Was ist Proportionalregelung? Vorteile gegenüber der Ein/Aus-Regelung

Die Proportionalregelung ist ein Regelverfahren im geschlossenen Regelkreis, bei dem sich der Reglerausgang proportional zum Regelabweichungssignal ändert. Ihr mathematischer Ausdruck lautet u(t) = Kp × e(t); dabei ist u(t) der Reglerausgang in Prozent, Kp die Proportionalverstärkung und e(t) die Regelabweichung, also Sollwert minus Messwert. Der Ausgang in Prozent ergibt sich aus der Lage der Abweichung innerhalb des Proportionalbereichs: Liegt die Abweichung an der Untergrenze des Proportionalbereichs, geht der Ausgang gegen null, an der Obergrenze gegen hundert Prozent.

Ein konkretes Beispiel: Der Raumsollwert sei auf 22 °C und der Proportionalbereich auf 4 °C eingestellt. Beträgt die Raumtemperatur 18 °C, ist die Abweichung 4 °C und der Ausgang liegt bei hundert Prozent; die Heizung arbeitet mit voller Leistung. Erreicht der Raum 20 °C, beträgt die Abweichung 2 °C und der Ausgang sinkt auf fünfzig Prozent; die Heizung läuft mit halber Leistung weiter. Bei 21,5 °C Raumtemperatur geht der Ausgang auf 12,5 Prozent zurück, und diese geringe Leistung liefert genau die Wärme, die den Verlust ausgleicht. Das Heizsystem schaltet am Sollwert nicht vollständig ab, es entsteht keine Schwingung.

Die einzige Einschränkung der Proportionalregelung ist die bleibende Regelabweichung. Wirkt auf die Anlage eine konstante Störlast ein, zum Beispiel wenn bei geöffneter Tür kalte Außenluft eindringt, kann der P-Regler diese Last nicht vollständig ausgleichen und stellt sich etwas unterhalb oder oberhalb des Sollwerts ein. Diese Differenz heißt bleibende Regelabweichung oder Offset. Damit ist auch die Frage beantwortet, was die bleibende Regelabweichung ist: die dauerhaft verbleibende Abweichung vom Sollwert beim reinen P-Regler unter konstanter Last. Um diesen Offset auf null zu bringen, wird ein Integralanteil (I) hinzugefügt, und die Anlage wird zum PI-Regler.

Die Ein/Aus-Regelung ist ein Zweipunktregler, der den Ausgang auf hundert Prozent schaltet, wenn der Messwert die untere Schwelle unterschreitet, und auf null, wenn er die obere Schwelle überschreitet. Der Hysteresebereich ist das Intervall zwischen diesen beiden Schwellen und wird bewusst erweitert, um die Schwingung zu dämpfen. Der Ein/Aus-Hysteresebereich liegt typischerweise bei 0,5–2,0 °C. Der Proportionalbereich dagegen ist das Intervall, in dem der proportionale Ausgang erzeugt wird; darin erfolgt eine kontinuierliche und stufenlose Korrektur, und sein typischer Wert liegt bei 2–10 °C.

• Regelgenauigkeit — Ein/Aus: Abweichung von ±Hysterese/2 um den Sollwert; P-Regelung: theoretisch kein Überschwingen, aber eine bleibende Regelabweichung ist möglich
• Schaltzyklen pro Stunde — Ein/Aus mit schmalem Bereich: 6–20 Zyklen/Stunde; Proportional: kontinuierliche Modulation, kein Ein- und Ausschalten
• Temperaturschwingungsamplitude — Ein/Aus bei 1 °C Bereich: ±0,5 °C; P-Regelung bei 4 °C Bereich: ±0,1–0,2 °C im eingeschwungenen Zustand
• Überschwingweite — Ein/Aus: Überschreitung um die Hälfte des Hysteresebereichs; P-Regelung: kein Überschwingen, langsame Annäherung
• Ermüdung der Komponenten — Ein/Aus: bei jedem Zyklus elektrische und mechanische Belastung; Proportional: Modulation, keine Anlaufbelastung
• Komplexität der Anwendung — Ein/Aus: einfach, ein einziger Sollwert; Proportional: P-Bereich und bei Bedarf I- und D-Parameter werden eingestellt
• Reaktion auf lineare Laständerung — Ein/Aus: verzögert, mit Schwingung; Proportional: unmittelbar proportional, ruhig
• Energieverbrauch — Ein/Aus: einschließlich Anlaufverlusten 10–15 Prozent zusätzliche Energie; Proportional: läuft nur entsprechend der tatsächlichen Last

Das praktische Ergebnis des Zahlenvergleichs: Ein Heizsystem, das bei Ein/Aus-Regelung 10 Zyklen pro Stunde ausführt, durchläuft im Jahr 87.600 Anlauf-Abschalt-Zyklen. Ein Proportionalstellantrieb dagegen schaltet das ganze Jahr über kein einziges Mal ein und aus; das Ausgangssignal ändert sich fortlaufend, doch das mechanische Element erfährt keine Anlaufbelastung. Hier zeigt sich der Unterschied zur Ein/Aus-Regelung konkret: Zyklenzahl, Komfortqualität und Energieverbrauch sprechen alle drei für die Proportionalregelung.

Die Frage, was PI-Regelung ist, gehört in der HLK-Branche zu den am häufigsten gestellten. P-, PI- und PID-Regelung sind drei unterschiedliche Betriebsarten, die entstehen, wenn auf derselben proportionalen Grundlage nacheinander ein Integral- und ein Differenzialanteil hinzugefügt werden. Die P-Betriebsart kann die bleibende Regelabweichung nicht beseitigen; die PI-Betriebsart bringt diese Abweichung durch Aufintegrieren mit der Zeit auf null; die PID-Betriebsart reagiert zusätzlich auf die Änderungsgeschwindigkeit der Abweichung und antwortet dadurch schneller auf plötzliche Störlasten.

• Bleibende Regelabweichung — P: Offset bleibt unter konstanter Last, typischerweise 0,3–1,5 °C; PI: Offset geht durch den Integraleffekt gegen null; PID: wie PI, kein Offset
• Schwingungsrisiko — P: gering, bei richtig eingestelltem Bereich keine Schwingung; PI: bei falscher Nachstellzeit ist ein Windup-Schutz des Integrators erforderlich; PID: bei falschem D-Anteil besteht das Risiko der Rauschverstärkung
• Überschwingweite — P: kein Überschwingen, aber der Sollwert wird eventuell nicht erreicht; PI: ein kleines Überschwingen von 0,1–0,3 °C ist möglich; PID: bei guter Einstellung ist das Überschwingen minimal
• Ansprechgeschwindigkeit — P: mittel; PI: mittel bis langsam (abhängig von der Nachstellzeit); PID: schnell (der Differenzialanteil erfasst die plötzliche Abweichung)
• HLK-Anwendung — P: einfacher Fan-Coil, Luftschleier-Heizgerät, Zonenklappe; PI: Raumtemperatur, Kaskadenregelung der Wassertemperatur; PID-Regelung in der HLK: Druck- und Feuchteregelkreise, große Heizzentrale
• Parameteranzahl — P: 1 (Kp); PI: 2 (Kp, Ti); PID: 3 (Kp, Ti, Td)
• Einstellaufwand — P: am einfachsten; PI: mittel; PID: am anspruchsvollsten, automatische Einstellung empfohlen

In der HLK-Anlage ist PI die am weitesten verbreitete Wahl. Im Regelkreis der Fan-Coil-Temperaturregelung wird der Proportionalbereich auf 3–6 °C und die Nachstellzeit auf 200–400 Sekunden eingestellt; diese Werte variieren je nach Baureihe, abhängig von der thermischen Masse des Raumes und der Leistung des Fan-Coils. Die PID-Regelung in der HLK wird in der Regel für die Austrittstemperatur des Lüftungsgeräts oder die Leistung großer Kaltwassersätze bevorzugt. Die PI-Regelung der Raumtemperatur bildet das größte Anwendungsfeld und senkt bei richtiger Wahl die jährlichen Wartungskosten spürbar.

Schwingung ist die der Ein/Aus-Regelung innewohnende periodische Schwankung und hat messbare Folgen für Komfort, Energie und Lebensdauer der Komponenten. Die Norm ASHRAE 55-2023 begrenzt die Änderung der operativen Temperatur für den thermischen Komfort auf 1,1 °C pro Stunde. Eine Ein/Aus-Anlage mit schmalem Bereich überschreitet diese Grenze leicht. Die Proportionalregelung dagegen arbeitet mit einer Abweichung von 0,2–0,5 °C und bleibt innerhalb dieser Grenze.

Auf der Energieseite: Bei der Ein/Aus-Regelung zieht der Verdichter oder Brenner bei jedem Anlauf Anlaufstrom, und dieser Anlauf kann 10–15 Prozent der Energiekosten ausmachen. Bei einem Kaltwassersatz mit 10.000 Anlaufzyklen pro Jahr lassen sich die zusätzlichen Energiekosten berechnen, wenn bei jedem Anlauf 5 Sekunden lang das 3- bis 5-Fache des Nennstroms gezogen wird. Bei der Proportionalregelung sind diese Anlaufkosten nahezu null; die Anlage läuft nur so, dass sie die tatsächliche Last deckt.

Auf der Seite der mechanischen Belastung: Schütze und Starter haben typischerweise eine mechanische Lebensdauer von 1–5 Millionen Zyklen. Eine Anlage, die mit 12 Zyklen pro Stunde arbeitet, durchläuft 288 Zyklen pro Tag und ca. 105.000 Zyklen pro Jahr; ein Schütz für 1 Million Zyklen ist dann nach ca. 9,5 Jahren am Ende. Bei einer Reduzierung auf 2 Zyklen pro Stunde verlängert sich dieselbe Lebensdauer auf 57 Jahre. Die Proportionalregelung beseitigt diese Belastungsachse und verlängert den Wartungszyklus erheblich.

Der Einfluss der Proportionalregelung auf die Lebensdauer der Komponenten wird über drei Mechanismen gemessen: thermische Ermüdung, Anhäufung mechanischer Zyklen und elektrische Anlaufbelastung. Alle drei sind bei der Proportionalregelung im Vergleich zur Ein/Aus-Regelung deutlich geringer. Dieser Effekt zeigt sich insbesondere bei Stellantrieben, Motorventilen und Verdichtern.

• Stellantrieb — Ein/Aus: 87.600 vollständige Auf-Zu-Zyklen pro Jahr; Proportional: null vollständige Zyklen pro Jahr, kontinuierliche Modulation; Einfluss auf die Lebensdauer: die mechanische Lebensdauer verlängert sich um das 2- bis 3-Fache
• Motorventil — Ein/Aus mit 2 Punkten: Der Klappenteller fährt zwischen vollständig geöffnet und geschlossen, Kantenverschleiß setzt ein; Proportional: arbeitet in Zwischenstellungen, der Klappenteller wird geschont; Einfluss auf die Lebensdauer: von 15.000–30.000 Zyklen auf 500.000 Stellungen
• Fan-Coil-Motor — Ein/Aus: Anlaufstrom das 4- bis 6-Fache des Nennstroms; Proportional: sanfter Anlauf mit Frequenzumrichter; Einfluss auf die Lebensdauer: die thermische Belastung der Wicklung entfällt
• Verdichter — Ein/Aus: der Ölfilm wird bei jedem Anlauf gestört, Lagerverschleiß; Proportional mit Inverter: das Lager läuft nie trocken; Einfluss auf die Lebensdauer: Inverter 20–25 Jahre, Ein/Aus mit konstanter Drehzahl 12–15 Jahre
• Elektrisches Schütz — Ein/Aus mit 10 Zyklen/Stunde: 1 Million Zyklen entsprechen ca. 11,4 Jahren; Proportional: kein Schütz oder nur sehr selten Schaltvorgänge; Einfluss auf die Lebensdauer: entfällt als Wartungsposition
• Zündsystem des Brenners — Ein/Aus: Zündelektrode und Flammenwächter ermüden bei jedem Zyklus; Kesselmodulationsregelung mit Proportionalregelung: Die Zahl der Zündungen sinkt pro Jahr um 80–90 Prozent

Bei einer Umbaumaßnahme, die wir in einem Bürogebäude in Kadıköy durchgeführt haben, waren alle 48 Fan-Coil-Stellantriebe, die mit Ein/Aus-Regelung arbeiteten, innerhalb von 4 Jahren ausgetauscht worden. Nach dem Wechsel auf ein 0-10V-Stellantriebsregelsystem liefen dieselben Einheiten über 7 Jahre hinaus störungsfrei. Auch wenn dies je nach Baureihe variiert, bedeutet dieser Zeitunterschied eine Wartungseinsparung vom 1,5- bis 2-Fachen der Stückkosten des Stellantriebs.

Die 0-10V-Stellantriebsregelung und der 2-10V-Signalstandard sind in der HLK-Branche die physikalische Sprache der Proportionalregelung im Gegensatz zum Ein/Aus-Schalter. Der Regler wandelt den berechneten Ausgang in Prozent in diesen Spannungsbereich um; der Stellantrieb setzt diese Spannung linear in die Ventilstellung um. Zum mechanischen Zyklenunterschied zwischen 0-10V-Stellantriebsregelung und Ein/Aus-Stellantrieb: Ein Ein/Aus-Stellantrieb führt pro Jahr 50.000–100.000 vollständige Anläufe aus, während ein 0-10V-Stellantrieb seine Stellung unverändert halten kann und die vollständigen Anläufe gegen null gehen.

• Signalbereich — 0-10V: 0 V geschlossen, 10 V vollständig geöffnet; 2-10V-Signalstandard in der HLK: 2 V geschlossen, 10 V vollständig geöffnet
• Erkennung eines Kabelbruchs — 0-10V: 0 V ist von einem Kabelbruch nicht zu unterscheiden; 2-10V: 0 V zeigt einen Kabelbruch an, was einen Sicherheitsvorteil bietet
• Auflösung — Der 10-V-Bereich ergibt mit einem 8-Bit-DAC 256 Schritte; 2-10V: 256 Schritte im 8-V-Bereich, praktisch dieselbe Genauigkeit
• Kabellänge — Bei beiden Standards Standardkabel bis 100 m; ab 200 m wird abgeschirmtes Kabel empfohlen
• Störfestigkeit — Ein Spannungssignal ist gegenüber Störungen empfindlicher als ein Stromsignal (4–20 mA); in Anlagen mit starker EMV-Belastung wird 4–20 mA bevorzugt
• Kompatibilität der Stellantriebe — 0-10V-Stellantriebe arbeiten mit einem 2-10V-Regler; unter 2 V bleiben sie geschlossen; die Kompatibilität sollte anhand des Datenblatts bestätigt werden

In unserem verwandten Ratgeber werden die Auswahlkriterien für 0-10V-, 2-10V- und Ein/Aus-Signale sowie für Ventilstellantriebe ausführlich erläutert. (Details: Was sind 0–10 V, 2–10 V und Ein/Aus-Regelung? Grundlagen zu Ventilstellantrieben)

Die Auswahl der HLK-Regelplatine muss die Anforderungen des Regelkreises erfüllen und sich vor Ort leicht in Betrieb nehmen lassen. Bei der Auswahl einer HLK-Regelplatine für die Proportionalregelung sind vier Parameter entscheidend: Ausgangstyp, Regelalgorithmus, Eingangskompatibilität und Kommunikationsprotokoll. Eine falsche Auswahl führt dazu, dass die Anlage trotz richtiger Parametereinstellung schwingt oder die bleibende Regelabweichung nicht verschwindet.

• Ausgangstyp — Für die Proportionalregelung: 0-10V DC, 2-10V DC oder PWM; für Ein/Aus: ein Relaisausgang genügt; für Anwendungen, die sowohl proportional als auch Ein/Aus erfordern, wird eine Platine mit mehreren Ausgängen gewählt
• Regelalgorithmus — P-Betriebsart: einfacher Fan-Coil und Luftschleier-Heizgerät; PI-Betriebsart: Raum- und Wassertemperaturkreise; PID-Betriebsart: Lüftungsgerät, großer Kaltwassersatz
• Eingangskompatibilität — NTC-10-kΩ-Temperatursensor am weitesten verbreitet; einige Platinen akzeptieren auch Pt100, Pt1000 und 4–20-mA-Eingang
• Kommunikationsprotokoll — Für den eigenständigen Betrieb ist keine Kommunikation erforderlich; für die BMS-Integration Modbus RTU, BACnet MS/TP oder LON
• IP-Schutzart — Für Heizraum und technische Räume mindestens IP54; für den Außenbereich IP65; seit 2026 setzt sich die direkte IP/BACnet-Anbindung zunehmend durch

Bei Siemens-Regelplatinen für HLK-Anwendungen erzeugen die Raumregler der Baureihe RDG einen analogen 2-10V-Ausgang, der Proportionalbereich ist im Bereich 1–10 °C einstellbar, und die PI-Betriebsart ist werkseitig aktiv. Als Honeywell-Proportionalregler bietet die Baureihe T6800 mit 0-10V- oder PWM-Ausgang eine PI-Regelung für Fan-Coil-Anwendungen; die Zeit Ti ist im Bereich 60–600 Sekunden einstellbar. Beide Marken werden von Pomeka Mekanik geführt. Für Lüftungs-Elektronikplatinen und Regelungskomponenten können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: https://www.pomeka.com/kontrol-ekipmanlari)

Bei der Auswahl von Lüftungs-Elektronikplatinen ist ein weiterer zu beachtender Punkt die Kompatibilität der Spannungsversorgung. Der Großteil der Siemens- und Honeywell-Platinen akzeptiert eine Versorgung mit 24 V AC oder 24 V DC; Versorgungs- und Signalkreis benötigen eine gemeinsame Bezugsmasse. Ist die Integration in ein Gebäudeautomationssystem (BMS) geplant, ist die Protokollunterstützung der entscheidende Parameter für die Platinenauswahl. Sie können sich unsere Produktseite zur Elektronikplatine ansehen. (Details: https://www.pomeka.com/havalandirma-kontrol-elektronik-kart)

Die Fan-Coil-Temperaturregelung ist das in der HLK am weitesten verbreitete Anwendungsfeld der Proportionalregelung. Ein typischer Fan-Coil-Regelkreis enthält zwei Regelelemente: den Raumtemperaturregler und die Ausgangsebene, die Ventilatordrehzahl und Wasserventil moduliert. Die Einstellung des Proportionalbereichs erfolgt in vier Schritten.

Erster Schritt: Schätzen Sie die thermische Masse der Anlage ab. Bei großem Raumvolumen sollte die Zeitkonstante groß, bei hoher Heizleistung die Verstärkung klein gewählt werden. Zweiter Schritt: Geben Sie als Anfangswert für den Proportionalbereich 4–6 °C ein. Dritter Schritt: Beobachten Sie die Anlage 30 Minuten lang. Pendelt die Temperatur ständig über und unter den Sollwert, ist der Bereich zu schmal, die Verstärkung also zu hoch; vergrößern Sie den Bereich um 2 °C. Vierter Schritt: Messen Sie die bleibende Regelabweichung. Liegt die Abweichung über 0,5 °C und arbeiten Sie in der PI-Betriebsart, verkürzen Sie die Nachstellzeit um 50 Sekunden.

Typische Parameterwerte für die Fan-Coil-Temperaturregelung sind: Proportionalbereich 3–5 °C, Nachstellzeit 300–500 Sekunden, Totzone 0,3–0,5 °C. Bei der Regelung der Ventilatordrehzahl wird die Schwelle der unteren Drehzahl bei etwa 20–30 Prozent gehalten; eine niedrigere Drehzahl verschleißt den Ventilatormotor und stört die Luftverteilung. Bei Zweirohrsystemen wird für den Jahreszeitenwechsel ein automatischer Betriebsartenwechsel auf Grundlage einer Außentemperaturmessung empfohlen. Unser Ratgeber zur Zonenregelung behandelt dieses Thema. (Details: Was ist eine Zonenregelung? Wie wird die Temperatur jedes Raums einzeln geregelt?)

Die Kesselmodulationsregelung ist eine der kritischsten Anwendungen der Proportionalregelung in der HLK. Der innere Regelkreis, der die Vorlauftemperatur auf den Sollwert bringt, moduliert die Brennerleistung; der äußere Regelkreis liest die Außentemperatur und verändert den Sollwert laufend. Diese Architektur heißt Kaskadenregelung, wobei typischerweise im inneren Regelkreis P und im äußeren Regelkreis PI verwendet wird.

Der Unterschied in der Lebensdauer zwischen Kesselmodulationsregelung und Ein/Aus-Kessel ist konkret. Ein Brenner mit konstanter Leistung im Ein/Aus-Betrieb kann pro Jahr 15.000–20.000 Anlaufzyklen ausführen, und seine Lebensdauer beträgt 12–15 Jahre. Ein modulierender Brenner verringert die Zahl der Anlaufzyklen um 80–90 Prozent; die thermische Schockbelastung am Wärmeübertrager sinkt. Bei Brennwertkesseln mit modulierendem Brenner zeigen echte Felddaten eine Lebensdauer von 20–25 Jahren. Zur Auswahl eines Brennwertkessels siehe unseren entsprechenden Ratgeber. (Details: Was ist ein Brennwertkessel? Wie viel effizienter ist er als ein konventioneller Heizkessel?)

Für Ausrüstung des Heizraums und die Integration des Regelsystems können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Heizung) Die Funktionsprinzipien modulierender Kombithermen und Kesselthermostate finden Sie auch in unserem Ratgeber zum modulierenden Raumthermostat. (Details: Was ist ein modulierender Raumthermostat? Unterschied zum Ein/Aus-Thermostat)

Der Windup-Schutz des Integrators ist ein unverzichtbares Merkmal hochwertiger PI- und PID-Regler. Windup entsteht folgendermaßen: Wenn der Ausgang an eine physikalische Grenze stößt, zum Beispiel bei vollständig geöffnetem Stellantrieb, summiert der Integralanteil weiter auf. Löst sich der Ausgang von der Grenze, verursacht der übermäßig angesammelte Integralanteil ein großes Überschwingen, und die Anlage gerät ins Schwingen.

Der Windup-Schutz des Integrators funktioniert so: Erkennt der Regler, dass der Ausgang in die Sättigung geht, friert er das Aufsummieren des Integrals ein. Verlässt der Ausgang die Grenze, setzt das Integral das normale Aufsummieren fort. Dieser Mechanismus wird auch Anti-Windup oder Integral-Clamping genannt. Prüfen Sie bei der Auswahl der HLK-Regelplatine, dass die Anti-Windup-Funktion in der technischen Dokumentation ausdrücklich genannt ist; besonders bei Anlagen mit großer thermischer Masse kann die PI-Betriebsart ohne diese Funktion nicht sicher verwendet werden.

Bei Fan-Coil-Anwendungen tritt das Windup-Risiko beim Aufheizen der Anlage aus dem kalten Zustand zu Saisonbeginn auf. Bei 10 °C Raumtemperatur und einem Sollwert von 22 °C summiert sich das Integral schnell auf und hält den Stellantrieb vollständig geöffnet; erreicht der Raum 22 °C, führt das angesammelte Integral zu einer Überhitzung. Mit Windup-Schutz des Integrators sinkt dieses Überschwingen auf 0,1–0,3 °C, ohne ihn werden 1–2 °C Überschwingen beobachtet.

HLK-Automationssysteme verwalten mehrere Proportionalregelkreise hierarchisch. In einem Lüftungsgerät gibt es mindestens vier getrennte Regelkreise: Kühlregister-Temperatur, Heizregister-Temperatur, Feuchte und statischer Druck. Jeder Regelkreis erfordert seinen eigenen P-Bereich und seine eigene Nachstellzeit; die Regelkreise beeinflussen sich gegenseitig als Störlast, und diese Wechselwirkung muss bei der Inbetriebnahme sorgfältig beherrscht werden.

Die Inbetriebnahme folgt einer Standardreihenfolge. Zuerst wird jeder Regelkreis einzeln in Betrieb genommen und seine Parameter eingestellt. Danach werden die Regelkreise gemeinsam betrieben und die Querwirkungen beobachtet. Sind sie stabil, werden die Kaskaden- und Störgrößenaufschaltungen (Feedforward) aktiviert. Im letzten Schritt werden die saisonalen Bedingungen bewertet und der Parametersatz gesperrt. Einen umfassenden Überblick über HLK-Automationssysteme finden Sie in unserem entsprechenden Ratgeber. (Details: Was ist HLK-Automation? Wie lassen sich Heizungs- und Kühlsysteme in Gebäuden intelligent machen?)

Es gibt tatsächlich Anwendungen, in denen die Ein/Aus-Regelung ausreicht. Die Auswahlkriterien sind Komforttoleranz, Zyklenempfindlichkeit der Anlagenkomponenten und die Änderungsgeschwindigkeit der Umgebungsgröße. Die klare Entscheidung: Muss die Anlage innerhalb einer Genauigkeitstoleranz von 1 °C bleiben oder steigt die Zahl der Schaltzyklen über 10.000 pro Jahr, ist die Proportionalregelung sowohl hinsichtlich Leistung als auch Wirtschaftlichkeit besser geeignet.

• Ein/Aus-Regelung ausreichend — Elektrische Heizgeräte mit geringer thermischer Leistung (unter 800 W); Anlauf-Stopp-Logik von Pumpen; Alarme und Grenzwertüberwachungen; Lagerbereiche mit einer Temperaturtoleranz von 2–3 °C; Frostschutzthermostate
• Proportionalregelung erforderlich — Temperaturkreise von Fan-Coils und Klimazentralgeräten; Leistungsmodulation von Kesseln und Kaltwassersätzen; Druck- und Feuchteregelkreise; Bereiche, in denen die Komfortzone eine Genauigkeit von 0,5 °C erfordert
• PI-Regelung erforderlich — Raumtemperaturregelung (die bleibende Regelabweichung muss 0 sein); Büros mit hohem Anteil an solaren Gewinnen oder wechselnden inneren Lasten; äußerer Kaskadenregelkreis
• PID-Regelung in der HLK-Anwendung — Austrittstemperatur des Lüftungsgeräts; Leistung großer Kaltwassersätze; Druck- und Feuchteregelung (Prozesslüftung)
• Ein/Aus kann beibehalten werden — Drucksicherung des Ausdehnungsgefäßes; Pumpen-Trockenlaufschutz; Notabschaltkreise

Für Unterstützung bei der Auswahl von Regelkomponenten und Ventilen können Sie sich an unsere Produktgruppe wenden. (Details: Ventile & Armaturen) Auch unser Ratgeber, der die grundlegenden Unterschiede bei der Auswahl des modulierenden Raumthermostats erläutert, ist bei dieser Entscheidung eine Orientierung. (Details: Was ist ein modulierender Raumthermostat? Unterschied zum Ein/Aus-Thermostat) Geht es um die Fan-Coil-Regelung, ist auch die Ventilauswahl kritisch; die Dimensionierung von Fan-Coil-Ventil und Ventilantrieb ist ein eigenständiges technisches Thema. (Details: Wie wählt man Fan-Coil-Ventil und Ventilantrieb aus? 2-Rohr- und 4-Rohr-Systeme)

Die Energieeinsparung durch Proportionalregelung kommt aus zwei Kanälen. Erster Kanal: Ohne Schwingung erzeugt die Anlage keine Energie, die sie wieder abführt. Bei der Ein/Aus-Regelung wird die durch Überschwingen überschüssig erzeugte Wärme abgeführt oder weggekühlt; dieser Verlust liegt in der Regel bei 3–8 Prozent des gesamten Energieverbrauchs. Zweiter Kanal: Ventilator und Pumpe mit Frequenzumrichter laufen mit dem Proportionalregelsignal nicht mit voller Drehzahl, sondern bei tatsächlicher Last. Die Auslegungsnorm für Heizsysteme TS EN 12828 verlangt einen effizienten und stabilen Betrieb der Regelkomponenten; die Proportionalregelung erreicht die von dieser Norm geforderte Genauigkeit wesentlich leichter als die Ein/Aus-Regelung.

Die Affinitätsgesetze belegen diese Einsparung zahlenmäßig. Der Volumenstrom von Ventilator oder Pumpe ist proportional zur Drehzahl, die Förderhöhe ändert sich mit dem Quadrat der Drehzahl, die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl. Eine Drehzahlabsenkung um 20 Prozent verringert die Leistung um ca. 49 Prozent. Eine 2,2-kW-Pumpe, die im Jahr 4.000 Stunden mit voller Drehzahl läuft, verbraucht 8.800 kWh. Läuft dieselbe Pumpe mit Proportionalregelung im Mittel mit 70 Prozent Drehzahl, sinkt die Leistung auf 0,75 kW und der Verbrauch auf 3.000 kWh; die Einsparung beträgt 5.800 kWh/Jahr.

Für technische Unterstützung bei der Auswahl von HLK-Regelkomponenten und der Analyse der Energieeffizienz können Sie uns kontaktieren. (Details: unsere Kontaktseite) Auch unser umfassender Ratgeber zur Energieeffizienz ergänzt diese Berechnungen unmittelbar. (Details: Energieeffizienz in mechanischen Anlagen) Diese Energieanalyse, zusammen mit der Berechnung der Lebensdauer der Komponenten bei Proportionalregelung durchgeführt, ergibt eine Amortisationszeit der Investition von 2–4 Jahren und bildet das stärkste technische Argument zur Stützung der Projektentscheidung.

Beim Vergleich von Schwingung und Überschwingen zeigt sich der Unterschied zwischen Ein/Aus- und Proportionalregelung zahlenmäßig folgendermaßen. Arbeitet die Ein/Aus-Regelung mit einem Hysteresebereich von 1 °C, beträgt die Schwingungsamplitude ±0,5 °C, also insgesamt 1 °C. Bei Proportional-P-Regelung mit 4 °C Bereich sinkt die Schwingungsamplitude im eingeschwungenen Zustand auf ±0,1–0,2 °C; mit PI-Regelung geht dieser Wert bis auf ±0,05–0,1 °C zurück. Beim Überschwingen erzeugt die Ein/Aus-Regelung eine Überschreitung um die Hälfte des Hysteresebereichs, während die P-Regelung kein Überschwingen erzeugt, aber den Sollwert eventuell nicht genau erreicht; die PI-Regelung stellt sich nach einem vorübergehenden Überschwingen von 0,1–0,3 °C genau auf den Sollwert ein.

Diese Ergebnisse des Vergleichs von Schwingung und Überschwingen werden in der HLK-Technik unmittelbar in Planungsentscheidungen übersetzt. Für Umgebungen mit einer Toleranz von ±0,2 °C wie Operationssäle oder Reinräume ist die Ein/Aus-Regelung physikalisch unzureichend; PI oder PID ist zwingend. Bei üblichen Büro- und Wohnanwendungen genügt eine Toleranz von ±0,5 °C, und auch die Ein/Aus-Regelung mit schmalem Bereich funktioniert; hinsichtlich Komponentenzyklen und Energie ist die Proportionalregelung dennoch stets überlegen.

Zwischen Schwingungsamplitude und Schaltzyklen besteht ein gegenläufiger Zusammenhang. Ein schmaler Hysteresebereich verkleinert die Schwingungsamplitude, erhöht aber die Zyklenzahl; ein breiter Bereich verringert die Zyklen, kostet aber Komfort. Die Proportionalregelung beseitigt dieses Dilemma vollständig: Sowohl die Schwingungsamplitude ist klein als auch die Zyklenzahl nahezu null. Dieser doppelte Gewinn macht die Proportionalregelung bei Anwendungen, die hohen Komfort und lange Lebensdauer der Komponenten erfordern, zur einzigen realistischen Option.

Die PI-Regelung der Raumtemperatur ist in der Gebäudeautomation der am weitesten verbreitete Regelkreis und derjenige, der die sorgfältigste Vorgehensweise verlangt. Die thermische Masse des Raumes ist groß; solare Gewinne, innere Lasten und Personenzahl ändern sich fortlaufend; unter diesen Störlasten macht es die Beseitigung der bleibenden Regelabweichung zwingend, die PI-Betriebsart zu verwenden. Eine reine P-Regelung kann die durch das Öffnen einer Tür entstehende Störlast nicht vollständig ausgleichen, und die Raumtemperatur stellt sich 0,5–1,5 °C unter dem Zielwert ein.

Bei der PI-Regelung der Raumtemperatur erfolgt die Parameterwahl Schritt für Schritt folgendermaßen. Erster Schritt: Bestimmen Sie das Raumvolumen und die Fan-Coil-Leistung. Wird für ein Büro von 100 m² ein Fan-Coil mit 2–3 kW verwendet, liegt die Aufheizgeschwindigkeit bei etwa 1–2 °C/Stunde; dieser Wert bestimmt die Nachstellzeit. Zweiter Schritt: Starten Sie den Proportionalbereich mit 4 °C und schließen Sie das Fan-Coil-Ventil an den Stellantrieb an, der es mit 0-10V moduliert. Dritter Schritt: Geben Sie die Nachstellzeit mit 400 Sekunden ein; dieser Anfangswert ist für ein übliches Büroraumvolumen eine sichere Wahl.

Beim Inbetriebnahmetest der PI-Regelung der Raumtemperatur bestätigen die folgenden drei Beobachtungen den Erfolg. Erstens: Der Raum muss den Sollwert in 30–60 Minuten erreichen; dauert es länger, ist der Proportionalbereich zu verkleinern. Zweitens: Beim Erreichen des Sollwerts darf das Überschwingen 0,5 °C nicht überschreiten; überschreitet es diesen Wert, ist die Nachstellzeit zu verlängern. Drittens: Im eingeschwungenen Zustand muss die Temperaturdifferenz innerhalb von ±0,3 °C bleiben; liegt sie außerhalb, sind Sensorposition oder Nachstellzeit zu überprüfen. Nach Abschluss und Dokumentation dieser drei Beobachtungen ist das Inbetriebnahmedokument zu erstellen und der Parametersatz in das BMS zu laden; so liegen bei der nächsten Wartung die Referenzwerte bereit.

Auf dem Markt für HLK-Regelkomponenten treten die von Pomeka Mekanik geführten Marken Siemens und Honeywell/Resideo hervor. Bei Siemens-Regelplatinen für HLK-Anwendungen sind in der Baureihe RDG der Proportionalbereich von 1–10 °C und die Nachstellzeit im Bereich 60–999 Sekunden einstellbar; in der werkseitigen PI-Betriebsart beträgt Ti 300 Sekunden. Beim Honeywell-Proportionalregler der Baureihe T6800 sind Pb 2–10 °C und Ti 60–600 Sekunden einstellbar, und er unterstützt die Protokolle Modbus und BACnet.

Bei der Auswahl von HLK-Regelkomponenten sind über die Marke hinaus folgende Kriterien zu beachten: die Nennung des Anti-Windup-Mechanismus in der Dokumentation, die Unterstützung eines manuellen Ausgangsmodus für die Kalibrierung vor Ort, die Definition eines sicheren Ausgangswerts bei Sensorausfall (Fail-Safe) und ein Passwortschutz des Servicemenüs. Diese Merkmale bestimmen die langfristige Zuverlässigkeit vor Ort; gegebenenfalls muss man auf der Katalogseite nachfragen.

Für Unterstützung bei der Auswahl von Regelplatine und Stellantrieb können Sie sich an das Büro von Pomeka Mekanik in Istanbul Kadıköy wenden. (Details: Heizung) Für Anwendungen der Zonenregelung und von Lüftungsgeräten wird zudem Beratungsunterstützung angeboten. (Details: Was ist eine Zonenregelung? Wie wird die Temperatur jedes Raums einzeln geregelt?)

Um den jährlichen Energieunterschied zu veranschaulichen, nehmen wir als Beispiel eine übliche Büroetage. Die Etagenfläche beträgt 500 m², es gibt 10 Fan-Coils, und jeder Fan-Coil hat eine Motorleistung von 2,0 kW. Bei der Ein/Aus-Regelung führen die Ventilatormotoren im Mittel 8 Zyklen pro Stunde aus und ziehen bei jedem Anlauf 5 Sekunden lang den 3-fachen Nennstrom; diese Anlaufenergie entspricht etwa 0,042 kWh/Anlauf. Bei 8.000 Betriebsstunden im Jahr ergeben sich je Fan-Coil 64.000 Anläufe, und der Anlaufenergieverlust erreicht 2.688 kWh/Jahr.

Bei der Proportionalregelung gehen die Anläufe gegen null, und dieser Verlust entfällt. In derselben Anlage laufen die Ventilatormotoren im Mittel mit 65 Prozent Drehzahl; nach dem Affinitätsgesetz sinkt die Leistung von 2,0 kW auf 0,55 kW. Wird ein mittlerer Lastfaktor von 65 Prozent angesetzt, beträgt der jährliche Ventilator-Energieverbrauch 10 Stück × 0,55 kW × 8.000 Stunden = 44.000 kWh. Im Ein/Aus-Betrieb mit konstanter Drehzahl werden in derselben Zeit 10 × 2,0 × 8.000 = 160.000 kWh verbraucht; kommen zur Differenz noch die Anlaufverluste hinzu, beläuft sich die Einsparung auf 116.000 kWh/Jahr + 26.880 kWh Anlaufverlust = ca. 143.000 kWh/Jahr.

Diese Berechnung zeigt die Kombination aus Ventilatormotor mit Frequenzumrichter und Proportionalregelung. Der Effekt der reinen Regelungsart macht nur einen kleinen Teil der Berechnung aus; die große Einsparung kommt vom drehzahlveränderlichen Antrieb. Den drehzahlveränderlichen Antrieb richtig zu nutzen, erfordert jedoch einen Proportionalregler; die Ein/Aus-Regelung sperrt den Antrieb auf volle Drehzahl, und das Einsparpotenzial bleibt ungenutzt. Deshalb sollten Proportionalregelung und drehzahlveränderlicher Antrieb gemeinsam betrachtet werden.

Intelligente Raumthermostate und Gebäudemanagementsysteme (BMS) arbeiten als übergeordnete Ebene, die Proportionalregelkreise zentral überwacht und steuert. Der Proportionalregler erhält vom BMS den Sollwertbefehl; das BMS wiederum liest vom Regler die Raumtemperatur und die Ausgangswerte in Prozent aus. Dieser Datenaustausch erfolgt über die Protokolle Modbus RTU, BACnet oder LON. Seit 2026 setzt sich die direkte Anbindung per BACnet/IP über IP zunehmend durch und beseitigt die Kosten für Zwischenwandler.

Der praktische Nutzen der BMS-Integration für die Proportionalregelung ist folgender: Die Reglerparameter lassen sich aus der Ferne ändern, ohne vor Ort zu fahren, der Energieverbrauch kann grafisch überwacht werden, und Auffälligkeiten können als Alarm gemeldet werden. Liegt zum Beispiel in einem Fan-Coil-Temperaturregelkreis der Ausgang in Prozent seit 8 Stunden über 95 Prozent, deutet dies entweder auf unzureichende Leistung oder auf einen Sensorfehler hin. Das BMS leitet diesen Alarm an die Verwaltung weiter, und das Team vor Ort sucht die tatsächliche Störung. Ebenso wie die richtige Position des Raumthermostats bestimmt auch die BMS-Integration die langfristige Zuverlässigkeit. (Details: Wo sollte der Raumthermostat montiert werden? Einfluss einer falschen Positionierung auf die Beheizung)

Der Unterschied zwischen intelligentem Thermostat und Proportionalregler ist folgender: Ein intelligenter Thermostat konzentriert sich in der Regel auf Benutzeroberfläche und Zeitprogramm und verbindet den PI-Algorithmus mit Uhr- und Kalenderbedingungen; der industrielle Proportionalregler dagegen bietet für Produktions- und Prozessumgebungen eine präzise Parametereinstellung und Protokollunterstützung. Ein intelligenter Thermostat im Wohngebäude und ein industrieller Regler von Siemens oder Honeywell im Bürogebäude verwenden denselben PI-Algorithmus in unterschiedlicher Verpackung. Beide beruhen auf dem Prinzip der PI-Regelung der Raumtemperatur; der Unterschied liegt in der Anwendungstiefe. Zu intelligenten Raumthermostaten und ihrem Einsparpotenzial gibt es einen gesonderten Ratgeber. (Details: Bringt ein intelligenter Raumthermostat tatsächlich Einsparungen?) Auch die Wahl zwischen kabelgebundenem und Funkthermostat beeinflusst die Qualität der Proportionalregelung; kabelgebundene Modelle sind hinsichtlich der Signalstabilität im Vorteil. (Details: Kabelgebundener oder Funk-Raumthermostat? Welchen sollten Sie wählen?)