In diesem Beitrag erkläre ich euch, wie ein Thermostat, welches auch Thermostatventil oder thermostatisches Heizkörperventil genannt wird, funktioniert, aufgebaut ist und welche Unterschiede es zwischen konventionellen und elektronischen Thermostaten gibt.
Wichtig: Zuallererst muss jedoch eine Differenzierung für den Begriff „Thermostatventil“ vorgenommen werden, denn ein Thermostatventil besteht aus zwei Bauteilen: dem Thermostatkopf und dem Heizkörperventil.
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Inhaltsverzeichnis
In Abbildung 1 sind die beiden Einzelteile eines Thermostatventils abgebildet: links ein Thermostatkopf (Oventop Uni LH*) und rechts ein Heizkörperventil (Oventrop AV6*) mit sechsstufiger Voreinstellung. Ich werde euch anhand dieser beiden Bauteile die Funktion exemplarisch erklären.
Der Thermostatkopf
Der Thermostatkopf ist der sichtbare Teil des Thermostatventils und hat unter anderem die Aufgabe die Raumtemperatur zu regeln. In den letzen Jahren hat sich das klassische Thermostat rasant weiterentwickelt, sodass ein Thermostat auf dem neuesten Stand weit mehr Funktionen hat als das klassische Regeln der Raumtemperatur.
Neben der Fähigkeit die Raumtemperatur zu regeln, können elektronisch programmierbare Heizkörperthermostate die Raumtemperatur zu einer bestimmten Zeit reduzieren und anheben oder per App, Tablet und PC ferngesteuert werden. Ein programmierbares Thermostat stellt somit einen wichtigen Pfeiler im modernen Energiemanagement dar.
Eine Erweiterung der elektronischen Heizkörperthermostate ist die intelligente Heizungssteuerung, welche es ermöglicht mehrere Heizkörper und Räume zentral per App oder über ein Bediengerät zu steuern. Somit muss man nicht mehr jedes elektronische Heizkörperthermostat einzeln programmieren, sondern kann alle Daten zentral für bestimmte Räume und Zonen eingeben. Weiterhin sind die meisten intelligenten Heizungssteuerungen bereits heute mit Sprachsteuerungen wie Amazon Alexa* und Google Assistent sowie dem Software Framework Apple Homekit kompatibel.
Ich stelle euch nachfolgend beide Formen, also die typischen konventionellen Thermostate sowie elektronische programmierbare Thermostate vor.
Funktion und Aufbau konventioneller Heizkörperthermostate
Funktion eines konventionellen Thermostats
Mithilfe eines konventionellen Thermostatkopfes (siehe Abbildung 2) ist es möglich eine gewünschte Raumtemperatur manuell einzustellen – Stufe 5 kann bei entsprechender Einstellung der Heizungsregelung bis zu 28 °C entsprechen, Stufe 3 entspricht ca. 20 °C und Stufe * entspricht ca. 7 °C – Frostschutz. Ein Thermostatkopf ist somit ein Fühlerelement.
Anschließend ist der Thermostatkopf in der Lage die Temperatur in dem gewählten Bereich zu regeln und auf Abweichungen von +/- 2 Kelvin zu reagieren. Im Inneren des Thermostatkopfes befindet sich ein Fühlerelement mit einer Ausdehnungsmasse oder einer Flüssigkeit, welche sich bei Wärme ausdehnt und bei Kälte zusammenzieht. Durch das Ausdehnen der Masse im Inneren des Fühlerelementes wird ein Übertragungsstift bewegt, welcher das Ventil öffnet oder schließt (siehe Abbildung 3)
Um die Funktion eines Thermostatkopfes etwas besser zu verstehen, kann man den Regelvorgang eines konventionellen Thermostatkopfes wie folgt beschreiben (siehe Abbildung 4):
- Zunächst gehen wir davon aus, dass das Thermostat auf Stufe 3 eingestellt wurde. Laut Anleitung haben wir in Erfahrung gebracht, dass die Stufe 3 ungefähr einer Raumtemperatur von 20 °C entspricht.
- Bei Überschreiten der gewünschten Raumtemperatur von 20 °C dehnt sich die Ausdehnungsmasse im Thermostatkopf aus. Dadurch drückt der Übertragungsstift der Fühlerspindel [1] im Thermostatkopf auf den Stopfbuchsenstift [2] im Heizkörperventil, sodass das Heizkörperventil geschlossen wird [3].
- Bei Unterschreiten der gewünschten Raumtemperatur von 20 °C zieht sich die Ausdehnungsmasse im Thermostatkopf wieder zusammen. Der Übertragungsstift der Fühlerspindel im Thermostatkopf [4] bewegt sich also wieder zurück in seine Ausgangsstellung und nimmt den Druck vom Stopfbuchsenstift im Heizkörperventil [5], sodass das Heizkörperventil wieder geöffnet wird [6].
Aufbau eines konventionellen Thermostats
Um die Bauteile eines Thermostatventils besser zuordnen zu können, findet ihr in Abbildung 5 den Querschnitt eines Thermostatventils abgebildet. Die Rote Umrandung zeigt den Thermostatkopf und die blaue Umrandung das Ventilgehäuse. In diesem Beispiel handelt es sich um den Querschnitt eines Danfoss RA 2000* Thermostats und eines Danfoss RA-N* Ventils.
In dem Beispiel befindet sich um die Fühlerspindel [2] ein dampfgefülltes Wellrohr [1], welches auf die Temperaturunterschiede im Raum reagiert. Die Fühlerspindel überträgt die Bewegungsenergie auf den Stopfbuchsenstift [4], wodurch der Ventilkegel [11] bewegt wird und das Ventil öffnet oder schließt.
Funktion und Aufbau programmierbarer Heizkörperthermostate
Funktion elektronischer Thermostate
Eine Erweiterung der konventionellen Thermostate sind elektronisch programmierbare Heizkörperthermostate oder komplett nachrüstbare intelligente Heizungssteuerungen. Diese können, im Vergleich zu konventionellen Thermostatköpfen durch eine Zeit- und Temperatursteuerung zusätzlich bis zu 30 % an Wärmeenergie einsparen.
Bei den 30 % Heizkostenersparnis geht man von einem sogenannten „Worst Case Szenario“ aus. Dieses Szenario kann folgendermaßen aussehen:
- ein Gebäude hat keine Nachtabsenkung
- die Raumtemperatur ist überdurchschnittlich hoch (ca. 24 °C)
- tagsüber werden die konventionellen Thermostate nicht manuell herunter gedreht.
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Bei Absenkung der Raumtemperatur von einem Kelvin werden ca. 6 % an Wärmeenergie eingespart. Reduziert nun man die Raumtemperatur um 3 Kelvin von 24 auf 21 °C werden allein durch die Temperaturreduzierung ca. 18 % an Wärmeenergie eingespart. Wenn jetzt noch eine zusätzliche Nachtabsenkung und eine Absenkung der Raumtemperaturen bei Nichtanwesenheit über den Tag auf 17 °C erfolgen (siehe Abbildung 7), kommt man den 30 % schon sehr nahe.
Sollte dies immer noch nicht reichen, kann man mit dem Einsatz von Fensterkontakten oder der immer besser werdenden „Fenster offen“ Funktion argumentieren, welche einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auf das Einsparpotenzial haben.
Aufbau elektronsicher Thermostate
Das Prinzip von elektronisch geregelten Heizkörperthermostaten ist das gleiche wie bei konventionellen Thermostaten. Elektronische Thermostate haben jedoch keine Ausdehnungsmasse oder Flüssigkeit als Fühlerelement verbaut, sondern einen elektrischen Fühler, welcher auf Temperaturschwankungen reagiert und anschließend, je nach Bedarf, einen Motor bewegt, um das Ventil zu schließen oder zu öffnen (siehe Abbildung 8).
In dem hier gezeigten Modell handelt es sich um eines der ersten elektronischen Heizkörperthermostate von Thermy. Die Zentrale Einheit des Thermostates ist ein ATmega169 Controller der Firma Atmel. Der Controller dient in diesem Fall zur Messung der Temperatur und der Zeit sowie der Steuerung des Motors zur Bewegung des Heizkörperventils.
Über das LC-Display werden alle notwendigen Informationen wie Solltemperatur, Schaltzeiten oder aktueller Betriebsmodus angezeigt. Weiterhin gibt es die drei Tasten AUTO/MANU, PROG und Temperatur Tag/Nacht, über die alle programmierschritte zur Hinterlegung eines Heizprofils vorgenommen werden können. An der Vorderseite des Thermostates befindet sich das Stellrad zur Einstellung der Solltemperatur.
Damit elektronische Thermostate funktionieren, werden sie in der Regel mit Batterien ausgestattet. Diese halten normalerweise für ca. 2 Heizperioden. Mir ist nur ein Hersteller bekannt, welcher elektronische Thermostate ohne Batterien anbietet. Es handelt sich dabei um das das System EnKey der Firma Kieback&Peter, welches das sogenannte Energy Harvesting anwendet, bei dem Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt wird.
Das Heizkörperventil
Ähnlich wie bei den Thermostatköpfen hat sich auch in der Entwicklung von Heizkörperventilen eine Menge getan. Diese unterscheiden sich in nichvoreinstellbare Ventile, voreinstellbare Ventile und voreinstellbare Ventile mit Differenzdruckregelung. Als Bauformen sind Durchgangsventile und Eckventile gängig.
Nichtvoreinstellbare und voreinstellbare Heizkörperventile
Nichtvoreinstellbare Heizkörperventile haben lediglich die Funktion das Ventil zu öffnen und zu schließen. Da es in den letzten Jahrzehnten immer wichtiger geworden ist Heizenergie zu sparen, spielt eine gute Hydraulik, also ein optimiertes Fließverhalten von Heizungswasser in einem Heizsystem, eine immer wichtigere Rolle. Hier kommen voreinstellbare Heizkörperventile ins Spiel, welche neben dem Öffnen und Schließen noch eine weitere Funktion haben. Mithilfe von voreinstellbaren Heizkörperventilen ist es möglich einen hydraulischen Abgleich durchzuführen.
Durch die Voreinstellung der Heizkörperventile mit einem Voreinstellschlüssel* (siehe Abbildung 10) kann die genaue Wassermenge für jeden Heizkörper festgelegt werden. Dies erfolgt durch die Verringerung des Durchflussquerschnitts am Ventil (siehe Abbildung 11).
Dadurch wird verhindert, dass Heizkörper mit Warmwasser überversorgt oder unterversorgt werden. In Abbildung 5 kann man die Verringerung des Durchflussquerschnitts in 6 Stufen nachverfolgen. Dargestellt ist ein voreinstellbares Heizkörperventil der Firma Oventrop Durchgangsventil, Baureihe ."AV 6" DN10-3/8"* mit 6 Voreinstellstufen. Natürlich gibt es noch viele andere Hersteller für voreinstellbare Heizkörperventile. Dazu gehören unter anderem Danfoss, Heimeier oder Honeywell.
Voreinstellbare Heizkörperventile mit Differenzdruckregelung
Eine Erweiterung von voreinstellbaren Heizkörperventilen sind voreinstellbare Heizkörperventile mit interner Differenzdruckregelung. Die interne Differenzdruckregelung sorgt für eine weitere Verfeinerung des hydraulischen Abgleichs im Teillastsbereich der Heizungsanlage.
Die Berechnung der Volumenströme für einen hydraulischen Abgleich erfolgt immer für den Volllastfall, sodass die Hydraulik im Teillastfall nicht immer optimal funktioniert. Dies hat mit unterschiedlichen Volumenströmen im Teillast- und Volllastbetrieb zu tun, was verschiedene Druckverhältnisse im Heizungssystem zur Folge hat.
Mit Hilfe eines voreinstellbaren Ventils mit interner Differenzdruckregelung wird der Differenzdruck über dem Ventil konstant gehalten und eine mögliche Überversorgung vereinzelter Heizkörper verhindert. In dem nachfolgenden Video von Danfoss wird die Funktion vom Dynamic Valve sehr anschaulich erklärt.
Heizkörperventile mit interner Differenzdruckregelung werden selbstverständlich nicht nur von Danfoss, sondern auch von IMI Heimeier (Eclipse Ventile) und Oventrop (Baureihe AQ) angeboten und stellen aus meiner Sicht eine wichtige Weiterentwicklung von voreinstellbaren Heizkörperventilen dar. Somit ist es möglich einen hydraulischen Abgleich weiter zu verfeinern, um weiteres Energieeinsparpotenzial freizusetzen.
Der „Ventil Dschungel“
In den vergangenen Jahrzehnten haben viele Ventilhersteller viele Ventile auf den Markt gebracht, um die Ventile der eigenen Marke zu etablieren. Das Ergebnis ist, dass bei der Nachrüstung von Heizkörperthermostaten anderer Hersteller diese nicht immer auf das vorhandene Heizkörperventil passen.
Die Lösung ist entweder auch das Ventil zu tauschen oder Ventiladapter einzusetzen. Inzwischen hat sich das Gewindemaß M30 x 1,5 nach Werksnorm für Heizkörperthermostate etabliert, sodass fast alle neuen Heizkörperthermostate diesen Gewindeanschluss besitzen. Einzig die Firma Danfoss arbeitet weiter mit ihren eigenen Gewindemaßen.
Tipp: Um den Überblick nicht zu verlieren, findet ihr in meinem Beitrag „Die große Übersicht: Adapter für Thermostatventile“ alle wichtigen Informationen zu Ventiladaptern.
Fazit
Für mich persönlich ist es sehr spannend zu sehen, wie sich Heizkörperthermostate und Heizkörperventile weiterentwickelt haben und auch noch stetig weiterentwickeln. Man darf gespannt sein wie es weitergeht und ob sich Alternativsysteme, wie beispielsweise das EMPUR Geniax System, in Zukunft noch durchsetzen.
Ich hoffe, dass ich euch mit diesem Beitrag helfen konnte, ein Thermostatventil und dessen Bauteile etwas besser zu verstehen. Falls ihr Fragen, Anregungen oder Kritik zu diesem Beitrag habt, nutzt die Kommentarfunktion.
Liebe Grüße, Martin
Weiterführende Links und Quellen:
DeltaQ – Grundlagen der Optimierung
Oventrop
Heimeier
Danfoss
Honeywell
Analyse Heizkörperthermostat der HTW Dresden
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