mini|Digitaler Heizungsregler mit Tag- und Wochenprogramm (um 2007) Heizungsregler sind Geräte für die Gebäudeheizung mit dem Ziel, die Warmwasserversorgung und die gewünschten Raumtemperaturen in den angeschlossenen Räumen einer Zentralheizung einzuhalten und dabei einen sowohl komfortablen als auch energiesparenden Heizbetrieb sicherzustellen. Mit der getrennten Regelung der Vorlauftemperatur für Heizkörper und Fußbodenheizung im zentralen Wärmeerzeuger sowie dezentralen Thermostaten führen sie gerade so viel Wärmeenergie wie nötig zu. Sie minimieren dadurch Erzeugungs- und Verteilungsverluste und steigern die Energieeffizienz von Ölheizungen, Gasheizungen, Wärmepumpen und thermischen Solaranlagen. Darüber hinaus bieten sie zeit- und ggf. wochentagsabhängige Eingriffsmöglichkeiten für Abwesenheitsbetrieb, Nachtabsenkung und Frostschutz. Beim Erreichen der Heizgrenze, d. h. bei Überschreitung einer einstellbaren Außentemperatur, schalten sie die Heizungsanlage ab.
Das Gebäudeenergiegesetz verlangt in Deutschland für zentrale Heizungsanlagen (also Heizungsanlagen, welche die Wärmeerzeugung und Wärmeabgabe auf verschiedene Geräte aufteilen und mindestens zwei Räume mit Wärme versorgen) die Einhaltung von Mindeststandards für die Ausstattung von Neubauten und Bestandsgebäuden. Daher sind die außentemperaturgeführte und zeitabhängige Regelung der Vorlauftemperatur sowie Raumthermostate heutiger Mindeststandard neben weiteren Optimierungen der Wärmeerzeugung und -verteilung. Da die privaten Haushalte in Deutschland etwa 80 % des Energieverbrauchs (2023) für das Heizen aufwenden, ermöglicht eine gut eingestellte Heizungsregelung ein großes Optimierungspotential. 20 % des CO2 entstand durch das Heizen von Gebäuden.
Geschichte Als Kamine und Küchenherde Standard der Heizungstechnik waren, funktionierte die Heizungssteuerung vorwiegend manuell. Die Nutzer regulierten die Heizleistung über die Menge des zugeführten Brennstoffs (meist Holz oder Kohle) und/oder die Stellung der Luftklappen für die Sauerstoffzufuhr, um den Aufstellungsraum und ggf. benachbarte Räume über eine Warmluftverteilung zu beheizen.
In Deutschland ließ 1843 der Ingenieur Johannes Haag im Schloss Sigmaringen die erste Dampfheizung als Zentralheizung einbauen. Ab Beginn des 20. Jahrhunderts verbreiteten sich Ölheizungen und Gasheizungen in deutschen Wohngebäuden. Die ersten Anlagen wurden durch einen Bimetall-Thermostaten geregelt, der die Verbrennung abhängig von der Wassertemperatur des Heizkessels (Vorlauftemperatur) einschaltete. Durch Schwerkraft verteilte sich die Wärme an die angeschlossenen Heizkörper, deren Durchflussmenge mit manuell eingestellten Ventilen gedrosselt werden konnte, um die jeweilige Raumtemperatur zu steuern. 1943 erfand der Däne Mads Clausen das Thermostatventil und vermarktete es ab 1952 durch Danfoss. Es drosselte den Heizwasserdurchfluss durch den Heizkörper in Abhängigkeit von der Raumtemperatur und regelte so die Raumtemperatur weitgehend unabhängig von der Vorlauftemperatur.
mini|Raumtemperaturregler aus den 1960er Jahren mini|Raumtemperaturregler aus den 1980er Jahren Nach dem Zweiten Weltkrieg setzten sich Öl- und Gasheizungen immer weiter durch, auch für die Versorgung mit Warmwasser. Neben der Regelung der Kesseltemperatur (nicht beliebig absenkbar wegen Legionellengefahr des Warmwassers) wurden zunehmend Mischventile eingesetzt, die die Vorlauftemperatur durch Zumischung von kühlerem Rücklaufwasser anpassen konnten. In den 1960er Jahren kamen Regelgeräte mit Raumtemperaturfühler auf den Markt und erhöhten den Komfort der Heizung. Sie regelten die Vorlauftemperatur abhängig von der Temperatur in einem Führungsraum. Sie ermöglichten mit einer Zeitschaltuhr die Nachtabsenkung der Raumtemperatur, um Heizkosten zu sparen. Anfangs täuschte eine Wärmequelle dem Temperaturfühler zu den voreingestellten Zeiten eine höhere Raumtemperatur vor, sodass die Vorlauftemperatur reduziert wurde.
In den 1970er Jahren stiegen die Energiepreise stark an und förderten den Einsatz von effizienteren Heizungsregelungen sowie die verbesserte Wärmedämmung von Außenwänden. Die Kesselhersteller entwickelten die witterungsgeführte Heizungsregelung, die die Vorlauftemperatur über eine gebäudespezifisch eingestellte Heizkurve abhängig von der Außentemperatur regelt und wegen reduzierter Kesseltemperaturen einen besseren Wirkungsgrad erzielt. Mit raumgeregelten Fußbodenheizungen und Thermostatventilen an allen Heizkörpern lässt sich der Energiebedarf weiter minimieren. Der neueste Standard der Heizungsregelung schließt neben adaptiven Regelungen auch das Management von Wärmepumpen und thermische Solaranlagen sowie die Fernsteuerung mittels Internet ein.
Übersicht mini|400x400px|Blockschaltbild der Regelung einer Zentralheizung für Warmwasser, Heizkörper und Fußbodenheizung Die am weitesten verbreitete Form der Zentralheizung für Wohngebäude verbindet die Warmwasserversorgung sowie die Erwärmung der Heizkörper und der Fußbodenheizung durch einen zentral aufgestellten Wärmeerzeuger. Er wird von einem Programm gesteuert, das die Anforderungen der Bewohner und des Gebäudes hinsichtlich des gewünschten Temperaturniveaus erfasst. Daraus wird jeweilige Wärmebedarf der drei Heizkreise ermittelt. Zur Optimierung der Effizienz der Heizanlage werden die dafür erforderlichen Temperaturen in Abhängigkeit von Uhrzeit und Wochentag sowie der Außentemperatur (sog. witterungsgeführte Heizungsregelung) ermittelt und nach dem Prinzip einer Kaskadenregelung durch mehrere hintereinander geschaltete Regler eingehalten.
In den meisten Fällen hat die Warmwasserversorgung Vorrang vor der Raumheizung, weil er bei größeren Wasserentnahmen schnell nachgeladen werden muss. Eine Ladepumpe lädt den Warmwasserspeicher nach, bis er nach einer Wasserentnahme wieder die erforderliche Temperatur erreicht hat. Die Vorlauftemperatur der Heizung wird so geregelt, dass die Thermostatventile der Heizkörper die dort jeweils gewünschte Raumtemperatur einhalten können. Die Fußbodenheizung benötigt aufgrund der großen Heizflächen nur eine niedrige Vorlauftemperatur. Sie wird aus dem Vorlauf der Heizkörper und dem Rücklauf der Fußbodenheizung gemischt, dass die Raumthermostaten die jeweils gewünschte Raumtemperatur erzielen können.
Funktionen Programm mini|Regelung der Vorlauftemperatur auf Basis der Steilheit und der Parallelverschiebung Das Programm wird gemäß den Anforderungen der Bewohner und des Gebäudes parametriert. Es berücksichtigt folgende Elemente:
Zeitliche Vorgabe bzgl. täglicher und wöchentlicher Zeiten für den Komfortbetrieb und Reduziertbetrieb. Sie ermöglicht die granulare Festlegung der Zeitsegmente für das individuelle Heizprofil, das automatisch zwischen Komfortbetrieb (meist tagsüber) und den Reduziertbetrieb (Nachtabsenkung) umschaltet. Außerdem kann für längere Abwesenheit über einen einstellbaren Zeitraum Reduziertbetrieb angefordert werden (Ferienbetrieb). Die hierfür erforderliche Zeitbasis wird in der Regel aus dem Signal des Zeitzeichensenders DCF77 ermittelt. Parameter der Heizkurven für den Komfortbetrieb und den Reduziertbetrieb. In der Regel umfasst dies die Sollwerte (durch Parallelverschiebung) für die beiden Betriebsarten sowie die Steilheit für die Abhängigkeit der Vorlauftemperaturen von der Außentemperatur (an einer geschützten Stelle der Fassade) sowie ggf. der Einflüsse von Windgeschwindigkeit und Sonnenstrahlung. Sie muss mindestens so hoch gewählt werden, dass die transportierte Wärmemenge die Verluste über die Gebäudehülle ausgleichen kann. Parameter für die Heizgrenze, d. h. automatische Abschaltung der Heizung bei sommerlichen Temperaturen. Parameter für den Frostschutz bzw. Gebäudeschutz, d. h. automatische Einschaltung der Heizung im Minimalbetrieb, um bei niedrigen Außentemperaturen Schäden am Gebäude oder der Installation zu verhindern. Programmwahl für Automatikbetrieb (meist Uhrensymbol 15x15px), dauerhaften Komfortbetrieb (☼), dauerhaften Reduziertbetrieb (☽) oder Frostschutz (❆). Aktivierung der Schornsteinfegerfunktion (zur Messung der Abgasmessung) oder des Notbetriebs (Handbetrieb). Allgemeine Anforderungen an die Temperaturregelung Die Heizungsregler bilden Regelkreise, die die angeforderte Temperatur (Sollwert) und die gemessene Temperatur (Istwert) als Regeldifferenz auswerten und daraus die dynamische Regelgröße ermitteln. Diese beeinflusst direkt die Wärmeerzeugung (Wärmequelle), die Vorlauftemperatur (über ein Mischventil) oder die Wärmezufuhr durch eine Drosselung der Durchflussmenge des Heizwassers. Besondere regelungstechnische Herausforderungen ergeben sich aus der Wärmekapazität des Heizungssystems, das nur mit Verzögerung auf Änderungen reagiert und bei ungeschickter Parametrierung zum Überschwingen oder zu instabilem Regelverhalten neigt.
Regelung der Wärmequelle Das zentrale Element der Heizungsregelung ist die Regelung der Wärmequelle entsprechend den programmgesteuerten Vorgaben und dem aktuellen Wärmebedarf. Bei einer Ölheizung übernimmt ein Zweipunktregler das getaktetes Ein- und Ausschalten des Ölbrenners zum Aufheizen des Heizwasservorrats im Kessel. Eine Pelletheizung wird durch Zuführen von Holzpellets und Sauerstoff geregelt. Bei einer Gasheizung wird die Gaszufuhr für die Verbrennung und bei einer Wärmepumpenheizung die Stromzufuhr für die Leistung des Verdichters stetig geregelt; der Wasservorrat im Heizsystem kann minimiert werden, so dass die Regelung schnell auf Änderungen reagiert.
Regelung der Warmwasserbereitung Die Warmwasserbereitung erfolgt über einen Warmwasserspeicher (typisch mit einem Inhalt von 50 bis 200 l) und ein Zirkulationssystem im Gebäude. Wenn die Temperatur im Warmwasserspeicher (durch Abkühlung und/oder nachströmendes Kaltwasser nach Entnahme) unter einen gemäß Programm vorgegebenen Schwellwert fällt, fordert der Regler von der Wärmequelle (Öl- oder Gasheizung) entsprechend temperiertes Heizwasser an und schaltet die Ladepumpe für die Zirkulation zur Wärmeübertragung durch die Heizspirale im Warmwasserspeicher ein. Während dieser Aufheizphase werden die Umwälzpumpen der Gebäudeheizung abgeschaltet, um vorübergehende Regeldifferenzen aufgrund erhöhter Vorlauftemperaturen zu vermeiden. Sobald die vorgegebene Solltemperatur im Warmwasserspeicher erreicht ist, wird die Ladepumpe abgeschaltet und die Vorlauftemperatur wieder auf den normalen Heizbetrieb eingeregelt.
Die Wasserhähne und andere Zapfstellen von Warmwasser (z. B. Dusche) im Gebäude werden mittels einer Zirkulationsleitung versorgt, in der das warme Wasser umläuft und daher sofort verfügbar ist. Die Zirkulationspumpe kann mit einer Zeitschaltuhr gesteuert werden, um den Energieverbrauch für den Betrieb der Pumpe und die Wärmeverluste in den Rohrleitungen (vor allem nachts) zu reduzieren.
Zur Vermeidung der Legionellengefahr in der Warmwasserzirkulation wird eine Mindesttemperatur von 50 °C sowie ein einmaliges wöchentliches Aufheizen auf 65 °C empfohlen (das auch Teil des Programms sein kann).
Die einer Wärmepumpenheizung ist aufgrund der hohen erforderlichen Temperatur für das Aufladen des Wärmespeichers nur eingeschränkt geeignet, vor allem bei Außentemperaturen unter 10 °C, und erfordert die Unterstützung durch eine thermische Solaranlage und/oder ein elektrisches Heizelement.
Regelung der Heizkörper mini|Plattenheizkörper aus Stahlblech mit Thermostatventil am Zulauf (rechts oben) mini|Regelverhalten eines mechanischen Thermostatventils in Abhängigkeit von der Außentemperatur (Spitzen aufgrund von Sonneneinstrahlung)