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Gut gefühlt ist halb gewonnen

Was versteht man unter der Güte eines Regelkreises?

Fühler an BHKW

Ein Regler vergleicht ständig einen vorgegebenen SOLL-Wert mit einem gemessenen IST-Wert und ermittelt aus der Differenz (Abweichung) eine Reaktion (Stellgröße) mit dem Ziel, die Abweichung zwischen SOLL- und IST-Wert so klein wie möglich zu machen. Wird beispielsweise für ein BHKW eine konstante Rücklauftemperatur von 60°C gefordert, so handelt es sich dabei um den SOLL-Wert, während der IST-Wert durch einen Temperaturfühler ermittelt wird. Als Reaktion käme ein Dreipunkt-Signal in Frage, welches über einen elektrischen Antrieb ein Mischventil öffnet, stoppt oder schließt, so dass die Rücklauftemperatur angehoben, beibehalten oder abgesenkt wird.

Regelverhalten durch Fühler

Unter der Güte des Regelkreises wird vor allem verstanden, wie genau und wie schnell der Regler den IST-Wert an den SOLL-Wert heranführt, beispielsweise nach einer sprunghaften Änderung des SOLL-Wertes zum Zeitpunkt T. Im Idealfall schießt der IST-Wert nur einmal geringfügig über das Ziel hinaus und nähert sich dann von dieser Seite dem SOLL-Wert an. Ist der Regler zu langsam, so vergeht zuviel Zeit, bis das Ziel erreicht wird. Ist der Regler zu schnell, so schwingt er mehrfach über das Ziel hinaus. Da in unserem Beispiel auch der Stellmotor Bestandteil des Regelkreises ist und damit dessen Güte beeinflusst, sollte seine Laufzeit am Regler korrekt eingestellt werden, sofern diese Option existiert.

Was ist eine Totzeit?

Große Entfernung des Fühlers zum Mischer

Unter der Totzeit der Regelstrecke wird die Zeitspanne verstanden, die vergeht, bis die Wirkung einer Änderung des Reglers vom Fühler erfasst wird. Befindet sich beispielsweise der Fühler unserer oben genannten Rücklaufanhebung am Rücklauf-Eingang des BHKW, während der Mischer 5m entfernt montiert wurde, so ist die Totzeit mindestens so groß wie die Laufzeit (t), die das Wasser benötigt, um die Strecke (s) mit der Geschwindigkeit (v) vom Mischer zum Fühler zu fließen.

t = s / v

v = Q / A = Q / ¼πDN²

Bei einem BHKW mit einer thermischen Leistung von 12,5kW, welches im Vorlauf 80°C liefert und im Rücklauf 60°C erhält, beträgt das Delta-T 20K und der Durchfluss (Q) somit 0,54m³/h. Damit ergeben sich für die folgenden Nennweiten folgende Fließgeschwindigkeiten (v) und für eine 5m-Strecke beispielsweise folgende Laufzeiten (t):

Daraus ist zunächst erkennbar, dass eine stark überdimensionierte Nennweite zu einem deutlichen Anstieg der Totzeit führt. Und die steht einer hohen Reglergüte mit Sicherheit im Weg.

Warum die richtige Fühlermontage so wichtig ist?

Desweiteren ist klar, dass der Abstand zwischen dem Fühler und dem Mischer auf jeden Fall so klein wie möglich sein muss, um die Totzeit nicht unnötig zu vergrößern. Damit ist der Ort der Fühlermontage der erste Parameter, der beachtet werden muss.

Geringe Entfernung des Fühlers zum Mischer

Doch auch der Wärmeübergang vom Heizungswasser zum Fühler stellt eine Hürde mit Zeitrelevanz dar: je besser der Wärmeübergang ist, desto schneller reagiert der Fühler. Besonders verbreitet sind Anlegefühler, die von außen an die Rohrleitung montiert werden, durch die das zu messende Heizungswasser fließt. Dabei kommen im Wesentlichen drei Faktoren zum Tragen:

Kontaktfläche
Die Kontaktfläche sollte möglichst groß sein. Wird beispielsweise ein Fühler längs auf einem Wellrohr platziert, so stehen dem Wärmeübergang nur mehrere kleine Punkte zur Verfügung.

Bei einem glatten Rohr besteht der Kontakt zwischen Fühler und Rohr noch aus einer Linie. Erst durch den Einsatz von Wärmeleitpaste oder einer anderen Wärmebrücke wird aus der Linie die erforderliche Kontaktfläche, die einen schnellen Wärmeübergang garantiert.

Fühler ohne Wärmeleitpaste und Fühler mit Wärmeleitpaste

Metalle sind die besten Wärmeleiter im Gegensatz zu Kunststoffen, Oxiden (Rost) oder anderen Verunreinigungen. Daher sollte das Rohr aus Metall bestehen und vor der Fühlermontage sorgfältig gereinigt werden.

Die Spannung der Anpresskraft sollte dauerhaft elastisch erhalten bleiben, was bei der Auswahl des Spannbands zu beachten ist. Insofern ist ein Spiralfederdraht sicherlich besser als ein Kabelbinder und ein Kabelbinder sicherlich besser als Klebeband.

Anpresskraft durch Spannband

In jedem Fall sind Sachverstand und Sorgfalt des Monteurs gefragt, um an dieser Stelle unnötige Fehler zu vermeiden, die im ungünstigsten Fall die Regelkreisgüte soweit verschlechtern können, dass es zu permanenten Temperaturschwankungen im Rücklauf des BHKW kommt.

Schlechter Wärmeübergang führt zu längerer Totzeit