungsvorlauf
Rücklaufwasser bei.
Eine Regeleinrichtung stellt dabei den Ventilkegel der Strahlpumpe
so ein, dass die gewünschte
Temperatur erreicht wird. In der Vorlaufleitung ist außerdem ein
Druckschalter angeordnet, der die Leitung auf unzulässig hohe
Drücke überwacht. Tritt
ein Überdruck
auf, spricht der Druckschalter an und veranlasst die Regelschaltung,
die Strahlpumpe zu schließen.
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Die
Strahlpumpe ist über
zwei Leitungen mit einer Vorlaufleitung und einer Rücklaufleitung
eines Fernheiznetzes verbunden. In diesen Leitungen sind jeweils
Regelventile angeordnet, die den Zustrom von Vorlauf zu der Strahlpumpe
sowie den Rücklauf aus
dem Heizungssystem heraus regulieren.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeversorgungseinrichtung mit
erhöhter
Sicherheit zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird der Wärmeversorgungseinrichtung
nach Anspruch 1 gelöst:
Gemäß Anspruch
1 ist in einer Wärmeversorgungseinrichtung
als Bindeglied zwischen einem Heizkreislauf und dem Fernwärmeversorgungsnetz
eine Strahlpumpe vorgesehen, die nicht nur zur Bereitstellung des
Vorlaufwassers für
den Heizkreis sondern zusätzlich
als Sicherheitsabsperreinrichtung dient. Um dies zu ermöglichen
ist zumindest ein Fühler
zur Erkennung eines unzulässigen
Betriebszustands vorgesehen. Dieser Fühler kann ein in dem Kreislauf angeordneter
Druckfühler
sein, der, zumindest wenn ein Maximaldruck überschritten wird, ein Signal
abgibt. Der Fühler
kann jedoch auch eine anderweitige Einrichtung sein, die z.B. dazu
vorgesehen ist, die dauernde Regelabweichung in dem Kreislauf oder
an der Strahlpumpe zu überwachen.
Z.B. kann die gewünschte
Temperatur ständig
mit der in dem Kreislauf herrschenden Temperatur verglichen werden. Eine
zu große
Abweichung kann verschiedene Ursachen, z.B. eine fehlerhafte Funktion
oder Steuerung der Strahlpumpe haben. Tritt solches auf, kann der dritte
Betriebszustand eingenommen werden, indem die Anlage auf Sicherheitsabschaltung
geht, d.h. in der die Strahlpumpe ganz geschlossen wird und bleibt.
Gleiches kann vorgenommen werden, wenn der Systemdruck in dem Kreislauf
zu hoch wird. Es sind auch andere Alternativen zur Erkennung eines unzulässigen Betriebszustands
möglich,
die dann jeweils zur Sicherheitsabschaltung führen. Zur Sicherheitsabschaltung
wird jeweils die Strahlpumpe herangezogen. Andere Ventile sind nicht
erforderlich (kein eingangsseitiges und kein ausgangsseitiges). Insbesondere
ist zwischen dem Treibmittelanschluss der Strahlpumpe und dem Eingang
der Wärmeversorgungseinrichtung
kein Sicherheitsabschaltventil erforderlich. Das Stellorgan der
Strahlpumpe ist bei gewöhnlichem
Betrieb immer wieder in Bewegung. Jede Lastanpassung verursacht
eine Bewegung des Stellorgans. Damit wird dieses ständig beweglich
gehalten. Es kann deshalb im Gefahrenfalle ohne Weiteres geschlossen
werden. Es stellt sich somit heraus, dass das zur allgemeinen Regelung
geeignete Stellorgan auch zur Übernahme
von Sicherheitsfunktion besser geeignet ist als ein gesondertes
Sicherheitsstellorgan.
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Außerdem kann
ein Druckfühler
in der zu der Strahlpumpe führenden
Leitung vorgesehen sein. Somit wird es auch möglich, die Druckdifferenz zwischen
Strahlpumpeneingangsdruck und Strahlpumpenausgangsdruck zu überwachen.
Diese Druckdifferenz kann zur Regelung der Strahlpumpe oder als Kriterium
zur Sicherheitsabschaltung herangezogen werden. Es ist auch möglich, die
Sicherheitsabschaltung dann vorzunehmen, wenn der Primärdruck der Strahlpumpe,
der in der zu dem Treibmittelanschluss führenden Leitung gemessen wird,
zu hoch ist.
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Vorzugsweise
sind sowohl in der von dem Strahlpumpenausgang weg führenden
Leitung als auch in der zu dem Sauganschluss der Strahlpumpe führenden
Leitung Temperaturfühler
angeordnet, die mit der Steuereinrichtung verbunden sind.
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Diese
können
der Überwachung
des Betriebs der Strahlpumpe dienen. Außerdem können die genannten Druck- und
Temperaturfühler
dazu herangezogen werden, die in den Kreislauf eingeleitete Wärmemenge
zu bestimmen.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
einen Wärmezähler vorzusehen.
Vorzugsweise ist dieser in der zu dem Ausgang führenden Leitung angeordnet.
Er kann als Durchflusszähler
aufgebaut sein. Er erfasst zumindest den Stoffdurchsatz und bedarfsweise auch
die Mediumstemperatur. Die abgenommene Wärmemenge kann außerdem als
Produkt des Stoffdurchsatzes mit der Temperaturdifferenz an der Strahlpumpe
zwischen Strahlpumpenausgang und Sauganschluss derselben bestimmt
werden.
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Der
mit der Strahlpumpe verbundene Stellantrieb kann mit dem Stellorgan
fest gekoppelt sein, um die Strahlpumpe regulierend zu betätigen und
andererseits im Gefahrenfalle zu schließen. Es ist darüber hinaus
möglich,
den Antrieb der Strahlpumpe mit einer Schnellschlusseinrichtung
zu verbinden. Diese besteht beispielsweise aus einem Federspeicher,
der direkt mit dem Stellorgan verbunden ist und einer steuerbaren
Kupplungseinrichtung, über
die der Stellmotor mit dem Stellorgan verbunden ist. Die Sicherheitsabschaltung
kann dann durch Öffnen
der Kupplung bewirkt werden, was beispielsweise bei Stromausfall
der Fall sein kann.
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Es
ist möglich,
die Regeleinrichtung in zumindest zwei Betriebsarten arbeiten zu
lassen, nämlich
in einer ersten Temperaturregelbetriebsart und in einer zweiten
Druckregelbetriebsart. Dies ist insbesondere bei direkter Einspeisung
eines Wärmeträgermediums
in den Kreislauf von Vorteil, wenn das Wärmeträgermedium unter hohem Druck
steht und die Heizungsanlage nur einen beschränkten Druck aushält. Wird
die Wärmeanforderung
so hoch, dass die Strahlpumpe zu weit öffnen würde, geht die Anlage in die
zweite Betriebsart, in der der Systemdruck begrenzt wird. Eine zu
weite Öffnung
der Strahlpumpe wird so vermieden.
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Zusammenfassend
kann festgehalten werden, dass die Strahlpumpe die Funktion der
Sicherheitsabsperreinrichtung übernimmt
und zwar unter der Regie der Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung
kann fehlerhafte Zustände
beispielsweise anhand von Übertemperaturen
im Heizkreis, von Überdrücken im
Heizkreis oder von zu großen
dauernden Regelabweichungen erkennen. Es ist weiter möglich, den
Primärdruck
und die Primärtemperatur
des der Strahlpumpe zuströmenden
Mediums zu überwachen
und zur Sicherheitsabschaltung heranzuziehen. Bei Erkennung eines
Fehlers kann in eine Sicherheitsabsperrbetriebsart gewechselt werden,
in der die Strahlpumpe ganz geschlossen wird, um die Anlage still
zu setzen. Es ist auch möglich,
von einer Temperaturregelbetriebsart in eine Druckregelbetriebsart
zu wechseln, wenn bei den normalerweise ablaufenden Temperaturregelprozessen
im Heizkreis zu hohe Drücke
auftreten. Die Druckspitzen werden dann vermieden, indem die Steuereinrichtung
jedes Mal dann in eine Druckregelbetriebsart wechselt, wenn ein
gegebener Wert des Systemdrucks im Heizkreis erreicht ist. Wird
dieser wieder unterschritten wird wieder zurück in die Temperaturregelbetriebsart
gewechselt.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder
Ansprüchen.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
Wärmeversorgungseinrichtung
in schematisierter Darstellung und
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2 eine
Strahlpumpe und deren Betätigungseinrichtung
für die
Wärmeversorgungseinrichtung
nach 1.
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In 1 ist
eine Wärmeversorgungseinrichtung 1 veranschaulicht,
die wenigstens einen Heizkreis 2 aufweist. Der Heizkreis
weist zumindest einen Heizungsvorlauf 3 und einen Heizungsrücklauf 4 auf, die
zur Speisung eines Heizkörpers 5 dienen.
Es können
auch andere Wärmeverbraucher
vorgesehen werden. Der Heizkreis 2 wird von Warmwasser durchströmt, das
in dem Heizkörper 5 Wärme abgibt. Er
wird von einer Strahlpumpe 6 gespeist, an deren Ausgangsanschluss 7 der
Heizungsvorlauf 3 angeschlossen ist. Die Strahlpumpe 6 weist
außerdem
einen Treibmitteleingang 8, einen Sauganschluss 9 und
ein Stellorgan 11 auf, das in 1 und 2 lediglich
schematisiert veranschaulicht ist. Das Stellorgan 11 ist
beispielsweise ein Ventilkegel, der zum graduellen Öffnen oder
Schließen
einer in der Strahlpumpe 6 vorgesehenen Treibdüse dient,
die von dem Treibmittelanschluss 8 her mit Wärmeträgermedium beaufschlagt
wird. Das Stellorgan 11 ist von einer Stelleinrichtung 12 (siehe
auch 2) betätigt,
zu der zumindest ein Stellantrieb, beispielsweise in Form eines
Stellmotors 13 gehört.
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Der
Treibmittelanschluss 8 der Strahlpumpe 6 liegt
an einer Leitung 14, die von einem Eingang 15 mit
Wärmeträgermedium
gespeist wird. Als Wärmeträgermedium
ist Heißwasser
bevorzugt. Es kann jedoch auch Dampf zur Anwendung kommen. Das Wärmeträgermedium
wird durch eine nicht weiter veranschaulichte Leitung, beispielsweise
eine Fernwärmeleitung,
herangeführt.
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Der
Heizungsrücklauf 4 führt über eine
Leitung 16 zu einem Ausgang 17, an dem die Wärmeversorgungseinrichtung 1 ausgekühltes Wärmeträgermedium,
beispielsweise Wasser abgibt, das über eine Fernleitung zu der
Wärmequelle
zurück
geführt werden
kann. Zwischen dem Heizungsrücklauf 4 und der
Leitung 16 zweigt eine Leitung 18 ab, die ausgekühltes Rücklaufwasser
zu dem Sauganschluss 9 der Strahlpumpe 6 führt.
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In
dem Heizungsvorlauf 3 ist ein Druckfühler 19 angeordnet,
der an seinem Ausgang elektrische Signale ausgibt, die dem Druck
in dem Heizungsvorlauf 3 entsprechen. Die Signale werden über eine Leitung 21 einer übergeordneten
Steuereinrichtung 22 zugeleitet. Außerdem ist in dem Heizungsvorlauf 3 vorzugsweise
ein Temperaturfühler 23 vorgesehen, der
die Vorlauftemperatur in elektrische Signale umsetzt und diese über eine
Leitung 24 der Steuereinrichtung 22 zuleitet.
Ein weiterer Temperaturfühler 25 ist
in der Leitung 18 vorgesehen. An seinem Ausgang gibt er
Signale ab, die die Temperatur des Heizungsrücklaufs 4 kennzeichnen.
Die Signale gelangen über eine
Leitung 26 zu der Steuereinrichtung 22.
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Es
kann ein weiterer Druckfühler 26 in
der Leitung 14 angeordnet sein. Seine elektrischen, den Strahlpumpeneingangsdruck
kennzeichnenden Signale werden über
eine Leitung 27 der Steuereinrichtung 22 zugeleitet.
Diese kann außerdem über eine weitere
Leitung 28 Signale von einem Durchflussmesser 29 erhalten,
der in der Leitung 16 angeordnet ist. Die Steuereinrichtung 22 steuert
vorzugsweise außerdem
den Motor 13 und somit den Stellantrieb 12.
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Der
Stellantrieb 12 ist vorzugsweise gemäß 2 ausgebildet.
Parallel zu dem Motor 13 wirkt ein Federspeicher 31 schließend auf
das Stellorgan 11 ein. Der Stellmotor 13 kann
das Stellorgan 11 gegen die Kraft des Federspeichers 31 öffnen und
in einer gewünschten
Position halten. Zur mechanischen Verbindung zwischen dem Stellorgan 11 und
dem Stellmotor 13 ist dann eine Kupplung 32 vorgesehen, die
normalerweise geschlossen und im Gefahrenfalle gelöst wird.
In gelöstem
Zustand entkoppelt sie den Stellmotor 13 von dem Stell organ 11,
so dass dieses nur noch von dem Federspeicher 31 mit einer Schließkraft beaufschlagt
ist. Bei dieser Ausführungsform
ist die Kupplung 32 der Steuerung durch die Steuereinrichtung 22 unterstellt.
Sie ist beispielsweise elektrisch zu lösen.
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Die
insoweit beschriebene Wärmeversorgungseinrichtung 1 arbeitet
wie folgt:
Bei normalem Betrieb liegt an dem Eingang 15 Heißwasser
unter einem relativ hohen Druck an. Der Druck wird von dem Druckfühler 26 erfasst
und an die Steuereinrichtung 22 gemeldet. Diese bestimmt
anhand einer vorhandenen Einstellung oder von Eingangssignalen eine
zweckmäßige Vorlauftemperatur in
dem Heizungsvorlauf 3. Entspricht die von dem Temperaturfühler 23 erfasste
Temperatur diesem Wert nicht, weil diese beispielsweise zu niedrig
ist, wird die Strahlpumpe 6 geöffnet. Dazu steuert die Steuereinrichtung 22 den
Stellmotor 13 so an, dass das Stellorgan 11 die
Strahlpumpe 6 etwas oder etwas mehr öffnet. Damit strömt Heißwasser
durch die Strahlpumpe 6 in den Heizungsvorlauf 3,
wobei die Strahlpumpe 6 über den Sauganschluss 9 Rücklaufwasser
ansaugt und dem Heißwasser
beimischt. Es wird somit durch den Temperaturfühler 23 eine Temperatur
erfasst, die niedriger ist als die des ankommenden Heißwassers.
Zugleich erfasst der Druckfühler 19 einen
etwas erhöhten
Druck und meldet diesen Wert an die Steuerungseinrichtung 22.
Diese befindet sich in ihrer ersten Betriebsart, in der sie nun die
von dem Temperaturfühler 23 erfasste
Temperatur konstant ausregelt, wozu der Stellmotor 13 so
angesteuert wird, dass er das Stellorgan 11 mehr oder weniger öffnet.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
wird in der ersten Betriebsart nicht die Temperatur in dem Heizungsvorlauf 3 sondern
die an den Heizungsvorlauf 3 abgegebene Wärmemenge
kontant gehalten. Diese wird beispielsweise als Produkt der erfassten Temperatur
und der an dem Durchflussmesser 29 erfassten Fließgeschwindigkeit
oder aber als Produkt aus der Fließgeschwindigkeit und der Temperaturdifferenz
der beiden Temperaturfühler 23, 25 ermittelt.
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Während der
ersten Betriebsart wird das Stellorgan 11 entsprechend
der Wärmeanforderung gelegentlich
verstellt. Die auftretenden Regelabweichungen sind relativ gering
oder sind vorübergehender
Natur. Ist jedoch eine dauernde große nicht verschwindende Regelabweichung
vorhanden, kann dies als Indiz dafür gewertet werden, dass in
der Wärmeversorgungseinrichtung 1 ein
Fehler vorliegt. Dieser Fehler kann Teile der Anlage, insbesondere aber
auch die Strahlpumpe 6 selbst betreffen. Diese ist deshalb
zu schließen,
was die Steuereinrichtung 22 unmittelbar unternimmt. Sie
geht in eine Sicherheitsabschaltbetriebsart, in der sie Wärmeanforderungsbefehle
ignoriert und die Strahlpumpe 6 schließt. Das Schließen der
Strahlpumpe kann durch Betätigung
des Stellmotors 13 oder durch Öffnen der Kupplung 32 erfolgen,
wenn eine Konfiguration nach 2 zur Strahlpumpenbetätigung zur
Anwendung kommt.
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Während des
gewöhnlichen
Betriebs der Wärmeversorgungseinrichtung 1 kann
eine ständige Drucküberwachung
in dem Heizkreis 2 mittels des Druckfühlers 19 erfolgen.
Es ist möglich,
die Sicherheitsabschaltbetriebsart einzunehmen, wenn mittels des
Druckfühlers 19 eine Überschreitung
eines Maximaldrucks festgestellt wird.
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Optional
kann eine weitere Betriebsart vorgesehen werden (zweite Betriebsart),
die eine Vorstufe der Sicherheitsabschaltung ist, die Wärmeversorgungseinrichtung
dabei aber nicht vollständig
abschaltet. Eine solche Betriebsart ist beispielsweise eine Druckregelbetriebsart,
in der die Öffnung
der Strahlpumpe 6 geregelt auf ein solches Maß begrenzt
wird, bei dem der von dem Druckfühler 19 erfasste
Druck einen gegebenen Wert nicht überschreitet. Dieser gegebene
Wert ist vorzugsweise niedriger als der Maximaldruck. Ist die Wärmeanforderung
beispielsweise so groß,
dass die Strahlpumpe 6, um dem zu entsprechen, so weit
geöffnet
werden müsste,
dass der für
den Heizkreis 2 zu hohe Primärdruck in den Heizkreis 2 durchgreifen
würde,
wird die Öffnung
der Strahlpumpe 6 auf einen geringeren Wert begrenzt, indem
der Druck den gegebenen Wert nicht überschreitet. Zwar wird dabei
möglicherweise die
gewünschte
Vorlauftemperatur nicht erreicht – es wird aber eine Beschädigung der
Wärmeversorgungseinrichtung 1 durch
zu hohen Primärdruck
vermieden. Es wird außerdem
möglich,
die Elemente des Heizkreises 2 auf einen relativ geringen
Druck auszulegen, der wesentlich niedriger sein kann als der Primärdruck in
der Leitung 14.
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Des
Weiteren ist es alternativ möglich,
den Druckfühler 26 zur
Sicherheitsabschaltung heranzuziehen. Erfasst dieser beispielsweise
einen zu hohen Druck kann dadurch ein Schließen der Strahlpumpe 6 veranlasst
werden.
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Die
Strahlpumpe 6 kann auch zur Durchflussmengenbegrenzung
eingesetzt werden. Dazu erfasst die Regeleinrichtung 22 die
Durchflussmenge an dem Durchflussmesser 29. Sofern die
gemessene Durchflussmenge unter einem Maximalwert bleibt, führt sie
mit der Strahlpumpe 6 die gewünschte Regelstrategie (Konstanthaltung
der Vorlauftemperatur, Konstanthaltung der durchgelassenen Wärmemenge oder
Konstanthaltung des Drucks) aus. Wird jedoch der Maximaldurchfluss
erreicht oder überschritten begrenzt
die Regeleinrichtung 22 den Durchfluss auf den Maximalwert
durch entsprechende Betätigung des
Stellmotors 13 und somit Regulierung der Strahlpumpe.
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Es
ist des Weiteren möglich,
den Systemdurchfluss unmittelbar an der Strahlpumpe 6 zu
messen, indem die Druckdifferenz zwischen den Druckfühlern 19, 26 und
die Stellung des Stellorgans 11 der Strahlpumpe 6 ausgewertet
wird. In diesem Fall kann die Strahlpumpe sowohl zur Bestimmung
des Durchflusses als auch zur Begrenzung desselben genutzt werden.
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Bei
den genannten Ausführungsbeispielen übernimmt
die Strahlpumpe 6 die Funktion eines Sicherheitsabschaltventils.
Sie kann dazu mit einer Schnellschlusseinrichtung (Federspeicher 31 und Kupplung 32)
versehen werden. Es ist auch möglich, den
Stellmotor 13 zum Schließen heranzuziehen. Eine erhöhte Sicherheit
ergibt sich durch die ständige Betätigung der
Strahlpumpe 6 im Rahmen normaler Regelungstätigkeit,
die die Beweglichkeit des Stellorgans 11 erhält.
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Eine
Wärmeversorgungseinrichtung 1 mit vorzugsweise
direkter Speisung des Heizkreises 2 kommt ohne Sicherheitsabsperrventil
aus, wenn das zur Regulierung des Wärmeeintrags in den Heizkreis 2 verwendete
Stellorgan 11 zugleich als Sicherheitsabsperrventil verwendet
wird. Dies kann durch eine zusätzliche
Routine in der Steuereinrichtung 22 bewerkstelligt werden,
die sowohl über
einen Stellantrieb 12, die Betätigung des Stellorgans 11 zu
Regelungszwecken als auch zu Sicherheitsabschaltzwecken reguliert.