Junkers Gastherme rücklaufgeführt regeln

TL;DR

 

Warum das Ganze?

Eine moderne Heizung hat doch eine moderne witterungsgeführte Regelung – warum sollte man da was dran ändern? In meinem Fall lässt sich diese Frage ganz konkret beantworten: Weil mein Wärmeerzeuger überdimensioniert ist und der Regler mit dieser Situation überfordert ist. Und das wirkt sich letztlich nicht nur negativ auf die Effizienz aus, sondern auch massiv auf den Komfort.
In meinem Fall geht es um eine Junkers Cerapur ZSB 14-4C Gas-Brennwerttherme, die bei Erdgas und niedrigen Systemtemperaturen im Bereich von maximal 14,2kW bis minimal 3,3kW modulieren kann. Die Therme arbeitet ohne Mischer, Weiche oder Pufferspeicher direkt auf einen Fußbodenheizkreis. Das Haus ist ein Leichtbau aus 2016, gut 90 Quadratmeter Wohnfläche auf 2 Etagen, zentrale Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung, ausgebauter Spitzboden, nicht unterkellert. Die von einem Ingenieurbüro berechnete Heizlast bei einer Auslegungstemperatur von -10ºC liegt bei etwa 2,4kW und damit fast ein kW niedriger als die minimale Heizleistung der Gastherme! Konkret gesagt bedeutet das: Wenn die Heizung im tiefsten Winter mit minimaler Leistung durchlaufen würde, müsste ich noch die Fenster aufmachen damit’s nicht zu warm wird. Entsprechend schlimmer wird das Ganze, wenn sich die Außentemperaturen in der Übergangszeit im Bereich 0-10ºC bewegen und sich die Heizlast eher im Bereich 1kW befindet. In diesem Fall, der noch dazu deutlich häufiger vorkommt als der Kernwinter, liefert die Heizung dann schon dreimal soviel Wärmeenergie wie eigentlich benötigt wird. In der Folge muss der Brenner nach einer gewissen Laufzeit abschalten, damit das Haus nicht zu warm wird – er „taktet“, bzw. arbeitet im On-Off-Betrieb. Besser wäre es, wenn der Brenner anstatts auszugehen, seine Leistung verringern würde – wenn er „modulieren“ würde – was aber hier ja leider nicht mehr möglich ist. Dafür bräuchte er eine untere Modulationsgrenze (also die kleinste Leistung) die kleiner ist als die berechnete Heizlast; laut Empfehlungsliste der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften:

Ein neuer Kessel sollte eine untere Leistung (untere Modulationsgrenze) aufweisen, die möglichst kleiner ist als die Hälfte der Gebäudeheizlast am kältesten Auslegungstag. Das verhindert eine unnötige und verlustbringende Überdimensionierung des Kessels.

Das wären in meinem Fall also etwa 1,2kW. Derzeit ist mir nur ein einziges Gerät von einem einzigen Hersteller am Markt bekannt, das so eine niedrige Modulationsgrenze aufweist (Thision S 9.1kW von Elco), und das scheint inzwischen schon nicht mehr gebaut zu werden…

Quelle: Viessmann

Warum keinen Wärmeerzeuger mit weniger Leistung einsetzen?

Die naheliegendste Lösung ist sicherlich einen Brenner einzusetzen, der eine niedrigere untere Leistungsgrenze aufweist. Im Einzelfall käme das sicherlich in Frage, aber generell gibt es auch Punkte die dagegen sprechen. Als erstes mal wären sicherlich die Kosten zu nennen. Die überdimensionierte Heizung ist nunmal da, ein neues Gerät kostet erstmal wieder Geld. Für das Gerät selbst und auch für die nötigen Ein- und Umbaumaßnahmen. Dazu kommt, dass je „besser“ die Geräte werden, sprich: je niedriger die untere Leistungsgrenze liegt, desto teurer werden sie auch. Wir sprechen hier durchaus vom Faktor drei, also schon von erheblichen Mehrkosten. Des weiteren sind diese Geräte im Betrieb nicht ganz unproblematisch. Um auf die niedrige Minimalleistung zu kommen, muss die Flamme im Brenner entsprechend klein sein. Daher darf auch das Gebläse nicht mit zu hoher Drehzahl arbeiten, da es sonst die Flamme einfach auspusten würde. Das führt dazu, dass bei stürmischem Wetter [also höherem Gegendruck im Abgassystem] die Abgase unter Umständen nicht ausreichend abtransportiert werden können und die Flamme einfach erstickt. Damit der Brenner dann aber nicht so lange aus bleibt bis der Sturm wieder abgeflaut ist, bleibt er auf seiner erhöhten Startleistung laufen und moduliert nicht bis an die Untergrenze herunter. Diese Startleistung wird bei vielen Geräten um und bei 6kW liegen (bei meiner Therme sind es sogar eher 9kW), was dann wiederum zum extremen Takten oder der „Kuhschwanzheizung“ führt. Dieses Verhalten habe ich selbst bei meiner Therme mit dem relativ moderaten Modulationsverhältnis von ca. 1:4 schon live erlebt. Da es hier an der Küste ja doch öfter mal stürmt, stellt sich die Frage wie häufig wohl eine „bessere“ Therme mit Modulationsverhältnis von 1:10 im Sturmmodus arbeiten würde (und somit deutlich schlechter).

Was spricht gegen das Takten?

Pauschal spricht erstmal nichts dagegen. Jede Heizung muss irgendwann mal takten, wobei die rühmliche Ausnahme auch hier wie immer die Regel bestätigt. Wenn der Brenner 150 mal am Tag für 2 Minuten läuft, dann taktet er. Wenn der Brenner 30 mal am Tag für 10 Minuten läuft, dann taktet er auch. Er könnte aber auch fünf mal am Tag für jeweils eine Stunde laufen und würde takten. Oder er könnte stattdessen mit 20% der Leistung den ganzen Tag durchlaufen, dann würde er eben nicht mehr takten.
Da wir ja in meinem Fall ums Takten nicht herumkommen, stellt sich die Frage: Wie takte ich am besten? Aus eigener Erfahrung kann ich sagen: Je länger die Brennerlaufzeit, und somit je weniger Takte pro Tag, desto besser. Das obige Beispiel mit 150 Starts pro Tag mag schon krass aussehen, kommt aber vermutlich dem Verhalten der durchschnittlichen, nicht optimierten Heizungsanlage im Einfamilienhaus am nächsten. Bei meiner Anlage war es zu Anfang sogar noch schlimmer. Ich hatte in der ersten Zeit mehr als 400 Starts pro Tag – hochgerechnet wären das bald 150 Tausend pro Jahr! Entsprechend kurz waren die Brennerlaufzeiten von um und bei einer Minute. Die Temperatur ging kurzzeitig hoch auf ein vom Heizungsbauer eingestelltes Maximum von 45ºC, dann ging der Brenner aus und in die Taktsperre. Nach drei Minuten ging das Spiel von vorne los. Auf diese Weise (eine Minute warm, drei Minuten kalt) hat es die Heizung nicht geschafft, in akzeptabler Zeit eine gewisse Wärmemenge ins Haus zu bringen. Meine Heizung ist im März in Betrieb gegangen und der Estrich war noch nicht ganz trocken (für ein Trockenheizprogramm war es aber schon zu spät) und es hat somit ganze drei Tage gedauert, bis die eingestellte Temperatur von 21 Grad erreicht wurde. Längere Heiztakte ließen sich nicht realisieren, weil dazu eine einstellbare Hysterese am Regler notwendig gewesen wäre. Dazu später mehr.
Abgesehen von dem sehr trägen Aufheizverhalten bei den kurzen Takten kommen noch die erhöhten Verluste dazu. Dadurch dass der Brenner in der Regel länger aus ist als an, wird der Brennraum in jeder Pause etwas auskühlen. Die modernen Wandgeräte mit weniger als 10l Wasserinhalt und relativ kleinem Wärmetauscher kühlen sogar noch schneller aus als ein massiver Gusskessel. Daher muss er dann bei jedem erneuten Start wieder auf Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Die dafür benötigte Energie ist erstmal verloren, da sie nicht direkt dem Heizkreis zugeführt wird. Dazu kommt, dass bei jedem Verbrennungsvorgang in der Startphase mehr Schadstoffe ausgestoßen werden als im späteren Verlauf, wenn sich die Flamme stabilisiert hat. Bei Ölbrennern kann die Stabilisierungsphase mehrere Minuten dauern, beim Gasbrennwerter sind es wohl nur einige Sekunden. Ich konnte dazu im Internet bisher keine konkreten Messungen oder Zahlen finden.
Bedingt durch die ständigen Temperaturwechsel erhöht sich auch der Verschleiß am Wärmeblock. Man liest in Foren immer wieder von gebrochenen Schweißnähten an Edelstahlwärmetauschern. Ich wage mal zu behaupten, dass eine stark erhöhte Anzahl an thermischen Zyklen einen wesentlichen Beitrag hierzu leistet. Junkers verbaut zwar Aluminium-Silizium-Wärmetauscher, aber die sind auch nicht gerade immun. Außerdem gibt es einen erhöhten Verschleiß an Zündelektronik und Zündelektrode durch die übermäßig vielen Starts. Das Ganze ist vergleichbar mit dem ständigen Kurzstrecke fahren beim Auto.
Des weiteren kommt es bei den sehr kurzen Takten wohl auch nicht zu einem nennenswerten Brennwertnutzen. Das wirkt sich gleich doppelt negativ aus. Zum einen natürlich durch die verlorene Energie, die direkt zum Schornstein hinausgeblasen wird. Und zum anderen dadurch, dass durch die ausbleibende (oder unzureichende) Kondensation der Abgase einfach zu wenig Kondensat anfällt um den Wärmetauscher zu spülen. Dadurch verbleiben mehr Verbrennungsrückstände im Wärmeblock, die sich dort unter ungünstigen Umständen regelrecht festbrennen können. Das wiederum führt dann auf Dauer zu einer verringerten Effizienz des Wärmetauschers und erschwert die regelmäßige Reinigung desselben. Sollte die Reinigung sogar komplett ausbleiben, weil gar keine regelmäßige Wartung durchgeführt wird, ist die Lebensdauer des Brenners wohl von deutlich kürzerer Dauer.

Zu viele Takte

Zwischen den beiden Fotos liegen exakt 13h 08m und 17s. Nur 7 Stunden Brennerlaufzeit, aber 264 Takte. Hochgerechnet mehr als 450 pro Tag.

Dazu ein kleines Beispiel aus der Praxis. Meine Heizung hat in den ersten zwei Monaten nach der Inbetriebnahme Anfang März 2016 schon über 7000 Starts hingelegt, bei nur guten 300 Stunden Brennerlaufzeit. Das ergibt einen recht miesen Schnitt von etwa zweieinhalb Minuten pro Takt. Zu dem Zeitpunkt war ich dann auch so weit, dass ich ein allzu krasses Takten ab dann weitestgehend vermeiden konnte. Zudem wurde es recht schnell Sommer, sodass in den nächsten Monaten nur noch ein paar wenige Starts für die Warmwasserbereitung dazukamen. Den Löwenanteil brachte da die Solarthermie, die dank meiner optimierten Einstellung einen guten Ertrag einfuhr. [Das ist aber wieder ein anderes Thema für sich.]
Nach sechs Monaten war ich also bei 7132 Zählern und 320 Brennerstunden, ergibt dann 2:42 pro Takt. Folgende Werte ergaben sich in genau demselben Zeitraum, an einer baugleichen Anlage (von demselben Heizungsbauer installiert), in einer fast baugleichen Doppelhaushälfte: 19332 Takte bei 545 Brennerstunden, für einen noch mieseren Schnitt von einer Minute und 42 Sekunden pro Takt! Wenn ich nicht vorher eingegriffen hätte, würde das bei meiner Anlage genau so ausgesehen haben.
Zufälligerweise konnte ich noch einen Blick auf eine weitere Anlage werfen. Auch eine Junkers-Brennwerttherme, allerdings von einer anderen Firma in einem anderen, etwas größeren, Gebäude installiert und erst im Spätsommer in Betrieb gegangen. Hier las ich nach ebenfalls einem halben Jahr folgende Werte: 32432 Starts bei 1206 Stunden Laufzeit, für 2:14 im Schnitt pro Takt bei 185 Takten pro Tag. Ohne das weiter überprüft zu haben, sieht mir das auch nach einer ziemlichen 08/15-Werkseinstellungs-Installation aus.
Inzwischen sieht mein Schnitt dagegen schon deutlich anders aus. Nach knapp einem Jahr ergaben sich im gesamten Januar 2017 nur 87 Starts bei 177 Stunden Laufzeit, also im Schnitt gut 2 Stunden pro Takt! Der gesamte Schnitt ist (dank der ersten zwei Monate) mit knapp über 7 Minuten pro Takt immer noch recht schlecht, wird aber mit jedem Takt besser. Nach ziemlich genau einem Jahr stehe ich nun bei 7829 Takten und 1103 Brennerstunden, während der Nachbar schon 40686 Zähler und 1492 Brennerstunden auf der Uhr hat (und dazu einen Mehrverbrauch an Gas von fast 180 Kubikmetern).

Was also tun?

Um herauszufinden wie man die Taktzeiten verlängern kann, muss man erstmal verstehen wie der Wärmeerzeuger, dessen Regler und die Hydraulik im Haus zusammenarbeiten. Da wir ja oben schon einige Eigenschaften der Therme angeschnitten haben, fangen wir hier mal mit der Hydraulik an. Gemeint ist damit schlicht und ergreifend das Rohrnetz im Haus, also die einzelnen Fußbodenheizkreise mit den dazugehörigen Verteilerbalken – oder auch die normalen Heizkörper mit ihren Ventilen.
Vereinfacht gesagt ist die Heizung nix anderes als ein Durchlauferhitzer, der mithilfe einer Pumpe das erhitzte Wasser immer „im Kreis“ durch die Heizflächen pumpt. Dabei gibt die Heizfläche die Wärme an den entsprechenden Raum ab und das Wasser kühlt dabei ab. Wenn das kalte Wasser wieder am Wärmeerzeuger angekommen ist, wird es wieder erwärmt und weiter gepumpt.
Das „heisse Ende“ an der Heizung heisst ‚Vorlauf‘ oder VL, das andere Ende, wo das kalte Wasser wieder ankommt heisst ‚Rücklauf‘ oder RL. Der Temperaturunterschied zwischen Vorlauf und Rücklauf, gemessen am Wärmeerzeuger, nennt sich ‚Spreizung‘. Die Menge an Wasser, die durch die Leitungen befördert wird (der ‚Volumenstrom‘), hängt letztendlich vom hydraulischen Abgleich ab. In erster Linie bestimmen Rohrquerschnitt, Anzahl und Länge der einzelnen Heizkreise (oder die Anzahl der Heizkörper) die maximal mögliche Durchflussmenge bei einer bestimmten Pumpenleistung. Diese wird aber in der Praxis je nach Berechnung des hydraulischen Abgleichs etwas weniger oder sogar deutlich weniger betragen.
Der Wärmeerzeuger wird (wenn er nicht modulieren kann) dem Wasser eine konstante Menge Energie zuführen, wodurch sich dann eine konstante Spreizung ergibt. Wenn die zugeführte Energie gleich bleibt und wir den Volumenstrom reduzieren, wird sich die Spreizung erhöhen. Da die Rücklauftemperatur nicht kälter werden kann als die Raumtemperatur (oder die Temperatur des Estrichs), wird die Vorlauftemperatur im Brenner entsprechend ansteigen. Da die Regelung sich aber an ebendieser VL-Temperatur orientiert, nimmt die Durchflussmenge somit einen direkten Einfluss auf das Regelverhalten. Um den Zusammenhang etwas besser zu verstehen, hier mal ein kleiner, unhandlicher Rechner. Einfach den zu berechnenden Wert mit dem Radiobutton markieren und dann die anderen Werte entsprechend verändern.

Leistung in kW
Spreizung in °C
Durchfluss in l/h
Durchfluss in l/min

Dazu als Beispiel mal die Berechnung zum hydraulischen Abgleich, die mein Heizungsbauer ‚berechnet‘ hat. Die gesamte Durchflussmenge liegt hier bei 140 Litern pro Stunde. Wenn ich das in den Rechner eingebe, dazu eine Brennerleistung von 3,3kW, erhalte ich eine Spreizung von gut 20K. Das heisst, bei z.B. 23ºC Rücklauftemperatur und minimaler Brennerleistung hätte ich automatisch schonmal 43ºC Vorlauftemperatur. Das entspricht allerdings so gar nicht den 35ºC oder weniger, mit denen eine Fußbodenheizung im Neubau heutzutage ausgelegt wird. Andersrum gerechnet, bei einer geplanten Spreizung von 5K, wie es für Fußbodenheizungen üblich ist, dürfte der Brenner nicht mehr als 0,8kW Leistung bringen. Das Ganze gilt wohlgemerkt für den Auslegungsfall, also den tiefsten Winter! Die meiste Zeit des Jahres würde ein 250W Halogen-Brennstab im Dauerbetrieb als Heizelement vermutlich ausreichen… Stattdessen gibt es aber massenweise kurze Takte von der Gastherme. Konkret gesagt: Diese Auslegung ist totaler Mist. 140 Liter pro Stunde sind nicht mal zweieinhalb Liter pro Minute; aus jedem Wasserhahn kommt mehr raus! Eine handelsübliche Wandtherme mit Hocheffizienzpumpe schafft bei entsprechend geringem Druckverlust etwa 1000-1200 Liter pro Stunde. Wenn die Hydraulik das hergibt, sollte man das ruhig ausnutzen. Das Taktverhalten wird es einem danken.

IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 18/2004, Seite 44 ff.

Für Deutschland liegen die Auslegungstemperaturen bei minus 10 bis minus 20°C. Im Tagesmittel werden so geringe Temperaturen jedoch sehr selten erreicht, weshalb der Heizkessel nur an wenigen Tagen im Jahr seine volle Leistung bereitstellen muss. In der übrigen Zeit werden lediglich Bruchteile der Nenn-Wärmeleistung benötigt. Über ein Jahr betrachtet liegt der Schwerpunkt der benötigten Heizwärme bei Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes (0 bis 5°C). Nur 6% der Heizarbeit entfallen auf Tage, an denen es kälter als minus 10°C ist. Daraus ergibt sich, dass die mittlere Auslastung von Heizkesseln über ein Jahr betrachtet unter 30% beträgt.

Erschwerend hinzu kommt dann noch, dass man heutzutage zu einer Einzelraumregelung gezwungen wird, wenn man eine entsprechende Förderung erhalten will. Eigentlich ist diese lediglich dazu gedacht um bei Bedarf die Fremdwärme in einzelnen Räumen wegzuregeln, wird aber wohl regelmäßig falsch eingesetzt. Ich gehe da jetzt mal nicht weiter drauf ein, nur soviel sei angemerkt: Wenn die Einzelraumregelung aktiv wird und somit einzelne Heizkreise komplett zudreht, verringert sich dadurch der Volumenstrom im gesamten Heizkreislauf, weil ja dann nicht mehr so viel Wasser zirkuliert um die produzierte Wärme abzutransportieren. Dadurch gerät die Regelung unter ungünstigen Umständen aus dem Tritt und verfällt wieder ins Takten. Um das auszuschließen, habe ich bei meiner Anlage schonmal vorsorglich alle Stellmotoren abgebaut.
Wenn wir nun aber den gegenteiligen Weg einschlagen, nicht alle Kreise bis auf ein Tröpfeln zudrehen, sondern die längsten Kreise voll offen lassen und die Übrigen entsprechend anpassen, könnten wir hier unter besseren Voraussetzungen einen Volumenstrom von knapp 600 Litern pro Stunde erreichen, was eine Spreizung von 5K ergeben würde. Damit könnte die Regelung vermutlich umgehen und wenige, lange Brennertakte erreichen. Leider ist das in meiner Anlage aber nicht möglich. Mit der vorgeschlagenen Einstellung ergibt sich bei mir ein Volumenstrom von nur gut 400 Litern pro Stunde, wenn die Pumpe auf 100% läuft. Das liegt wohl an dem zu hohen Druckverlust, den zwei Kreise mit jeweils knapp 100 Metern 14er Rohr verursachen. Jedenfalls ist die sich einstellende (real gemessene) Spreizung von 7K schon deutlich besser als die 20ºC, allerdings reicht das immer noch nicht aus um der Regelung zu einem vernünftigen Taktverhalten zu verhelfen.

Die Durchflussmesser (auch Topmeter, Tacosetter oder Regoluxe genannt) am Verteilerbalken zeigen den Durchfluss pro Schlange in Litern pro Minute

Mal kurz zusammengefasst: Je höher der Volumenstrom der Hydraulik ist (also die Durchflussmenge), desto besser bekommt der Wärmeerzeuger seine Wärme abtransportiert. Dadurch wird die Spreizung zwischen VL und RL geringer und somit letztendlich auch die Vorlauftemperatur. Je niedriger die Vorlauftemperatur, desto geringer sind die Wärmeverluste des Gesamtsystems und entsprechend höher ist die Energieeffizienz. Das alles lässt sich durch einen sinnvollen hydraulischen Abgleich und eine möglichst hohe Pumpenleistung erreichen. Als eventuelle Nachteile könnten sich hörbare Strömungsgeräusche oder ein erhöhter Pumpenstromverbrauch ergeben. Diese müsste man dann im Einzelfall gegen eine Verbesserung des Taktverhaltens abwägen. Bei mir sind keine störenden Geräusche zu hören und die Hocheffizienzpumpe verbraucht auch nur maximal 35W.
Aus diesen Gründen ist es daher sinnvoll, für einen effizienten Betrieb einer Gastherme (und insbesondere auch einer Wärmepumpe!)  die Fußbodenheizkreise (die „Schlangen“) in einem möglichst großen Querschnitt zu verlegen. Übliche Durchmesser sind beim Hersteller Uponor z.B. 14mm, 16mm, 17mm oder 20mm. Abzüglich der Wandstärke von typisch 2mm verbleibt ein entsprechend kleiner Innendurchmesser von 10, 12, 13 oder 16mm. Bei einer beispielhaften Schlange von 100m Länge und 14er Rohr (also 10er Innendurchmesser) haben wir bei einem Durchfluss von einem Liter pro Minute einen Druckverlust von ca. 68mbar. Die gleiche Länge mit dem nächstgrößeren 16er Rohr hat bei gleichem Durchfluss nur noch einen Druckverlust von ca. 33mbar, also weniger als die Hälfte (berechnet bei druckverlust.de).

68mbar entspricht etwa 0,07bar oder auch „0,7m Förderhöhe“ der Umwälzpumpe. Wenn also eine Pumpe eine angegebene Förderhöhe von 4,5m hat, bedeutet das dass sie einen Druckverlust von etwa 450mbar bewältigen kann. Der Volumenstrom wird hierbei jedoch gegen Null tendieren. Für genauere Angaben gibt es eine Pumpenkennlinie. Die Bezeichnung Förderhöhe ist hierbei etwas missverständlich, da sie erstmal nichts damit zu tun hat, wie weit oder wie hoch die Pumpe pumpen kann. Die 4,5m-Pumpe ist also auch für Gebäude geeignet die höher sind als 4,5m 😉 . Wieder was gelernt.

Oder anders ausgedrückt, bei gleichem Druckverlust könnte die Schlange jetzt doppelt so lang werden. Oder nochmal anders könnte man den Volumenstrom auf gut 1,3 Liter pro Minute erhöhen, ohne dass die Pumpe dafür mehr leisten müsste. Mit jeder Verdoppelung des Druckverlustes geht zudem eine Vervierfachung der Pumpenleistung einher. Wenn also unsere Pumpe für die 68mbar nur 1W verbraucht, sind es bei 136mbar schon 4W und bei einer erneuten Verdoppelung auf 272mbar dann 16W.
Nehmen wir jetzt stattdessen gleich das dicke 20er Rohr, könnten wir durch die 100m einen Volumenstrom von etwa 2,8 Litern pro Minute jagen (oder die Schlange unsinnige 650m lang machen…) und hätten immer noch den gleichen Druckverlust. Wenn wir bei realistischen Längen der Schlange bleiben (100m oder weniger) und den Volumenstrom im Rahmen halten (1-2 Liter pro Minute; wir brauchen ja noch ein paar mehr Schlangen für das ganze Haus), gilt in erster Linie folgendes: Je größer der Rohrdurchmesser, desto kleiner der Druckverlust und desto kleiner der Stromverbrauch der Pumpe bei gleichem Volumenstrom. Wenn wir also einen möglichst großen Volumenstrom erreichen wollen um unserer Therme das Takten abzugewöhnen, brauchen wir einen möglichst großen Rohrdurchmesser um den Druckverlust und damit letztlich auch den Stromverbrauch gering zu halten. Einen niedrigeren Volumenstrom kann man dann später jederzeit durch Eindrosseln der einzelnen Kreise erreichen — wenn aber die verlegten Rohre zu klein sind, die Pumpe aufgrund des Druckverlustes schon an ihrer Leistungsgrenze angekommen ist und der Volumenstrom immer noch zu gering ist, hat man allerdings ein Problem. So wie ich.

Was macht die Regelung?

Der Regler, bei mir ein CW400, arbeitet normalerweise witterungsgeführt nach einer Heizkurve. Das bedeutet, dass der Regler die geforderte Soll-Vorlauftemperatur entsprechend der aktuellen Außentemperatur vorgibt. Das macht Sinn, weil die Heizlast sich näherungsweise linear mit der Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außen ändert. Da wir die Innentemperatur konstant halten wollen, muss sich die Vorlauftemperatur somit nur nach der Außentemperatur richten. Damit das auch in der Praxis so gut funktioniert wie es sich in der Theorie anhört, muss die Heizkurve natürlich korrekt an den eigenen Wärmebedarf (also die gewüschte Raumtemperatur) und das Temperaturverhalten des Gebäudes (die tatsächlichen Wärmeverluste) angepasst werden. Bis diese Einstellung gefunden ist, können durchaus ein paar Monate ins Land ziehen. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Heizung auch dazu in der Lage ist, dieser Heizkurve zu folgen…
In der Regel muss man diese Einstellung selber vornehmen, da kaum ein Installateur über einen längeren Zeitraum immer mal wieder vorbeikommen wird um dies zu tun. Und dass die erstmals eingestellte, womöglich aufwändig berechnete Heizkurve sofort passt, halte ich persönlich für utopisch. In den meisten Fällen sorgt dann eher noch die Einzelraumregelung dafür, dass es nicht zu warm wird und der Kunde denkt dass alles OK ist. Gespart haben wir damit aber nichts, weil wir ja trotzdem die hohe Vorlauftemperatur erzeugt haben!
Normalerweise versucht der Regler also diese Vorlauftemperatur zu halten, in dem er die Brennerleistung moduliert. Heisst also, wenn die VL ein paar Grad höher als die Vorgabe ist, regelt er die Brennerleistung runter – oder andersrum, wenn die VL zu niedrig ist, ‚gibt er Gas‘ und regelt die Leistung rauf. Dieser Temperaturbereich um die Soll-VL in dem der Regler moduliert nennt sich Hysterese und ist in diesem Regler leider nicht einstellbar. Kleines Beispiel mit Zahlen zum verdeutlichen: Die Hysterese beträgt 12K (oder auch +- 6K), die Soll-VL 30ºC. Damit würde der Brenner bei einer VL von 24ºC (30-6) einschalten und beim Erreichen von 36ºC (30+6) wieder abschalten. Innerhalb dieser Temperaturen würde der Regler die Brennerleistung wie beschrieben anpassen, sofern das möglich ist. Bei einer katastrophal großen Spreizung von 20K müsste die Hysterese ebenfalls ziemlich groß ausfallen, um die Temperaturen im Regelbereich zu halten. Nachdem was ich bisher feststellen konnte (in der Installationsanleitung steht ja leider nichts zu dem Thema drin) ist die Hysterese fest eingestellt auf +- 6K, wobei die untere Grenze auch etwas kleiner sein kann, nämlich wenn die Vorlauftemperatur auf 25ºC gefallen ist (also z.B. VL-Soll 28º, VL-Ist 25º, Brenner springt an, Hysterese somit nur -3K).
Direkt an der Therme selbst, also nicht am Regler CW400, gibt es eine Einstellmöglichkeit für die Hysterese. Diese Einstellung wird jedoch komplett ignoriert, wenn ein externer Regler wie der CW400 angeschlossen ist. So ähnlich steht es in der Anleitung geschrieben, und genau so hat es sich in der Praxis herausgestellt. Damit gibt es also keine Möglichkeit mehr, den überdimensionierten Brenner an der verkorxten Hydraulik ans Laufen zu bringen.

Meine derzeitige Heizkurve (subject to change). Fußpunkt 23, Endpunkt 30, bei min. Außentemperatur -35ºC. Die Stufen zeigen das tatsächliche Reglerverhalten. Der Endpunkt kann nicht kleiner als 30 gewählt werden, sonst hätte ich auch 27 bei einer passenderen min. Außentemperatur von -10ºC einstellen können.

Wie sieht das in der Praxis aus?

Alles klar soweit? 😉
Damit’s nicht allzu trocken wird, kommen jetzt mal ein paar bunte Bilder dran. Glücklicherweise haben sich vor mir schon andere Leute mal Gedanken darüber gemacht, sämtliche Daten die ein Heizungsbus so hergibt auf dem PC mitzuloggen. In meinem Fall kam die Software Hometop_HT3 von Norbert aka. junky_zs sehr gelegen. An dieser Stelle nochmal ein großes Dankeschön an den Entwickler und alle Mitwirkenden!
Mit einem kleinen Hardware-Decoder und einem Raspberry Pi erfasst die Software alle Daten die die Heizung so ausspuckt und speichert sie im Minutentakt in eine Datenbank. Daraus lassen sich dann die besagten bunten Bilder generieren und ermöglichen einen sehr guten Einblick in das Treiben der Heiztechnik. Hier also mal ein paar Beispiele aus der Praxis.

Taktgewitter

Extrem kurze Takte. Die klassische Kuhschwanzheizung

Auf dem ersten Bild seht ihr was meine Heizung nach dem ersten Sommer getan hat. Alle Einstellungen waren noch so wie sie der Heizungsbauer zusammen mit einem Junkers-Servicetechniker (!) vorgenommen hat. Nachdem die Außentemperatur unter die Heizgrenztemperatur gefallen ist (hier 13ºC), steigt die Vorlauf-Solltemperatur von 5ºC (wegen Frostschutz) auf recht hohe 39ºC an. Der Brenner springt an und arbeitet die erste Viertelstunde mit seiner niedrigsten Leistung von 23% vor sich hin. Die Vorlauftemperatur erreicht in dieser Zeit das Maximum von 45ºC (was zufällig auch 39ºC +6K Hysterese entspricht) und schaltet ab. Auf dem Graph sieht’s eher aus wie 43,5ºC, das liegt aber einfach an dem ‚kurzen‘ Intervall von einer Minute, mit dem die Daten erfasst werden. Nach der kleinstmöglich eingestellten Brennersperrzeit von 3 Minuten springt der Brenner erneut an. In der kurzen Zeit ist die Vorlauftemperatur schon wieder auf die 24ºC von vorher gefallen. Kein Wunder, da der Estrich ja exakt diese Temperatur hat. Dieser Takt dauert schon nicht mal mehr zwei Minuten. Auch hier ist das Intervall der Datenerfassung wieder Schuld dran, dass der Graph die tatsächlichen 23% nicht erreicht. Jedenfalls geht’s erstmal munter so weiter – kurz brennen, Abschalttemperatur erreicht, abschalten, Taktsperre, VL wieder kalt, nächster Start. In einem Zeitraum von drei Stunden sind das 18 Brennerstarts bzw. Takte. Auf einen ganzen Tag gerechnet ist das nicht weit weg von den oben beispielhaft genannten 150 Takten pro Tag!
Was sehen wir noch auf dem Bild? Die Pumpenleistung pendelt im Bereich von 40% so vor sich hin. Das liegt hier an der Standardeinstellung von 200mbar Konstantdruck, bei der die Pumpe versucht durch Drehzahländerung den erzeugten Druck auf einem festen Wert zu halten. Sicherlich mit eine Ursache für das krasse Taktverhalten (wegen dem geringen Volumenstrom, ihr erinnert euch?). Das wusste ich zu dem Zeitpunkt aber noch nicht. Und der Heizungsbauer…… naja lassen wir das.
Was noch? Auch nach dreieinhalb Stunden wildem Rumgetakte fällt die Vorlauftemperatur immer noch auf unter 25ºC. Das zeigt deutlich, dass der Estrich in dieser Zeit keine wesentliche Wärmeenergie aufgenommen hat. Genau deshalb hat es bei der ersten Inbetriebnahme auch mehrere Tage gedauert, bis es im Haus wieder richtig warm geworden ist. Die Heizlüfter hatten ja vorher hauptsächlich die Raumluft und zum Teil auch die Leichtbauwände erwärmt, aber nicht unbedingt den Estrich. Zur Erinnerung: Zu dem Zeitpunkt hatte ich von der Heizungssteuerung noch keine Ahnung, und die Datenerfassung war auch noch nicht mehr als ein Gedanke unter vielen.

Sehr kurze Takte

Immer noch sehr kurze Takte

Das nächste Bild zeigt die Heizung nach einigen Tagen und nachdem ich schon einiges an Erfahrung dazugewonnen habe. Das Taktverhalten ist immer noch Mist, aber hier sehen wir schonmal einen deutlichen Unterschied zum vorherigen Zustand. Tatsächlich sieht man hier die Regelung in Aktion. Vorher ist die Temperatur nur in die Begrenzung geschossen, die „Regelung“ bestand nur aus Vollgas und Vollbremsung. Jetzt aber haben wir eine vorgegebene Temperatur von 31ºC und eine tatsächliche Temperatur, die im Bereich der Hysterese von +- 6K sauber darum pendelt. Beim Erreichen von 37ºC schaltet der Brenner ab, bei 25ºC schaltet er wieder ein. Somit beträgt die mittlere Temperatur auch genau 31ºC, womit sich die Hütte auch schön warm halten lässt. In meinem Fall allerdings schon viel zu warm! Daher müsste ich jetzt die Solltemperatur runtersetzen. Wenn ich das aber tue, sagen wir auf 29ºC, gerät die Regelung schon wieder aus dem Takt. Die Obergrenze von dann 35ºC wäre viel zu schnell erreicht, die Takte wieder viel zu kurz…. Siehe oben.
Wie bin ich bis hierhin gekommen? In erster Linie durch mehr Durchfluss in der Hydraulik. Zum Einen durch die jetzt konstante Pumpenleistung von 100% und zum Anderen durch erste vorsichtige Anpassungen des hydraulischen Abgleichs. Im abgebildeten Zeitraum von 11 Stunden sind es 38 Takte, also noch etwas mehr als halb so viele wie vorher. Entsprechend länger sind die Brennerlaufzeiten mit ca. 4-5 Minuten.

Kurze Takte

Schon bessere Takte

Hier sieht das Ganze nun schon deutlich besser aus. Durch noch weiteres ‚Entdrosseln‘ der einzelnen Heizkreise konnte ich den Volumenstrom noch weiter erhöhen, was letztlich ein deutlich langsameres Ansteigen der Vorlauftemperatur zur Folge hat. Der Brenner schaltet immer noch nach einer Hysterese von +6K ab, braucht aber jetzt schonmal 15-20 Minuten um dahin zu kommen. Interessanterweise springt er aber hier schon nach nur -4K wieder an. Warum genau das so ist, kann ich mir nicht erklären (die Installationsanleitung kann’s schonmal gar nicht), aber vermutlich meint der Regler, dass  eine Einschaltschwelle kleiner als 25ºC keinen Sinn macht. Jedenfalls ist auch hier die mittlere Temperatur noch zu hoch. Für einen Block von mehreren Stunden über Nacht ist das OK, aber den ganzen Tag kann man die Heizung so nicht unbeaufsichtigt laufen lassen. Bleibt die Einstellung so, wird das Haus zu warm. Geht man mit der Solltemperatur runter, werden die Takte wieder kürzer und das Getakte geht wieder los. Also immer noch keine Dauerlösung.
Was haben wir? Acht Takte in sieben Stunden. Da könnte man an sich schon mit leben. Wenn da nicht immer noch das Problem mit der zu hohen mittleren Temperatur wäre… Leider kann ich bei mir den Durchfluss auch nicht maximieren, in dem ich sämtliche Kreise einfach voll aufdrehe. Dann hätte ich es nämlich im Schlafzimmer extrem warm, im Bad dafür aber viel zu kalt. Liegt daran dass die  beiden Räume fast gleich groß sind, im Bad aber nur halb so viele Rohrmeter verlegt wurden. Ausserdem würde der kürzeste Kreis viel zu schnell durchströmt und somit die Rücklauftemperatur unnötig anheben. Das wäre dann ein hydraulischer Kurzschluss, bedingt durch den dann fehlenden hydraulischen Abgleich.

Lange Takte

Watt is‘ los? Nur drei Takte an einem Tag?! (Der lange, dünne ist von der Warmwasserbereitung)

So richtig funktioniert hat’s dann erst mit der rücklaufgeführten Regelung. Weil die Regelung strenggenommen keinen Fühler für den Rücklauf hat, regelt sie intern natürlich weiterhin den Vorlauf, wobei dessen Fühler aber nun die Temperatur des Rücklaufs erfasst. Deshab muss die Heizkurve auch entsprechend niedrig und flach angesetzt werden, weil diese nun die mittlere Estrichtemperatur vorgibt. Auf dem Bild sind das meist 25ºC und einmal 26ºC von etwa acht bis Mittag, weil die Außentemperatur dort unter Null gefallen ist. Die Hysterese, die sich ja jetzt glücklicherweise wieder einstellen lässt (siehe weiter unten), liegt hier bei +- 2K, was man sehr schön deutlich erkennen kann. Die eigentliche Vorlauftemperatur, die hier bis zu 34ºC erreicht, spielt für die Regelung jetzt keine Rolle mehr. Das heißt, wenn ich jetzt zum Beispiel die Pumpenleistung verringern – und somit die Spreizung erhöhen – würde, würde die Vorlauftemperatur entsprechend weiter ansteigen, aber die Regelung nicht mehr aus dem Takt bringen.
Tja, nur noch drei Takte am Tag und die Bude bleibt gleichmäßig warm. Zum späteren Abend hin gibt’s einen etwas deutlicheren Anstieg der Raumtemperatur, der allerdings fremdwärmebedingt ist. Das System läuft jetzt seit knapp drei Monaten ohne manuelle Eingriffe und die Temperatur ist immer angenehm. Auch nach 9 Stunden Heizpause fällt die Temperatur um kein ganzes Grad ab. Der Fußboden ist dadurch natürlich auch nicht durchgehend ‚warm‘, was aber ja generell auch nicht wirklich möglich ist. Wenn ich den Estrich konstant auf, sagen wir, 28ºC halte, damit die Oberflächentemperatur auf den Fliesen sich ’schön warm‘ anfühlt, würde es schon nach wenigen Tagen viel zu warm im Haus werden. Dafür ist die Heizlast einfach zu gering, bzw. die Dämmung zu gut 😉 .

Ein weiterer Fühler muss her

Beim Studieren der Installationsanleitung stolperte ich dann darüber, dass die Therme noch einen Anschluss für einen externen Vorlauftemperaturfühler hat. Mein erster Gedanke war: Da kommt ein NTC mit einem anderen Wert dran, damit die Therme denkt dass die VL-Temperatur um einiges geringer ist. Nach etwas hin-und-her-Gerechne mit verschiedenen NTC-Werten und deren Kennlinien erwies sich das aber dann doch als recht schwieriges Unterfangen mit relativ wenig Aussicht auf Erfolg. Dabei kam mir aber eine andere Idee: Warum nicht gleich den externen Fühler am Rücklauf montieren? Damit würde der gesamte Estrich als Pufferspeicher fungieren, könnte einiges an überhöhter Startleistung wegbügeln, und bis sich an dem Fühler eine nennenswerte Temperaturveränderung zeigt, ist der Brenner jedenfalls schonmal deutlich länger gelaufen als vorher. Gesagt, getan. Auf Anhieb hat das Ganze natürlich nicht funktioniert, aber den Grund dafür hatte ich nach zwei Tagen gefunden:

Wenn der externe VL-Fühler montiert ist, wird die Hystereseeinstellung an der Therme nicht mehr ignoriert, sondern hat tatsächlich Einfluss auf die Regelung.

Und damit habe ich jetzt alle nötigen Einstellmöglichkeiten, um das Taktverhalten in den Griff zu bekommen. Konkret bedeutet das also, dass die Heizung jetzt nicht mehr nach dem Vorlauf regelt, sondern nach dem Rücklauf. Die Heizkurve wird dadurch ziemlich flach, zur Zeit komme ich mit einer Soll-RL von 25ºC für den kompletten Außentemperaturbereich oberhalb des Gefrierpunktes aus. Möglicherweise reicht das sogar auch für die ersten 10 Minusgrade, weil der Brenner ja theoretisch einfach nur erstmal länger durchlaufen müsste. Die Hysterese steht auf +- 2K, also springt der Brenner bei 23ºC RL an und geht aus wenn 27ºC erreicht sind. Die Brennerlaufzeiten sind hierbei derzeit gute 2 Stunden am Stück, die Pausen je nach Witterung 6 Stunden oder länger. Die tatsächliche Vorlauftemperatur ist dabei quasi egal, aber wird vom internen VL-Fühler natürlich weiterhin erfasst. Auch bei der Warmwasserbereitung und für die Sicherheitsabschaltung bleibt selbstverständlich weiterhin der interne VL-Fühler zuständig! Habe ich sogar selbst schon erleben dürfen, da die Pumpe nach nicht mal einem Jahr schon das erste Mal verreckt ist und der Brenner dann munter auf 100ºC hochkochen konnte (und dann abgeschaltet hat). Am externen Fühler wären diese Temperaturen niemals angekommen… Wenn deine Therme (von einem anderen Hersteller z.B.) also keine Anschlussmöglichkeit für einen externen Sensor hat und du einfach den Internen rausnimmst und an den Rücklauf klemmst, wird das definitiv in die Hose gehen! Sag hinterher nicht ich hätte dich nicht gewarnt.

So wird’s gemacht

An der Therme wird an den Anschluss für den Externen Vorlauftemperaturfühler (die braune Klemme rechts neben dem Anschluss für den Speichertemperaturfühler) ein Anlegefühler vom Typ NTC 12kOhm angeschlossen, z.B. Junkers 7719001833. Dieser wird dann mit einer passenden Rohrschelle (oder einem Kabelbinder) am kupfernen Heizkreis-RL-Rohr innerhalb der Therme befestigt. Geht natürlich auch außerhalb der Therme, aber bei Kunststoffrohren ist der Wärmeübergangswiderstand vermutlich zu hoch. Ein metallener Verteilerbalken käme sicherlich auch in Frage, aber da ich zwei davon habe, bin ich lieber an der Therme geblieben. Wärmeleitpaste habe ich keine verwendet.

Abschließend möchte ich noch folgendes loswerden: Falls irgendwer auf die Idee kommt dieses nachzumachen, so tut er das auf eigene Gefahr und auf seine eigene Verantwortung. Ich übernehme keinerlei Haftung für irgendwelche Schäden jedweder Art. Dieser Text dient in erster Linie dazu, meine selbst gesammelten Erfahrungen zusammenzufassen und damit vielleicht dem einen oder anderen ‚Heizungsneuling‘ (wie ich einer bin) einen hoffentlich hilfreichen Überblick über diese doch recht komplexe Thematik zu verschaffen. Ich selbst habe viel Zeit damit verbracht mich durch diverse Webseiten und Forenbeiträge zu arbeiten, um mir das Wissen anzueignen das mein Heizungsbauer nicht vorweisen konnte. Für meine Heizungsinstallation kam es zu spät, aber vielleicht kann ich andere Häuslebauer dazu animieren, sich vorher mit der Thematik auseinanderzusetzen und darauf zu achten, dass die Rohre im Estrich einen möglichst großen Querschnitt aufweisen und der Wärmeerzeuger nicht vollkommen überdimensioniert ist. Also: Unbedingt eine raumweise Heizlastberechnung erstellen lassen, bevor die Heizkreise installiert werden! Und darauf achten, dass keine strohhalmdünnen Rohre verlegt werden!


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