Wie funktioniert ein Thermostatventil?

von | Aktualisiert am 28.03.2024 | 166 Kommentare

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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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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.

Bauteile eines Thermostatventils - Linkes Bild: Thermostatkopf, rechtes Bild: Heizkörperventil
Abbildung 1: Bauteile eines Thermostatventils

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.

Einstellung des Thermostatkopfes – Bild Links: Einstellung auf Stufe 0 und entspricht ca. 7 °C – Frostschutz; Bild Mitte: Einstellung auf Stufe 3 und entspricht ca. 20 °C; Bild Rechts: Einstellung auf Stufe 5 und entspricht ca. 28 °C
Abbildung 2: Einstellung des Thermostatkopfes

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)

Bestandteile eines Thermostatkopfes
Abbildung 3: Bestandteile eines Thermostatkopfes

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].
Funktion Thermostatventil - Bild 1: Stellung des Übertragungsstifts bei 22 °C, Bild 2: Stopfbuchse wird durch den Übertragungsstift bewegt, Bild 3: Ventil wird dadurch geschlossen. Bild 4 Stellung des Übertragungsstifts bei 18 °C, Bild 5: Stopfbuchse wird durch den Übertragungsstift bewegt, Bild 6: Ventil wird dadurch geöffnet.
Abbildung 4: Funktion Thermostatventil

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.

Querschnitt eines Thermostatventils
Abbildung 5: Querschnitt eines Thermostatventils

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

Honeywell Home evohome Heizkörperregler zur Heizungssteuerung per App und Wlan, Paket 1, THR092HRTEine 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.

Übersicht der Evohome Komponenten
Abbildung 6: Beispiel intelligente Heizungssteuerung Evohome

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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Abbildung 7: Homematic IP Software – Übersicht eines Wochenzeitprogramms

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).

Bestandteile eines elektronischen Thermostatkopfes - Bild 1: elektronisches Thermosta; Bild 2: Blick auf offenes Thermostat und Sicht auf die Platine, Bild 3: Blick auf offenes Thermostat mit Sicht auf Motor, Fühler und Batteriefach; Bild 4: Blick auf den Ventilanschluss mit Übertragungsstift
Abbildung 8: Bestandteile eines elektronischen Thermostatkopfes

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.

Bauteile elektronisches Thermostat - Bild 1: elektronisches Thermostat; Bild 2: Vorderseite Platine mit ATmega169PV Controller und Anschluss für Stellrad; Bild 3: Rückseite Platine mit Anschlüssen für LC-Display und Programmiertasten
Abbildung 9: Bauteile elektronisches Thermostat

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

Voreinstellbares Heizkörperventil
Abbildung 10: Voreinstellbares Heizkörperventil

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.

Heizkörperventil voreinstellbar
Abbildung 11: voreinstellbares Thermostatventil – Oventrop AV6 mit 6-stufiger Voreinstellung

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.

Querschnitt Danfoss Dynamic Valve - Bild links: äußeres Ventilgehäuse; Bild rechts: aufgeschnittenes Ventilgehäuse mit Blick auf Ventilkegel und internen Differenzdruckregler
Abbildung 12: Querschnitt Danfoss Dynamic Valve

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.

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Mehr Informationen

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 Thermostatventilealle wichtigen Informationen zu Ventiladaptern.

Anleitung: Adapter und Thermostat montieren
Abbildung 13: Anleitung: Adapter und Thermostat montieren

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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