Thermostatventil
Ein Thermostatventil ist ein Temperaturregler, der den Durchfluss abhängig von der gemessenen Temperatur steuert, um die eingestellte Temperatur konstant zu halten.
Es gibt in der Technik die verschiedensten Arten und Ausführungen von Thermostatventilen, ein im Alltag bekanntes ist der Heizkörperthermostat zur Regelung der Heizkörper-Temperaturen einer Gebäudeheizung. Im konventionellen Heizkörperthermostat übernimmt ein thermisches Ausdehnungselement zugleich die Funktion des Messfühlers und der Ansteuerung des eigentlichen Ventils.
Weitere häufige Anwendungen von Thermostatventilen sind Kühlkreisläufe und Kältemaschinen (Heißgas-Bypass), selbstregelnde Mischbatterien an Dusche oder Badewanne sowie Backofenthermostate an Gasherden.
Heizkörperthermostatventil
Ein Heizkörperthermostatventil (vereinzelt auch Heizkörper-Thermostatventil geschrieben) nach DIN EN 215-1 ist ein Drosselventil, das thermostatisch gesteuert ist. Es vereint Fühler, Regler, Stellglied und Sollwerteinstellung in einer Einheit.[1] Es besteht aus dem Unterteil (Ventil) sowie dem Oberteil (Thermostatkopf), welches Regler, Fühler und Sollwerteinstellung enthält.[2] Es wird auch als Thermostatventil[2] sowie als Heizkörperthermostat[3] bezeichnet. Umgangssprachlich wird es in Kurzform auch als Thermostat bezeichnet.[3]
Der Thermostatkopf ist in seinem Innern mit Wachs, Flüssigkeit oder Gas gefüllt. Dieses sogenannte Dehnstoffelement besteht aus einem Metallbalg ähnlich einer Wellrohrkupplung bzw. einem Wellrohr und dehnt sich entsprechend der Raumlufttemperatur aus. Diese Längenänderung wird auf einen Übertragungsstift (Stößel) und über diesen auf das Ventil (Unterteil, siehe Abbildung) übertragen, das den Durchflussquerschnitt des Heizungsvorlaufs und damit die Durchflussmenge verändert. Eine Rückstellfeder öffnet das Ventil bei sich zusammenziehendem Dehnköper. Die kontinuierliche Regelung des Heizwasserdurchflusses bewirkt eine weitgehend konstante Raumlufttemperatur.
Befindet sich der Thermostatkopf nicht auf dem Ventil, ist das Heizungsventil vollständig geöffnet. Ventilunterteile werden gewöhnlich mit einer Schutzkappe ausgeliefert, die anstelle des Thermostatkopfes aufgeschraubt ist und zur manuellen Regelung des Ventils genutzt werden kann.
Die Raumlufttemperatur wird durch Drehen des Einstellkopfes gewählt. Dreht man den Kopf nach rechts, wird der ganze Kopf mit Dehnstoffelement und Übertragungsstift näher an das Ventilgehäuse herangeschraubt. Die Öffnung des Ventils wird dadurch verkleinert, die Heizkörperdurchströmung wird vermindert und die Heizleistung und damit Raumlufttemperatur sinkt. Bei Linksdrehung (analog zu einfachen Ventilen) öffnet das Ventil mehr, es erhöht sich die Wärmeabgabe. Eine Frostschutzmarke »*« am Einstellring kennzeichnet die Frostschutz-Stellung als unterstmögliche, so dass der jeweilige Heizkörper nicht unter ca. 6 °C auskühlen kann, um Frostsprengung zu verhindern. Die Einstellung auf die mittlere Stufe (in der Regel „3“) bedeutet eine Raumtemperatur von etwa 20 °C. Jedes Verändern der manuellen Einstellung um einen Zahlenwert 1 nach oben oder unten bewirkt eine Temperaturänderung von etwa 4 K beziehungsweise 4 °C. Eine Veränderung der Raumtemperatur durch Sonneneinstrahlung, mehrere Personen oder sonstige Wärmequellen wird vom Thermostat genauso wahrgenommen wie die durch den Heizkörper bewirkte Wärme. Er regelt entsprechend selbständig ab. Bei sinkender Raumtemperatur wird das Ventil wieder zunehmend geöffnet.
Da Thermostatventile Proportionalregler sind[2], wird die eingestellte Raumtemperatur (z. B. Stufe III = 20 °C) meistens nicht genau getroffen. In der Praxis typische Abweichungen liegen bei einem richtig ausgelegtem Heizsystem unter 1 °C Abweichung.[4] Die überwiegend eingesetzten Thermostatventile schließen bzw. öffnen bei einer Temperaturabweichung um 1 K das Ventil vollständig.
Für eine effiziente Heizung ist eine Voreinstellung des Wasserdurchflusses vorzunehmen (entweder am Ventil im Zulauf selbst oder in der Rücklaufverschraubung). Weiterhin sollte der Verstellbereich intern begrenzt werden, um vor Fehlbedienung sicher zu sein. Bei fallender Heizleistung, z. B. durch Absenken der Heizwassertemperatur in der Nacht, öffnet das Ventil, da der Thermostat versucht, den eingestellten Sollwert einzuhalten.
Thermostatventile müssen ungehindert von der Raumluft umgeben werden. Voraussetzung ist waagerechter Einbau, so dass das warme Rohr nicht unter dem Thermostatkopf verläuft. Werden die Köpfe durch Vorhänge verdeckt oder befinden sich in Nischen, sind Fernfühler bzw. Fernversteller (siehe unten) hilfreich, die über ein Kapillarrohr die Wärmeausdehnung an das Thermostatventil weitergeben. Eine geringe thermische Beeinflussung des Thermostatventils durch den warmen Heizkörper ist ohne Fernfühler unumgänglich, nimmt jedoch bei tiefen Heizwassertemperaturen ab.
Um die Lebensdauer der Ventile zu erhöhen, sollte außerhalb der Heizsaison auf maximalen Durchfluss gedreht werden, damit die Elemente, die den Druck auf den Ventilkörper erzeugen, so weit wie möglich entspannt werden.
Nach dem Gebäudeenergiegesetz ist zurzeit eine Einzelraum- oder Gruppen-Temperaturregelung vorgeschrieben (Ausnahme: Einzelöfen zum Betrieb mit festen oder flüssigen Brennstoffen), verbunden mit einer zentralen Heizungs-Vorlauftemperaturregelung und -abschaltung in Abhängigkeit von der Außentemperatur oder anderen geeigneten Führungsgrößen.
Ein hydraulischer Abgleich der Anlage für einen an allen Heizkörpern gleichen Betriebspunkt (Raumtemperatur, Solltemperatur und Durchflussmenge) ist weitere Voraussetzung für eine gute Funktion.
Für die Regelung von Fußbodenheizungen wird vorzugsweise ein Rücklauf-Temperatur-Begrenzer (englisch Return Temperature Limiter, RTL) eingesetzt. Dieses Thermostatventil misst nicht die Raumtemperatur, sondern die Wassertemperatur im Rücklauf der Fußbodenheizung. Es wird, anders als bei üblichen Heizungsventilen, erst am Ende eines Heizkreislaufes eingesetzt. RTL können bei einer Fußbodenheizung Schäden durch eine zu hohe Vorlauftemperatur vermeiden oder verhindern, dass zu warmes Wasser zum Wärmeerzeuger zurückströmt und somit dessen Effizienz mindert.
Die Bedienung des mechanischen Heizungsthermostatventils erscheint sehr einfach, dennoch kommt es zu Fehlbedienungen, weil viele Benutzer irrtümlich glauben, durch die optische Ähnlichkeit mit einem Wasserhahn, dass die Heizung schneller warm wird, wenn man stärker aufdreht. „Tatsächlich heizt man bei voll aufgedrehten Thermostat nicht schneller, sondern nur länger, denn die Wärmezufuhr wird über einen Temperaturfühler im Thermostatkopf geregelt.“[5]
Die Lebensdauer eines mechanischen Heizungsthermostatventils wird gelegentlich mit 15 Jahre angegeben.[5]
Varianten
Fernversteller
Bei einem mechanischen Thermostatventil mit Fernversteller sind Thermostat und Ventil als getrennte Einheiten angelegt. Dies ist vor allem bei Heizkörpern vorteilhaft, die nicht frei im Raum stehen, sondern schwerer zugänglich und/oder in einem Gehäuse verbaut sind. Denn dort ist einerseits ein herkömmliches Thermostat direkt an der Heizung umständlich zu bedienen (ergonomisch ungünstig), andererseits misst das Thermostat auch nicht die Temperatur im Raum selbst (sondern die meist wesentlich höhere Temperatur im Gehäuse), so dass eine gute Regelung der Raumtemperatur nicht möglich ist.
Die Funktionsweise des Fernverstellers gleicht grundsätzlich der des oben beschriebenen mechanischen Thermostatventils: Eine Temperaturänderung führt zu einer Volumenvergrößerung eines Aktors. Aber anstatt direkt den Übertragungsstift zum Ventil anzutreiben, verdrängt diese Volumenvergrößerung eine hydraulische Flüssigkeit. Diese wirkt durch ein Kapillarrohr (der meist graue „Draht“ zwischen Thermostat und Ventileinheit) auf einen kleinen hydraulischen Zylinder direkt am Ventil, der wiederum das Ventil öffnet oder schließt. Wie oben beschrieben kann der Benutzer eine gewünschte Raumtemperatur einstellen, indem durch Drehen des Fernverstellers das dem Aktor zur Verfügung stehende Volumen verkleinert (höhere Temperatur gewünscht) oder vergrößert (geringere Temperatur gewünscht) wird.
Elektronische Ausführung
Autarke Regler
Mit elektronischen Thermostatventilen (auch Energiespar-Regler genannt) ist es möglich, verschiedene Sollwerte für die Raumtemperatur einzustellen, die das Ventil dann zeitgesteuert vorgibt. Damit kann der Kompromiss zwischen Energieeinsparung und Wohnkomfort besser an persönliche Vorlieben angepasst werden als mit den herkömmlichen mechanischen Thermostatventilen. Dies ist z. B. bei Mehrfamilienhäusern sinnvoll, wo die Leistung der das gesamte Haus versorgenden Heizungsanlage nicht während der Nacht abgesenkt wird – hier kann der Nutzer der einzelnen Wohnung die nächtliche Absenkung der Raumtemperatur für seine Räume einprogrammieren, so dass beispielsweise das Badezimmer morgens beim Aufstehen des Bewohners warm ist ohne aber die ganze Nacht hindurch heizen zu müssen. Die elektronischen Ventile werden üblicherweise über Batterien mit Energie versorgt und wie die herkömmlichen Thermostatventile direkt am Heizkörper befestigt. Die Vorgabe der Ventilstellung erfolgt entweder über eine Elektronik direkt am Ventil oder über eine zentrale Regeleinheit per Funkübertragung. Der Vorteil von elektronischen Reglern ist, dass diese ohne bleibende Regelabweichung arbeiten und dadurch den Sollwert genauer einhalten können. Einsparpotentiale ergeben sich durch das definierte Absenken über eine programmierte Zeit. Die Herstellerangaben gehen von mindestens 13 % (bis 20 %) Ersparnis bei Wohnnutzung aus. Die Stiftung Warentest rechnet mit etwa 10 %.[6] Die Einsparung ist in Zweckbauten entsprechend höher, da der Nutzungsgrad (Zeit der Raumbelegung) kleiner ist.
Mit Funkkommunikation
Thermostate mit Funkkommunikation (sogenannte Funkthermostate) lassen sich aus der Ferne einstellen. Dazu kommunizieren sie zum Beispiel via Bluetooth oder über einen anderen drahtlosen Kommunikationsstandard mit Smartphones, Tablets oder Computern.
Während Nutzer bei einfachen Funkthermostaten auf diese Weise ein Zeitprogramm einprogrammieren können, sind ausgereifte Systeme mit weiteren Funktionalitäten ausgestattet. Möglich ist das durch die Kommunikation mit einer serverseitigen Regelung, auf die Nutzer auch mit mobilen Geräten wie Smartphones zugreifen können.
Die Regelung nimmt die Nutzerwünsche auf und sorgt für deren Umsetzung, indem sie Befehle an den Thermostat sendet. Ein integrierter Stellmotor setzt diese dort um, wie im Abschnitt zu autarken Thermostaten beschrieben.[7]
Darüber hinaus sind zahlreiche weitere Sonderfunktionen möglich, wie die folgende Übersicht zeigt:
- Einbindung von Fensterkontakten zum Schließen der Ventile bei offenem Fenster
- Zentrale Abwesenheitsschaltung, z. B. durch einen Schalter in der Nähe der Wohnungstür
- Verwendung eines weiteren Sollwertes bei kürzeren Abwesenheiten (Stand By), zusätzlich zu Komfort, Absenkbetrieb und Schutzbetrieb
- Anpassung der Regelparameter an das Gebäude / den Raum
- Automatische Optimierung der Regelparameter
- Automatische Berechnung des Startzeitpunktes für das Aufheizen auf Grundlage der aktuellen Raumtemperatur / Außentemperatur
- Automatische Berechnung des Startzeitpunktes für die Absenkphase auf Grundlage der aktuellen Raumtemperatur / Außentemperatur
- Zentrale Bedienung der Anlage an der Wohnungszentrale, z. B. zur Eingabe von Abwesenheitszeiten
- Berechnung des Vorlauftemperaturssollwertes auf der Grundlage des Wärmebedarfs in den angeschlossenen Räumen
- Koordination mehrerer Heizkörper in einem Raum
- Koordination Fußbodenheizung mit Heizkörpern
- Verkalkungsschutz für die Ventile durch wöchentliches kurzes Öffnen
- Anbringung der Regelfühler am optimalen Messort, unabhängig vom Heizkörper, z. B. wenn dieser sich hinter einer Gardine befindet
- Fernbedienung der Anlage über Telefon / Internet
- Alarmgabe bei zu tiefen / zu hohen Temperaturen lokal an der Zentrale und/oder über Telefon / Internet
- Einbindung weiterer Alarmgeber wie Rauchmelder, Rohrbruchsensoren
Intelligente Funkthermostate greifen darüber hinaus auf Regelstrategien zurück, die aufgrund verschiedener Algorithmen nahezu ohne Nutzerhand sparsam für optimale Komfortbedingungen sorgen. Möglich ist das, in dem die digitalen Regelprogramme verschiedenste Parameter aufgreifen, miteinander verknüpfen und Erfahrungen sammeln. Sie lernen beispielsweise, wie sich ein Gebäude thermisch verhält (Aufheizphasen, Absenkphasen etc.) und ermitteln so automatisch, wann die Heizflächen wie viel Wärme abgeben müssen, um zur erwarteten Nutzungszeit die gewünschte Temperatur bereitstellen zu können.
Darüber hinaus lassen sich auch Wetterdaten verarbeiten, um die Wärmeabgabe entsprechend der Prognose anzupassen. Sind hohe Außentemperaturen und Sonnenschein zu erwarten, reduziert die Regelung die Wärmeabgabe über das Thermostatventil rechtzeitig und die Heizung verbraucht weniger Energie.[8]
Eine bedeutende Bedienungserleichterung ergibt sich zudem durch die Sprachsteuerung via Smartphone oder Smart Speaker. Nutzer kommunizieren dabei mit digitalen Assistenten auf mobilen Endgeräten wie Alexa von Amazon, Siri von Apple, Cortana von Microsoft oder dem Google Assistant. Die Softwarelösungen wandeln Sprache in technische Befehle um, die sie dann an die Regelung der Thermostate übermitteln. Möglich ist das in der Regel mit sogenannten Actions oder Skills, den Schnittstellen zwischen Sprachassistenten und digitaler Steuerung der Thermostatventile.
Die digitalen Technologien ermöglichen zahlreiche weitere Funktionen, welche die Energieeffizienz und die Einsparungen steigern. Die folgende Übersicht zeigt Beispiele:
- Lernen der thermischen Trägheit der Wohnung
- Lernen des Besonnungseinflusses in Abgleich mit dem Wetterbericht und damit an Wettervorhersage vorausschauend angepasste Beheizung
- Lernen des Nutzerverhaltens (Aufstehen, Verlassen der Wohnung, Heimkommen)
- Vorausschauende Beheizung bei Detektieren der Annäherung via GPS im Smartphone vor dem Heimkommen
Behördenmodell
Das Behördenmodell ist die spezielle Ausführung eines Thermostatfühlers (auch Thermostatkopf genannt), welches den Wasserdurchfluss eines Thermostatventils für Heizkörper regelt.
Es unterscheidet sich von einem Standardmodell dadurch, dass der Einstellbereich begrenzt (z. B. 17–21 °C) oder blockiert (z. B. genau 20 °C) werden kann. Ohne Spezialwerkzeug oder genaues Hintergrundwissen, wie oder wo die Sperre aufzuheben ist, kann dann keine andere Einstellung vorgenommen werden. Die Behördenmodelle werden in Behörden und anderen öffentlich zugänglichen Bereichen an Heizkörper-Thermostatventilen montiert, um zu verhindern, dass die gewünschte Raumsolltemperatur von nicht autorisierten Personen verstellt werden kann. Dies kann jedoch auch nachteilig sein, da so die Heizung beim Lüften nicht abgestellt werden kann oder, bei zu hoher Einstellung, von den Nutzern der Räume die Fenster geöffnet werden, um die Temperatur zu senken.
Behördenmodelle werden auch in einer mechanisch verstärkten Ausführung hergestellt, um in öffentlich zugänglichen Bereichen Beschädigungen vorzubeugen.
Weblinks
- Stiftung Warentest: Test Thermostatventile test 05/2008 (online abgerufen am 15. Februar 2013)
- Energiesparclub: Praxistest programmierbare Thermostate (Januar 2011)
- Heinz Eckard Beele: Auslegung von Thermostatventilen, IHKS-Fachjournal: 2003/04 (PDF)
- Thermostatventil auf energie-umwelt.ch
- Richtiger Umgang mit Thermostatventilen
Einzelnachweise
- ↑ Wolfram Pistohl: Handbuch der Gebäudeleittechnik – Heizung | Lüftung | Beleuchtung | Energiesparen – Planungsgrundlagen und Beispiele. 7., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Werner, Köln 2009, ISBN 978-3-8041-4685-3, 5.3 Betriebs- und Sicherheitseinrichtungen, S. H197.
- ↑ a b c Joachim Albers, Rainer Dommel, Henry Montaldo-Ventsam, Haral Nedo, Eugen Überlacker, Josef Wagner: Zentralheizungs- und Lüftungsbau für Anlagenmechaniker SHK – Technologie. 5. überarbeitete Auflage. Handwerk und Technik, Hamburg 2005, ISBN 978-3-582-03123-5, 14.1.2 Heizkörperregelarmaturen.
- ↑ a b Heizkörperthermostate: Auf Sparen programmiert. In: Test.de. Abgerufen am 27. Februar 2019.
- ↑ Heinz Eckard Beele: Auslegung von Thermostatventilen. In: IHKS Industrieverband Heizungs-, Klima- und Sanitärtechnik Bayern, Sachsen und Thüringen e.V. (Hrsg.): Fach Journal. Archiv 2003/2004 (Digitalisat [PDF; abgerufen am 27. Februar 2019]).
- ↑ a b „Heizungsthermostate richtig benutzen“ in: Mieterzeitung, 2017 Ausgabe 1, S. 26.
- ↑ Test Thermostatventile der Stiftung Warentest test 5/2008.
- ↑ Digitaler Thermostat | Das Heizungslexikon. Abgerufen am 14. Juni 2022.
- ↑ Intelligente Thermostate. Abgerufen am 14. Juni 2022.
