Modulieren und Takten

Wenn man sich in Internetforen so umschaut, so scheint es ein weit verbreitetes Problem zu sein, dass in Wohnhäusern zu groß dimensionierte Gasthermen verbaut werden. Falls kleinere Modelle verfügbar gewesen wären, ist hier bei der Planung und Beratung etwas schiefgelaufen. Betrachten wir jedoch den Wärmebedarf halbwegs aktueller Niedrigenergiehäuser, so müssen wir feststellen, dass selbst die kleinsten angebotenen Thermen oft ein viel zu hohes Leistungsspektrum aufweisen. Dies habe ich sehr deutlich zu spüren bekommen, als ich den Brennerbetrieb optimieren wollte. Ich behaupte, dass ich mit meiner 14 kW Therme locker drei Häuser unserer Größe heizen könnte!

Nun sollte man eigentlich meinen, dass die Hersteller auf den immer weiter sinkenden Wärmebedarf durch kleinere Thermen reagieren. Es ist aber bisher eher ein gegenteiliger Trend zu beobachten. Gab es vor einiger Zeit durchaus noch kleinere Thermen im Angebot, so bieten z.B. Wolf und Buderus als kleinste Therme nur noch das 14 kW Modell an. Stattdessen reagieren die Hersteller auf den geringen Wärmebedarf mit dem Zauberwort Modulation. Tatsächlich sind die modernen Thermen im Vergleich zu früher sehr viel besser in der Lage, sich über einen breiten Bereich auf die gerade benötigte Leistung einzustellen. Die Brennerleistung wird über die Stärke des Gasgebläses eingestellt, und passend dazu kann die Drehzahl der Heizkreispumpe angepasst werden, um die erzeugte Wärme optimal abzutransportieren.

Die Wolf-Therme hat auf Fachmannebene zwei Steuerungsparameter HG02 und HG04, um die untere und obere Brennerleistung in % zu beschränken. Die obere Brennerleistung ist werksseitig auf 100% gestellt, was man aber getrost großzügig nach unten korrigieren kann, falls es der Heizungsinstallateur nicht eh schon gemacht hat. Selbst in unserem vorherigen Altbau sind wir locker mit 6 kW Maximalleistung ausgekommen. Für unser neues Haus habe ich mal grob einen Maximalwert von 7 kW (entspricht 55%) angesetzt, da wir mehr Wohnfläche und vor allem mehr Außenwände haben, aber natürlich bei deutlich besserer Dämmung. So wichtig dürfte dieser Parameter allerdings nicht sein, da man damit ja nur die oberste verfügbare Heizleistung deckelt, die aber in der Praxis eh nie benötigt wird.

Viel wichtiger ist die minimale Heizleistung. Unsere Wolf CGB-2 mit 14 kW kann laut Herstellerangaben bis auf eine Minimalleistung von 1,8 – 2,1 kW herunter modulieren (abhängig von den gefahrenen Vorlauftemperaturen). Früher war hier die Werkseinstellung mal bei 19%, aber offenbar hatte Wolf hier Probleme, einen stabilen Flammenbetrieb zu gewährleisten. Inzwischen liegt die Werkseinstellung bei 22%. Diese lässt sich über die Smartset-Software zwar noch niediger einstellen, aber die Protokollanalyse verrät mir, dass die Steuerung nicht niedriger als 21% herunter moduliert. In der Praxis ist also ca. bei 2,2 kW minimaler Brennerleistung Schluß.

2,2 kW klingt erstmal nach wenig, ist aber offenbar immer noch zu viel Leistung, um ein effizient gedämmtes Haus in der Übergangszeit kontinierlich mit Wärme zu versorgen. Grob gesagt ist unser Brenner erst bei frostigen Außentemperaturen ab -5°C abwärts in der Lage, über einen sehr langen Zeitraum modulierend durchzulaufen. Liegen die Temperaturen um den Gefrierpunkt, so lassen sich bereits gelegentliche Taktungen (Brenner an, Brenner aus) nicht vermeiden. Ist der Winter relativ milde bei Plustemperaturen zwischen 5°C und 10°C, so wird die Therme ihre Wärme trotz minimaler Modulation in zunehmendem Maße nicht mehr ausreichend los, und der Brenner legt immer öfters eine Pause ein.

Wann dieses Verhalten genau eintritt hängt natürlich von den verwendeten Vorlauftemperaturen der Heizkurve ab. Diese sind umso niedriger, je wärmer es draußen wird. Und sehr maßgeblich ist auch die verwendete Heizungsart. Eine Fußbodenheizung ist eine Flächenheizung, die mit sehr niedrigen Vorlauftemperaturen auskommt. Mal ein konkretes Beispiel, wie unsere Heizkurve so tickt: Wir haben hier momentan 7,3°C gemittelte Außentemperatur, und damit wir im Haus angenehme 21°C Wohnraumtemperatur erreichen, genügt eine Vorlauftemperatur von 27°C. Betrachtet man nun noch, dass der Rücklauf um die 23°C hat, so muss der Brenner das Heizwasser eigentlich nur um 3-4°C erwärmen. Damit ist er aber trotz minimaler Modulation, die er praktisch nie verlässt, noch unterfordert – die Vorlauftemperatur ist dann permanent höher als sie eigentlich sein soll. Ist diese Differenz dauerhaft höher als 7°C (Brennerhysterese), so schaltet die Therme ab, da sie ihre Wärme nicht los wird. Hierzu zeige ich mal ein passendes Protokoll, dass ich mittels Smartset aufgezeichnet habe:

Die rote Linie zeigt die Leistung des Brenners in Prozent. Ganz links ist der Brenner noch aus, die Leistung liegt auf 0%. Kesseltemperatur (Vorlauf) und Rücklauf sind gleich warm, weil das Heizwasser nur noch umgewälzt wird. Hierzu läuft die Heizkreispumpe mit einer Drehzahl von 55%. Um 13:23 Uhr ist der Brenner angesprungen und läuft nach kurzer Stabilisierungsphase kontinuierlich zwischen 21 und 22% minimaler Leistung. Die blaue Linie zeigt die Solltemperatur für den Vorlauf an und liegt kontinierlich bei 27°C. Die hellgrüne Linie zeigt die tatsächliche Vorlauftemperatur im Kessel an und man sieht, dass diese zwischen 31 und 33°C und damit permanent zu hoch liegt. Die Rücklauftemperatur bleibt relativ konstant und zeigt an, dass die Wärmedifferenz problemlos an die Umgebung (Estrich) abgegeben werden kann. Nach ca. 14 Minuten jedoch steigt die Vorlauftemperatur weiter an, was zur Abschaltung des Brenners und einem Übergang in die Taktsperre führt.

Wenn man nun noch weiss, dass von unseren 12 Heizkreisen mindestens immer 5 Stück ganz geöffnet sind (warum, dazu später mehr), dann ist offensichtlich, dass die Therme bei dieser Witterung immer am unteren Limit läuft und trotzdem bereits zu viel Wärme produziert. Als Konsequenz daraus muss sie takten – also kurz Heizen und dann wieder Pause machen.

Nun ist es leider so, dass ein häufiges Ein- und Ausschalten des Brenners möglichst zu vermeiden ist. Zum einen erhöht dies den Verschleiß verschiedener Bauteile, und zum anderen steigt der Gasverbrauch und sinkt der Wirkungsgrad – ähnlich wie bei einem PKW, dessen Motor für viele Kurzstrecken immer wieder gestartet wird. Ideal für einen effizienten Brennerbetrieb während der Heizperiode wäre es, wenn er möglichst lange und kontinuierlich durchläuft, dabei aber durch die Modulation immer nur so viel Wärme erzeugt, wie vom Haus gerade benötigt wird.

Durch die Überdimensionierung der Heiztherme lässt sich dieser Idealzustand nur in den kalten Wetterperioden erreichen, ich komme leider nicht ohne Taktung aus. Man hat aber durch die vielen Regelungsparameter einige effektive Möglichkeiten, auch den Taktbetrieb möglichst effizient und sinnvoll zu gestalten – gerade auch bei Verwendung einer Fußbodenheizung. Darauf werde ich noch genauer eingehen.