Fußbodenheizungen schaffen wegen ihres großen Strahlungsanteils eine hohe Behag­lichkeit im Raum. Vorgeschaltete Aggregate wie z.B. Brennwertkessel oder Wärmepumpen werden wegen der niedrigen Systemtemperaturen der Fußbodenheizung mit erhöhter Energieeffizienz betrieben.

Vorherrschend sind nassverlegte Systeme, in denen das Rohrsystem an die Speichermasse des Estrichs angekoppelt ist. Solche Systeme haben eine hohe Trägheit und verlangen eine dementsprechende Anpassung und Optimierung der Regelungstechnik.

Seit einigen Jahren werden Bodenfühler eingesetzt, mit denen zu hohe Fußbodentemperaturen vermieden werden sollen. Ziel der Arbeit war es herauszu­finden, ob solche Bodenfühler auch für die Verbesserung der Regelung heran­gezogen werden können. Dazu wurde mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms (Excel) ein gekoppeltes Raum- und Anlagenmodell herausgebildet, das genügend kleine Zeitschritte zulässt, um regelungstechnische Abläufe darzustellen.

Es wurden vier Arten der Regelung implementiert und miteinander verglichen:

  1. Zweipunktregelung der Raumtemperatur ohne Aufschalten des Bodenfühlers (2P)
  2. PI-Regelung der Raumtemperatur ohne Aufschalten des Bodenfühlers (PI)
  3. Zweipunktregelung der Raumtemperatur mit Aufschalten des Bodenfühlers (PI / 2P)
  4. PI-Regelung der Raumtemperatur mit Aufschalten des Bodenfühlers (PI / PD)

In den beiden letzten Varianten wurde eine Kaskadenregelung implementiert, in der der Messwert des Bodenfühlers als Hilfsregelgröße verwendet wurde. Für den Hilfsregelkreis wurde eine PD-Regelung verwendet, die am Boden auftreffende Sonneneinstrahlung besonders schnell reagiert.

In folgenden Diagrammen ist das Störverhalten des Regelkreises in den vier beschriebenen Varianten dargestellt:

  • DiagrammeStörverhalten des Regelkreises in den vier beschriebenen Varianten327 KB

Man erkennt eine deutliche Verbesserung durch die Erfassung der Bodentemperatur als Hilfsregelgröße, unabhängig davon, ob der Bodenfühler den exakten Wert der mittle¬ren Oberflächentemperatur erfasst oder irgendeiner oberflächennahem Temperatur im Bodenaufbau. In dieser Arbeit wurde eine trapezförmig auftretende Störung angenommen. Genauere Aufschlüsse würden Simulationsläufe über ein Testreferenzjahr bringen.

2013, Betreuer: Prof. Dr. Mathias Fraaß

“Bei der Fa. Sauter stand eine in MATLAB/Simulink implementierte Simulation eines Raums nebst Heizkörper und Regeleinrichtung zur Verfügung. Die Raumsimulation enthielt das dynamische Verhalten der Wände und konvektive Wärmeübergänge mit festen Koeffizienten. Störgrößen waren Luftwechsel, Außentemperatur und innere Quellen. Der Strahlungstransport wurde nicht berücksichtigt. Ein elektronischer Klimaregler der Fa. Sauter, das Modell NRT 300, war als C-Code in das Modell integriert. Die Aufgabe bestand darin, diesen Regler mit seinen verfügbaren Algorithmen und Einstellmöglichkeiten (unter Berücksichtigung der systematischen Fehler der Regeleinrichtung) ebenfalls in MATLAB/Simulink zu implementieren und mit dem in CCode geschriebenen Regler zu vergleichen.

Für den Reglerentwurf standen die Produktdaten und Herstellerunterlagen der Firma Sauter zur Verfügung. Damit der NRT 300 in die Simulationsumgebung implementiert werden konnte, wurden neben dem Regler weitere „regelungstechnischen Bauteile" programmiert: Temperaturfühler, Stelleinrichtung und Zeitschaltuhr. Außerdem wurde ein Zweipunktregler ohne thermische Rückführung programmiert. Für Folgeprojekte wurden die Bauteile in einer Bibliothek abgelegt.

Der C-Code-Regler als auch der Matlab/Simulink-Regler sind in der Simulationsumgebung miteinander verglichen worden. Die Gegenüberstellung der beiden Regler erfolgte mit verschiednen Ausgangssignalen: stetiges Signal (0 V bis 10 V), Pulsweitenmodulation (0/1) und DreipunktSignal (-1/0/+1). Da die Regelstrecke der Simulationsumgebung aus einem Testraum mit Heizkörper bestand, konnte nur der Wirksinn „Heizen" betrachtet werden. Die Test-Szenarien berücksichtigten verschieden Außentemperaturverläufe, Stoßlüftung, plötzlich auftretende innere Lasten sowie einen überdimensionierten Heizkörper. Darüber hinaus wurde für die o. g. Regler der Energieverbrauch am Heizkörper ermittelt und gegenübergestellt.

Die Auswertung der Simulationsergebnisse zeigte, dass beim Einsatz von verschiedenen Reglern der Energieverbrauch des Heizkörpers etwa gleich groß blieb. Wesentliche Unterschiede waren jedoch im Regelverhalten und in der Regelqualität zu erkennen.”

2005, Partner: Sauter, Betreuer: Prof. Dr. Mathias Fraaß

Beheizung bzw. Klimatisierung von Wohnräumen – bei heute stetig steigenden Energiekosten werden innovative Lösungen gesucht, die gleichen oder sogar höheren Komfort bei geringerem Energieverbrauch bieten.

In dieser Diplomarbeit wurde die Anlagentechnik von Einfamilienhäusern betrachtet. Ein modernes Flächenheizsystem auf der Basis von Kunststoff-Kapillarrohrmatten, deren Einsatz in der Büroklimatisierung zu deutlichen Energieeinsparungen führt, bildete die Grundlage der Untersuchung. Durch die Gegenüberstellung dieses Systems zu einem gebräuchlichen Heizkörperheizsystem und einem anderen zeitgemäßen Raumheizsystem (Frischluftheizung) sollte dessen Eignung für den Einfamilienhausbereich geprüft werden. Insbesondere galt es herauszufinden, in welchem Maß sich durch ein Kapillarrohrmatten-System Energiekosten senken lassen und ob sich die zusätzlichen Investitionskosten amortisieren.

Am Beispiel eines konventionell errichteten Einfamilienhauses wurden zwei Modelle entwickelt. Modell 1 basiert auf den tatsächlichen Wärmedämmwerten des Hauses, es entspricht den Anforderungen der Wärmeschutzverordnung 1995. Der energetische Gebäudestandard von Modell 2 entspricht dem eines gut ausgeführten Niedrigenergiehauses.

Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf der Beheizung des Gebäudes. Durch verschiedene Kombinationen der Raumheizsysteme mit effektiven Wärmeerzeugern wurden für jedes Haus-Modell verschiedene Varianten für den Heizfall erstellt. Es wurde im Modell 1 einem Flächenheizsystem aus Kapillarrohrmatten eine herkömmliche Heizkörperheizung und im Modell 2 eine moderne Luftheizung gegenübergestellt.

In einem zweiten Schritt wurde neben der Auslegung für den Heizfall auch die Möglichkeit der sommerlichen Kühlung für die im Dachgeschoß gelegenen Wohnräume betrachtet. Hierfür wurde, bei den Vergleichsalternativen, die Nutzung zusätzlicher Klimasplitanlagen in die Berechnung mit einbezogen.

Als Basis für die Kalkulation der Investitionskosten der Anlagentechnik wurden für beide Haus-Modelle Heiz- und Kühllastberechnungen durchgeführt. Grundlagen dieser Berechnungen waren für die Heizlast das vereinfachte Berechnungsverfahren der DIN EN 12831, für die Kühllast das Kurzverfahren der Richtlinie VDI 2078. Die Lastberechnungen wurden, zur Erlangung einer breiteren Gültigkeit der Ergebnisse, um 50.% variiert. Die errechneten Investitionskosten je Anlagenvariante basieren auf den Einkaufspreisen für Material/ Leistungen der unterstützenden Fachfirmen. Alle Kalkulationen wurden einheitlich beaufschlagt. Aus den Investitionskosten ließen sich die betriebsgebundenen Kosten für Wartung und Instandhaltung errechnen.

Für die Ermittlung der verbrauchsgebundenen Kosten je Ausführungsvariante wurden Heizwärme- und Kältebedarfsrechnungen durchgeführt. Die Berechungen erfolgten auf folgenden Grundlagen: Periodenbilanzverfahren der Vornorm DIN V 4108-6 (Jahresheizwärmebedarf), Tabellenverfahren der Vornorm DIN V 4701-10 (Jahresendenergiebedarf). Der Jahreskältebedarf wurde in Anlehnung an die Richtlinie VDI 2067 Blatt 3 und der Jahresendenergiebedarf für die Kühlung aus den Anlagenkenndaten und den Betriebszeiten ermittelt. Es wurden reale Energiepreise zu Grunde gelegt.

Die Wirtschaftlichkeitsberechnung wurde mittels der Annuitätenmethode bei einmaliger Investition, d.h. ohne Ersatzinvestition durchgeführt. Als Betrachtungszeiträume wurden 20 Jahren für Modell 1 und 15 Jahren für Modell 2 gewählt. Des Weiteren wurden Preissteigerungen der Energiepreise berücksichtigt.

Im Ergebnis hat sich herausgestellt, daß sich unter heutigen Bedingungen, bei alleiniger Betrachtung des Heizfalles, die höheren Investitionskosten für ein Flächenheizsystem aus Kunststoff-Kapillarrohrmatten noch nicht amortisieren. Im Modell 1 liegen die Investitionskosten für das System, je nach Variante, bei den zwei- bis dreifachen Investitionskosten einer herkömmlichen Heizkörperheizung und bei bis zu 50 % über denen der Frischluftheizung für die Varianten von Modell 2. Bei Einbeziehung der sommerlichen Kühlung ist die Amortisation innerhalb der genannten Nutzungszeiträume erreichbar.
Bei beiden Modellen ergab sich, daß sich das Flächenheizsystem bei steigender Heizlast und/ oder bei stärkerem Anstieg der Energiepreise schneller amortisiert.”

2005, Betreuer: Prof. Dr. Mathias Fraaß