Was sind 0–10 V, 2–10 V und Ein/Aus-Regelung? Grundlagen zu Ventilstellantrieben

Die Ein/Aus-Ventilregelung ist die einfachste Regelungsart, bei der dem Stellantrieb nur zwei Zustandsbefehle gesendet werden: Kreis schließen oder Kreis öffnen. Liegt am Stellantrieb Spannung an, öffnet das Ventil; fehlt die Spannung, schließt das Ventil bei Federrücklauf (NC – normally closed), oder es verbleibt bei einer Ausführung mit Verharren in der Endlage (Last Position) in der Stellung, in der es sich gerade befindet. Auf dem türkischen HLK-Markt sind die häufigsten Ein/Aus-Beispiele elektrothermische Stellantriebe mit 24 V und 230 V.

Das Ein/Aus-Signal wird in der Wohnungsheizung und in kleinen gewerblichen Projekten bevorzugt, weil es nur geringe Kosten verursacht und eine einfache Installation erfordert. Bei Fußbodenheizungsverteilern wird an jedem Raumkreis ein elektrothermischer Stellantrieb montiert, und jeder Stellantrieb wird direkt vom Raumthermostat geregelt. Die Regelungslogik ist einfach, die Energieeffizienz jedoch begrenzt: Das Ventil ist entweder vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen, eine Zwischenstellung gibt es nicht. Deshalb eignet sich die Ein/Aus-Ventilregelung für Projekte mit geringen Komfortansprüchen oder mit wenigen Räumen.

Die grundlegende Einschränkung der Ein/Aus-Regelung ist, dass sie den Volumenstrom nicht proportional anpassen kann. Arbeitet ein Fan-Coil-Ventil mit Ein/Aus, pendelt die Raumtemperatur um den gewünschten Wert: Das Thermostat schaltet ab, das Ventil schließt, der Raum kühlt aus, das Thermostat schaltet ein, das Ventil öffnet. Dieser Zyklus mindert den Komfort und erhöht die Zahl der Ein- und Ausschaltvorgänge von Verdichter oder Heizkessel. In gewerblichen Projekten mit zwei oder mehr Räumen und hohen Ansprüchen an den persönlichen Komfort wird die Proportionalregelung zur Pflicht. (Details: Was ist Proportionalregelung? Vorteile gegenüber der Ein/Aus-Regelung)

Beim 0–10-V-Regelsignal sendet die Steuereinheit dem Stellantrieb eine stufenlos zwischen 0 und 10 Volt veränderliche Spannung, mit der der Stellantrieb die Ventilspindel in die gewünschte Zwischenstellung fährt. Ein Signal von 0 V entspricht der geschlossenen, ein Signal von 10 V der geöffneten Stellung; bei einem Signal von 5 V ist das Ventil zu etwa fünfzig Prozent geöffnet. Dieser proportionale Betrieb erlaubt es bei Fan-Coil-Anwendungen, dass das BMS oder der Raumthermostat das Signal zwischen 2 V und 8 V hält; die Raumtemperatur stabilisiert sich am Sollwert, ohne große Schwankungen zu durchlaufen.

Praktische Schätzungen zur Energieeinsparung werden bei Fan-Coil-Anlagen im Vergleich zu Ein/Aus mit einer jährlichen Reduktion von 15–25 Prozent kWh angegeben; der tatsächliche Wert hängt von der Anlagenplanung, den klimatischen Bedingungen und den Betriebsstunden ab. Die Einschränkung des 0–10-V-Regelsignals ist folgende: Der Wert 0 V steht sowohl für die geschlossene Stellung als auch für einen Kabelbruch oder einen Spannungsverlust. Das Regelsystem kann diese beiden Zustände nicht voneinander unterscheiden. Reißt ein Kabel, geht der Stellantrieb in die geschlossene Stellung, und das System interpretiert dies als ‚Ventil geschlossen‘ und protokolliert die eigentliche Störung nicht. (Details: Was ist HLK-Automation? Wie lassen sich Heizungs- und Kühlsysteme in Gebäuden intelligent machen?)

Ein 2–10-V-Stellantrieb verschiebt die Untergrenze des nutzbaren Signalbereichs von null Volt auf zwei Volt; der Wert 0 V ist damit ausschließlich dem Störungsfall vorbehalten. Die Kabelbrucherkennung findet auf Stellantriebsebene statt: Sieht das Regelsystem, dass das Signal unter 2 V fällt, weiß es, dass es sich nicht um einen gültigen Regelbefehl handelt, sondern um einen Kabelbruch oder eine Störung der Signalquelle.

Die Schaltungslogik funktioniert folgendermaßen: Die Steuereinheit erzeugt im Normalbetrieb ein Signal im Bereich 2–10 V. 2 V entsprechen der geschlossenen, 10 V der vollständig geöffneten Stellung. Wird das Kabel durchtrennt, liest die Messschaltung im Stellantrieb 0 V. Der Regler erkennt, dass das Signal außerhalb des definierten Bereichs liegt, und erzeugt ein Störungsflag (Fault Flag). BMS oder SCADA empfangen dieses Flag und warnen den Betreiber. Würden Sie dieselbe Anlage mit einem 0–10-V-Signal betreiben, fiele das Signal bei einem Kabelbruch auf 0 V, der Stellantrieb ginge in die geschlossene Stellung, und das System könnte ohne jeden Alarm nicht erkennen, ob es gestört oder intakt ist.

Dieser Unterschied ist ab 2026 in den sich verbreitenden Standards für intelligente Gebäude und in großen institutionellen Projekten ausschlaggebend geworden. Ingenieure, die in Istanbul eine BMS-Integration verlangen, nehmen die Anforderung der Kabelbrucherkennung am Stellantrieb inzwischen in ihre Kriterienliste auf. Die Wahl eines 2–10-V-Stellantriebs ist die einzige kostenlose Maßnahme, die den BMS-Betreiber vor dem Szenario schützt, in dem eine echte Störung maskiert wird. (Details: Wie wählt man Fan-Coil-Ventil und Ventilantrieb aus? 2-Rohr- und 4-Rohr-Systeme)

Der Unterschied zwischen 4–20 mA und 0–10 V beruht im Kern auf dem physikalischen Mechanismus der Signalübertragung: Die 4–20-mA-Stromschleife überträgt die Information als elektrischen Strom und ist auch über lange Strecken unempfindlich gegen den Kabelwiderstand; das 0–10-V-Spannungssignal ist dagegen eine einfachere, für HLK-Systeme optimierte technische Lösung, die auf kurzen Strecken (in der Regel unter 50 Metern) eingesetzt wird.

Die Unterschiede lassen sich je nach Anwendung wie folgt aufführen:

• Reichweite – 4–20 mA: Der Kabelwiderstand verfälscht das Signal nicht, zuverlässig bis 300–500 Meter; 0–10 V: Der Kabelwiderstand führt zu Spannungsfall, ab mehr als 50 Metern ist eine Impedanzanpassung erforderlich
• Störungserkennung – 4–20 mA: 4 mA als Untergrenze; 0 mA ist ein eindeutiges Störsignal; 2–10 V: Die Untergrenze von 2 V erfüllt dieselbe Funktion, gilt aber nur im lokalen Stromkreis
• Energieverbrauch – 4–20 mA: Im Stromkreis fließt ein konstanter Strom, der bei Lasten mit Impedanz Wärme erzeugt; 0–10 V: geringer Stromverbrauch, effizient bei Eingängen mit hoher Impedanz
• Kostenposition – 4–20 mA: Messumformer und Empfängerkarten sind teurer; 0–10 V/2–10 V: Reglerkarten und Stellantriebe sind auf dem HLK-Markt Standard und gut erhältlich
• Störfestigkeit – 4–20 mA: Elektromagnetische Störungen in der Industrieumgebung beeinflussen das Signal nicht; 0–10 V: In stark elektromagnetischer Umgebung (in der Nähe großer Motoren, Frequenzumrichter) ist ein geschirmtes Kabel erforderlich
• Typische Anwendung – 4–20 mA: Prozessindustrie, Druck-/Temperatursensoren, Regelung entfernter Pumpen/Ventile; 0–10 V/2–10 V: Fan-Coil-Stellantriebe, AHU-Ventile, Eingänge der Gebäudeautomation

Wenn Sie in einem Bürogebäude in Kadıköy die Fan-Coil-Regelung planen und die Kabellängen 30–40 Meter nicht überschreiten, ist die Wahl eines 0–10-V- oder 2–10-V-Stellantriebs sowohl bei den Kosten als auch bei der einfachen Integration der klare Gewinner. Für ein entferntes Ventil, das an das Kühlaggregat im Dachgeschoss desselben Gebäudes angeschlossen ist, arbeitet ein 4–20-mA-Signal zuverlässiger. Die beiden Signalarten widersprechen sich nicht; innerhalb eines Projekts können verschiedene Teilsysteme unterschiedliche Signaltypen verwenden. (Details: Was ist ein Drucksensor? Wie wählt man 0–10-bar- und 0–16-bar-Druckmessumformer aus?)

Der Watts WT-EMUJC-010 ist ein Produkt der Marke Watts, die Pomeka Mekanik führt; er wird als Watts-24-V-0–10-Vdc-Stellantrieb bezeichnet und ist für die elektromechanische Ventilregelung in HLK-, Fan-Coil- und automatisiert geregelten Installationen ausgelegt. In der Produktkategorie der HLK-Ventilantriebe gehört er zu den Modellen, auf die man in Projekten zurückgreift, die einen Stellantrieb mit Proportionalregelung erfordern.

Die auf pomeka.com hinterlegten technischen Daten des Produkts: 24 V AC/DC Versorgungsspannung, 0–10-Vdc-Regelsignal, elektromechanischer Antriebsmechanismus. Leiser Betrieb und geringer Energieverbrauch gehören zu den Konstruktionsschwerpunkten. Der Anwendungsbereich umfasst HLK-Klimasysteme, die Fan-Coil-Ventilregelung, Zentralheizungs- und Kühlanlagen, Projekte für Residenzen, Hotels, Büros und Einkaufszentren sowie Systeme mit BMS-Integration. Mit diesen Eigenschaften ist der WT-EMUJC-010 ein bevorzugtes Modell sowohl für den Bedarf an einem elektromechanischen Watts-Stellantrieb in der HLK-Technik als auch an einem Watts-Ventilantrieb für Fan-Coils. (Details: https://www.pomeka.com/watts-wt-emujc-010-24v-0-10vdc-elektromekanik-aktuator)

Der Watts WT-EMUJC-010 ist ein elektromechanisch angetriebener Stellantrieb, der in der Kategorie der Fan-Coil-Ventilantriebe im 0–10-V-Signalbereich arbeitet. Bei der Auswahl eines Fan-Coil-Ventilantriebs wird dieses Modell von Installateuren bevorzugt, die in HLK-Projekten einen leisen und energiesparenden Betrieb benötigen. Für Preis, technische Angaben und Details des Watts WT-EMUJC-010 sehen Sie sich bitte die Produktseite auf pomeka.com an; für Spezifikationen, die auf der Seite nicht enthalten sind, ist das technische Dokument des Herstellers maßgeblich. Beim Preis- und Technikvergleich des Watts WT-EMUJC-010 im Rahmen der Stellantriebsauswahl sind die Eignung für ein Ventil mit demselben Kvs-Wert, die Anforderung an das Drehmoment und der Signalbereich gemeinsam zu bewerten.

Der kritische Punkt bei der Auswahl dieses Stellantriebs ist die Kompatibilität des Signalbereichs: Der WT-EMUJC-010 arbeitet im Signalbereich 0–10 Vdc. Erfordert Ihr Projekt eine Kabelbrucherkennung, prüfen Sie, dass Ihre Reglerkarte einen 2–10-V-Ausgang besitzt und der Stellantrieb diese Untergrenze als Störsignal interpretieren kann. Werte, die auf der Spezifikationsseite nicht angegeben sind, sind als je nach Baureihe variierend zu betrachten.

Die Frage, wie man einen Fan-Coil-Stellantrieb auswählt, beantwortet sich durch die der Reihe nach erfolgende Bewertung von vier grundlegenden Parametern: Signalart, Versorgungsspannung, Sicherheitsmodus und IP-Schutzart. Diese vier Parameter hängen miteinander zusammen; eine Auswahl, bei der einer übersprungen wird, führt in der Regel bei der Inbetriebnahme zu Problemen.

Der erste Parameter ist die Signalart. Ist eine BMS-Integration vorhanden, sollte die Signalauswahl für den BMS-Stellantrieb 2–10 V lauten; sie ermöglicht die Kabelbrucherkennung. Gibt es kein BMS und wird nur ein Raumthermostat verwendet, reichen 0–10 V aus. Ein/Aus eignet sich nur für einfache Einraumanwendungen. Der zweite Parameter ist die Versorgungsspannung: 24 V fällt unter die Sicherheitskleinspannung und eignet sich für Niederspannungsinstallationen; 230 V wird bevorzugt, wenn in Altbauten die Kabelinfrastruktur ohnehin vorhanden ist. (Details: 24V- oder 230V-Stellantrieb? Welcher gehört in welche Anwendung?)

Der dritte Parameter ist die Wahl des Sicherheitsmodus NC/NO des Stellantriebs. In Kühlkreisen wird NC (stromlos geschlossen) bevorzugt: Bei Spannungsausfall schließt das Ventil, und das Risiko von Kondensatschäden sinkt. In Heizkreisen oder in Leitungen, die einen kritischen Wasserdurchfluss erfordern, kann NO (stromlos offen) bevorzugt werden. Der vierte Parameter ist die Wahl der IP-Schutzart des Stellantriebs: Für einen geschlossenen, trockenen Raum reicht IP40; für einen feuchten Keller oder Installationsbereich ist IP54 der Mindeststandard, im Freien ist IP65 erforderlich.

Bei der Auswahl von Ventilantrieben in Lüftungssystemen (AHU, ERV, HRV) werden Regelsignal, Sicherheitsmodus und IP-Schutzart gemeinsam bewertet. Wird die Signalart falsch gewählt, kann der vom BMS gesendete Befehl am Stellantrieb einer anderen Stellung entsprechen, und das System erreicht nie den gewünschten Volumenstrom-Sollwert.

Typische Auswahlkriterien für das Ventil des AHU-Kühlregisters sind:

• Signaltyp – 0–10 V oder 2–10 V (bei BMS-Integration wird 2–10 V bevorzugt)
• Versorgungsspannung – 24 V AC/DC (sichere Niederspannungsinstallation, Konformität mit NEC/IEC)
• Sicherheitsmodus – NC (normally closed): Bei Spannungsausfall schließt das Ventil, die Kühlung stoppt sicher
• Ventilgröße – variiert zwischen DN15 und DN50; das Drehmoment des Stellantriebs wird nach dem Kvs-Wert des Ventils gewählt
• Umgebungsbedingungen – Schutzart IP54 reicht für mechanische Installationsbereiche aus; im Freien wird IP65 empfohlen
• Laufzeit – 60–150 Sekunden für den Weg von vollständig geöffnet bis geschlossen, je nach Projekttoleranz zu wählen

Die Kategorie der Ventilantriebe von Pomeka Mekanik umfasst Modelle, die sich für AHU und Lüftungsregelung eignen. (Details: https://www.pomeka.com/havalandirma-kontrol-vana-motoru)

Die Inbetriebnahme eines elektromechanischen Stellantriebs besteht aus dem korrekten Kabelanschluss und der Überprüfung der Signalkalibrierung. Wird eine falsche Polarität oder eine Unverträglichkeit des Signalbereichs nicht bemerkt, bevor der Stellantrieb Schaden nimmt, arbeitet der Fan-Coil das ganze Jahr in der falschen Stellung.

Die Schritte der Inbetriebnahme sind der Reihe nach: Im ersten Schritt prüfen Sie den Klemmenplan des Stellantriebs. 24-V-Versorgung, Masse (GND) und Regelsignal (Y oder V) liegen an getrennten Klemmen. Im zweiten Schritt messen Sie die Signalausgangsspannung der Reglerkarte mit einem Multimeter; bei einem Befehl von null Prozent (geschlossen) müssen 0 V (0–10-V-System) bzw. 2 V (2–10-V-System) angezeigt werden, bei einem Befehl von hundert Prozent 10 V. Im dritten Schritt beobachten Sie, ob sich der Stellantrieb langsam bewegt; bewegt er sich abrupt oder gar nicht, prüfen Sie die Versorgungsspannung und den Sicherheitsmodus. Im vierten Schritt überprüfen Sie an den Fan-Coil-Rohrleitungen mit einem Temperatursensor die Volumenstromreaktion.

Häufige Unverträglichkeit: Das BMS erzeugt einen 2–10-V-Ausgang, der Stellantrieb akzeptiert jedoch nur 0–10 V; ein Befehl von 2 V wird vom Stellantrieb als geschlossene Stellung gelesen, und der Raum kühlt nie ab. Ein solcher Fehler bei der Signalauswahl für den BMS-Stellantrieb wird in Projekten oft erst nach Monaten entdeckt. Legen Sie die Signaluntergrenze in der Projektspezifikation schriftlich fest. (Details: Was ist ein Fan-Coil? Unterschiede zwischen 2-Rohr- und 4-Rohr-Fan-Coil-Systemen)

Für die Heizkreise von Fußbodenheizungsverteilern ist in der Türkei der Standard der elektrothermische Stellantrieb mit Ein/Aus-Ventilregelung. Ein Stellantrieb pro Raumkreis, ein unabhängiger Raumthermostat pro Raum. Diese Konstellation zeichnet sich durch einfache Installation und geringe Kosten aus.

Wann wird bei der Fußbodenheizung die proportionale 0–10-V-Regelung bevorzugt? Werden mehrere Kreise an einem Verteiler zusammengefasst und steuert nicht ein einzelner Raumthermostat, sondern eine zentrale Regeleinheit den Volumenstrom, ist die proportionale 0–10-V-Regelung sinnvoll, insbesondere bei Gebäuden, für die eine Energieeffizienzzertifizierung erforderlich ist (LEED, BREEAM). Die Stellantriebe der Baureihe Fränkische Profitherm bieten Produkte, die für beide Einsatzszenarien geeignet sind. Für ein Standard-Wohnprojekt sind jedoch das Ein/Aus-System funktional und ausreichend; die Wahl von 0–10 V verursacht in diesem Maßstab eine unnötige Kostenposition. (Details: Wie wird ein Fußbodenheizungsverteiler eingestellt? Wie erfolgt die Einstellung des Durchflussmessers?)

Die HLK-Regelsignalarten werden in vier Hauptkategorien bewertet. Das optimale Einsatzgebiet jeder einzelnen wird klar, wenn man sie anhand der grundlegenden Parameter vergleicht:

• Ein/Aus – Regelung: zwei Stellungen; Störungserkennung: keine; Entfernung: kurz; Kosten: am niedrigsten; Anwendung: Fußbodenheizung im Wohnbereich, kleine gewerbliche Anwendungen
• 0–10-V-Regelsignal – Regelung: proportional 0–100 %; Störungserkennung: keine (0 V geschlossen = Störung unklar); Entfernung: unter 50 m; Kosten: mittel; Anwendung: Fan-Coil, AHU, BMS
• 2–10-V-Stellantrieb – Regelung: proportional 0–100 %; Störungserkennung: vorhanden (0 V = eindeutiges Störsignal); Entfernung: unter 50 m; Kosten: mittel; Anwendung: BMS in großen Gebäuden, Hotels, kritische Überwachung
• 4–20 mA – Regelung: proportional 0–100 %; Störungserkennung: vorhanden (0 mA = eindeutige Störung); Entfernung: 300–500 m; Kosten: hoch; Anwendung: Prozessanlagen, Regelung entfernter Ventile/Pumpen

Die klare Entscheidung: Planen Sie ein neues gewerbliches HLK-Projekt und ist eine BMS-Integration vorhanden, bevorzugen Sie 2–10 V gegenüber 0–10 V; die Mehrkosten liegen nahe null, die Fähigkeit zum Störungsmanagement ist aber deutlich höher. Bei einer Standard-Wohnanwendung reicht die Ein/Aus-Ventilregelung aus. Ziehen Sie die 4–20-mA-Stromschleife nur in Betracht, wenn die Kabelstrecke 50 Meter überschreitet oder eine industrielle Prozessanforderung besteht. (Details: Danfoss, Siemens oder Belimo? Motorventile und Stellantriebe im Vergleich)

Das Drehmoment des Stellantriebs ist die Kraft, die erforderlich ist, um die Spindel des angeschlossenen Ventils zu drehen. Eine falsche Drehmomentwahl ist der häufigste Fehler vor Ort: Reicht das Drehmoment nicht aus, kann der Stellantrieb die Ventilspindel nicht drehen, und das Ventil öffnet nicht vollständig; ist das Drehmoment höher als erforderlich, steigt die Kostenposition, die Funktion ändert sich aber nicht.

Grundlegender Ansatz zur Drehmomentberechnung: Der Ventilhersteller gibt für jedes Modell das minimale Drehmoment zum Drehen der Spindel in Nm an, meist zwischen 2,5 und 8 Nm. Das Drehmoment des Stellantriebs muss mindestens zwanzig Prozent über diesem Wert liegen. Beispiel: Benötigt ein DN25-2-Wege-Fan-Coil-Ventil 4 Nm Spindeldrehmoment, muss der Stellantrieb mindestens 5 Nm liefern. Der Kvs-Wert bestimmt die Volumenstromkapazität in m³/h und beeinflusst über die Festlegung der Ventilgröße indirekt die Drehmomentanforderung. (Details: Motorventil-Ratgeber)

Auch der Arbeitswinkel des Stellantriebs ist kritisch. Bei Standard-HLK-Ventilen ist ein Drehwinkel von 90° üblich; manche Absperrklappen oder Sondergehäuse können 180° oder 270° erfordern. Wird ohne Lesen der Spezifikation montiert, bleibt das Ventil nicht zu hundert Prozent geöffnet, und das System erreicht nie den Auslegungsvolumenstrom.

Bei der Signalauswahl für BMS-Stellantriebe müssen die Prüfschritte vor Ort ein fester Bestandteil des Inbetriebnahmeprotokolls sein. Das BMS schließt den Regelkreis, indem es das an den Stellantrieb gesendete analoge Signal mit dem Rückmeldesignal des Stellantriebs und dem Ausgangswert der Regelung vergleicht. Damit dieser Kreis korrekt arbeitet, gibt es vor Ort drei Messpunkte.

Prüfschritte:

• Stellen Sie im BMS den Befehlswert des Stellantriebs auf null Prozent; messen Sie die Spannung an der Klemme des Stellantriebs mit dem Multimeter; im 0–10-V-System müssen 0 V, im 2–10-V-System 2 V angezeigt werden
• Stellen Sie im BMS den Befehlswert auf fünfzig Prozent; die Messung muss 5 V (0–10 V) oder 6 V (2–10 V) ergeben
• Stellen Sie im BMS den Befehlswert auf hundert Prozent; die Messung muss 10 V ergeben; in beiden Systemen entspricht vollständig geöffnet 10 V
• Prüfen Sie bei Stellantrieben mit Rückmeldesignal (Feedback), dass sich der Rückmeldewert im BMS innerhalb von 1–2 Minuten mit dem Befehlswert deckt
• Simulation eines Kabelbruchs: Ziehen Sie das Signalkabel ab; im 2–10-V-System muss im BMS ein Störungsflag entstehen; im 0–10-V-System kommt diese Meldung nicht

In Projekten, in denen diese Tests nicht durchgeführt wurden, können die Einstellungen der Stellantriebe falsch bleiben, und der Gebäudeverwalter bemerkt das Problem unter Umständen jahrelang nicht. Bei großen Einkaufszentrum-Projekten in Kadıköy erleichtert es die Störungserkennung im Betrieb erheblich, wenn diese Messungen bei der Inbetriebnahme dokumentiert werden. (Details: Was ist HVAC?)

Die Wahl des Sicherheitsmodus eines NC/NO-Stellantriebs legt fest, in welcher Stellung das Ventil bei Spannungsausfall stehen bleibt. Im Modus NC (Normally Closed – stromlos geschlossen) sorgt der Federmechanismus bei Spannungsausfall dafür, dass das Ventil in die geschlossene Stellung zurückkehrt. Im Modus NO (Normally Open – stromlos offen) bleibt das Ventil bei Spannungsausfall geöffnet.

Die Wahl des Sicherheitsmodus hängt von der Anwendung ab:

• Fan-Coil-Kühlventil – NC wird bevorzugt: Bei Spannungsausfall stoppt die Kühlung, das Risiko von Kondensat- und Wasserschäden sinkt
• Wasserventil in der Brandbekämpfungsanlage – NO wird bevorzugt: Bei Spannungsausfall bleibt das Ventil geöffnet, der Wasserdurchfluss bleibt erhalten
• Vorwärmregister der Wärmerückgewinnungseinheit (HRV) – NC wird bevorzugt: Bei Spannungsausfall wird der Eintritt kalter Luft verhindert
• Bypass-Ventil eines Druckminderers – NO ist in der Regel sicherer: Bei Spannungsausfall ist der Bypass geöffnet, die Anlage ist geschützt
• Warmwasser-Verteilleitung – variiert je nach Anforderung der Anwendung; bei Gebäuden mit Brandrisiko stets mit dem Planungsteam abstimmen

Bei elektromechanischen Stellantrieben wie dem Watts WT-EMUJC-010 ist der Sicherheitsmodus vom Hersteller festgelegt und im Datenblatt zu überprüfen; einige Modelle haben einen Federrücklauf (Spring Return), andere eine Ausführung mit Verharren in der Endlage (Last Position). Wer ein Produkt bestellt, ohne die Präferenz für den Sicherheitsmodus des NC/NO-Stellantriebs in die Projektspezifikation zu schreiben, übersieht dieses Detail leicht. (Details: Wie wählt man Fan-Coil-Ventil und Ventilantrieb aus? 2-Rohr- und 4-Rohr-Systeme)

Die Auswahl der IP-Schutzart des Stellantriebs ist der Parameter, der bei der Auswahl von HLK-Geräten häufig übersehen wird, auf lange Sicht aber die meisten Störungen verursacht. Die IP-Schutzart (Ingress Protection) definiert die Beständigkeit des Stellantriebs gegen Staub und Wasser. Die gebräuchlichsten Werte für HLK-Stellantriebe sind:

• IP40 – nur geschlossener, trockener Technikraum; keine Außenumgebung
• IP54 – Schutz gegen Staub und Spritzwasser; geeignet für geschlossene, feuchte Installationsbereiche, das Innere von Fan-Coil-Geräten und das Kellergeschoss
• IP65 – vollständig staubdicht, beständig gegen Strahlwasser; Dachgeschoss, halboffene Bereiche, Montage im Freien

Das Auswahlkriterium ist einfach: Arbeitet der Stellantrieb in einem geschlossenen, trockenen Technikraum, reicht IP40. In feuchten Installationsräumen im Erdgeschoss oder Keller und in der Nähe von Fan-Coil-Geräten mit Kondensationsrisiko muss IP54 der Mindeststandard sein. Für Geräte im Dachgeschoss oder bei Montage im Freien ist IP65 erforderlich. Eine falsche Wahl der IP-Schutzart des Stellantriebs kann dessen Lebensdauer halbieren; IP65-Stellantriebe können gegenüber IP40 um 20–40 Prozent höhere Kosten verursachen, doch eine falsche Wahl hält die Lebensdauerkosten höher.

Wie das 2–10-V-Störsignal funktioniert, lässt sich anhand eines konkreten Szenarios am besten verdeutlichen. Szenario: In einem Hotel mit 50 Zimmern wird an jedem Fan-Coil-Ventil ein 2–10-V-Stellantrieb eingesetzt. In Zimmer Nr. 312 auf der Führungsetage entsteht ein Kabelschaden am Fan-Coil.

Im 0–10-V-System entwickelt sich das Szenario so: Das Kabel wird beschädigt, das Signal fällt auf 0 V, der Stellantrieb geht in die geschlossene Stellung, im BMS erscheint kein Alarm, der Raum kühlt nicht, der Gast beschwert sich, ein Techniker wird entsandt, die Störung wird festgestellt. Durchschnittliche Erkennungsdauer: 12–48 Stunden.

Im 2–10-V-System läuft dasselbe Szenario so ab: Das Kabel wird beschädigt, das Signal fällt auf 0 V, dieser Wert liegt unter der Untergrenze von 2 V, das BMS erzeugt sofort ein Störungsflag (Fault Flag), das Wartungspersonal erhält automatisch eine Benachrichtigung, der Techniker erreicht das Zimmer innerhalb von 30 Minuten. Dieser Unterschied in der Fähigkeit zum Störungsmanagement ist der Hauptgrund dafür, dass der 2–10-V-Stellantrieb in Hotelprojekten zum Standard geworden ist. (Details: Was ist eine Zonenregelung? Wie wird die Temperatur jedes Raums einzeln geregelt?)

Die Auswirkung eines Stellantriebs mit Proportionalregelung und eines Ein/Aus-Stellantriebs auf den Energieverbrauch lässt sich anhand einer konkreten Berechnung zeigen. Annahme: Ein Gebäude mit 50 kW Kühlleistung ist täglich 10 Stunden in Betrieb, mit 250 Betriebstagen pro Jahr. Wird ein Ein/Aus-Fan-Coil-System mit voller Leistung ein- und ausgeschaltet, entstehen intensive Anlaufzyklen; der Verdichter zieht bei jedem Ein- und Ausschalten volle Last. Ein Stellantrieb mit Proportionalregelung moduliert den Volumenstrom dagegen entsprechend der Differenz zwischen Raum- und Solltemperatur zwischen 0 und 100 %; der Verdichter arbeitet überwiegend im Teillastbetrieb.

Praktische Berechnung: Beim Ein/Aus-System wird der Verbrauch des Verdichters in kWh/Jahr anhand der Volllast-Laufzeit berechnet. Ein Fan-Coil-System mit Stellantrieben mit Proportionalregelung arbeitet mit einem durchschnittlichen Teillastfaktor von 0,65–0,75. Bei einem System mit 50 kW Leistung kann dieser Unterschied eine jährliche Einsparung von 3.000–5.000 kWh bedeuten; der genaue Wert hängt von den klimatischen Bedingungen, der Heizlast des Gebäudes und der Anzahl der Fan-Coil-Typen ab. Um die Energieanalyse zu überprüfen, wird eine dynamische Heizlastsimulation des Gebäudes (TRNSYS, EnergyPlus) empfohlen. Auch wenn der Einsparwert projektspezifisch ist, liegt die Amortisation der Auswahl eines Stellantriebs mit Proportionalregelung für den Fan-Coil-Ventilantrieb in der Regel bei 2–4 Jahren. (Details: Energieeffizienz in mechanischen Anlagen)

Der zweite Nutzen der Auswahl eines Stellantriebs mit Proportionalregelung ist die Verlängerung der Lebensdauer der Geräte. Beim Ein/Aus-System kann der Verdichter im Jahresdurchschnitt 10.000–20.000 Mal ein- und ausgeschaltet werden; jedes Einschalten erzeugt mechanische und elektrische Belastung. Ein Stellantrieb mit Proportionalregelung senkt diese Zyklenzahl meist auf unter fünfzig Prozent. Die Wartungskostenpositionen sinken, die Lebensdauer des Verdichters verlängert sich. Der dritte Nutzen ist die Komfortqualität: Die Raumtemperatur stabilisiert sich bei einer Abweichung vom Sollwert von höchstens 0,5–1 °C; beim Ein/Aus-System kann diese Abweichung auf 2–3 °C steigen, und die Nutzerbeschwerden nehmen zu.

Bei den Ventilen von Vorwärm- und Kühlregistern des AHU (Luftbehandlungsgerät) ist der Einsatz des 0–10-V-Regelsignals oder eines 2–10-V-Stellantriebs der Standardplanungsansatz. Die Aufgabe des AHU ist es, die Außenluft auf eine bestimmte Temperatur und einen bestimmten Feuchtewert zu bringen und in den Innenraum zu fördern. In diesem Prozess kommt der Volumenstromregelung der Ventile von Vorwärmregister (Preheat Coil) und Kühlregister (Cooling Coil) entscheidende Bedeutung zu.

Der typische Signalfluss für das Ventil des AHU-Kühlregisters ist folgender: Ein Raum- oder Kanaltemperatursensor übermittelt den Istwert an die BMS-Regelkarte. Das BMS erzeugt aus der Differenz zwischen Sollwert und Istwert mit einem PID-Algorithmus ein 0–10-V- oder 2–10-V-Signal. Dieses Signal wird an den Fan-Coil-Ventilantrieb oder den AHU-Ventilantrieb übertragen. Der Ventilantrieb moduliert den Volumenstromdurchgang proportional zum Signal. Ist die Kühlleistung bei der Solltemperatur angekommen, sinkt das Signal, der Volumenstrom nimmt ab; der Verdichter arbeitet weiter im Teillastbetrieb. Eine falsche Einstellung der PID-Verstärkung (der Parameter P, I, D) kann Überschwingen (Overshoot) und Pendeln verursachen; bei der Inbetriebnahme darf der Schritt des PID-Tunings nicht vernachlässigt werden.

Beim Ventil des Vorwärmregisters ist der Sicherheitsmodus kritisch: NC (stromlos geschlossen) wird bevorzugt. Fällt in Winterbedingungen mit Außentemperaturen unter -10 °C die Spannung aus, muss das Ventil in die geschlossene Stellung gehen und Schutz vor der Frostgefahr bieten. Gleichzeitig muss auch der Frostschutzthermostat (Frost Protection) aktiv sein. (Details: HRV-Systeme (Wärmerückgewinnung))

Zonenregelungssysteme sind eine Architektur, in der verschiedene Bereiche eines Gebäudes nach ihrem jeweils unabhängigen Heiz- oder Kühlbedarf gesteuert werden. Jede Zone hat ihr eigenes Thermostat oder ihren eigenen BMS-Punkt. In diesen Systemen beeinflusst die Wahl der Signalart unmittelbar die Komfortqualität.

Zonenregelung mit Ein/Aus-Signal: Das Thermostat jeder Zone öffnet und schließt den zugehörigen Stellantrieb. Endet der Bedarf einer Zone, schließt das Ventil, die übrigen Zonen bleiben weiter geöffnet. In einfachen Systemen ist dieser Ansatz funktional; erzeugen jedoch mehrere Zonen gleichzeitig Bedarf, schwankt der Pumpenvolumenstrom. Ohne Differenzdruckventil (DP-Ventil) oder Pumpe mit variablem Volumenstrom senkt diese Schwankung die Effizienz der Anlage.

Zonenregelung mit 0–10-V- oder 2–10-V-Stellantrieb: Der Stellantrieb jeder Zone wird vom BMS proportional gesteuert. Der Gesamtvolumenstrombedarf wird laufend überwacht und mit dem Frequenzumrichter der Pumpe abgestimmt. Dieser Ansatz ermöglicht in Systemen mit variablem Volumenstrom (VRV/VRF oder hydronischer variabler Volumenstrom) den geringstmöglichen Energieverbrauch. Mit wachsender Zonenzahl wird die konsistente Wahl eines Standards unter den HLK-Regelsignalarten zunehmend kritisch; Systeme mit gemischten Standards verursachen bei der Inbetriebnahme erheblichen Zeitverlust und Fehlerrisiken. (Details: Was ist eine Zonenregelung? Wie wird die Temperatur jedes Raums einzeln geregelt?)

Entscheidet man in einem HLK-Projekt bei der Auswahl von Ventilstellantrieben zwischen mehreren Marken und Modellen, ist es ein praktischer Ausgangspunkt, jedem der vier Kriterien das gleiche Gewicht zu geben: Signalverträglichkeit, ausreichendes Drehmoment, Sicherheitsmodus und IP-Klasse. Ohne dass diese vier Kriterien in der Spezifikation schriftlich festgelegt sind, sollte man nicht in die Katalogprüfung einsteigen.

Die elektromechanischen Watts-Stellantriebe für die HLK-Technik und das Sortiment an Ventilantrieben von Pomeka Mekanik bieten Optionen der Marken Siemens, Fränkische und Watts. Bei der Auswahl erfordern der Bedarf an einem Watts-Ventilantrieb für Fan-Coils und der Bedarf für AHU unterschiedliche technische Parameter; für Fan-Coils genügen in der Regel ein niedriges Drehmoment und eine kleine Ventilgröße, während beim AHU ein größerer Kvs-Wert und hohe Drehmomente erforderlich sein können. Um für beide Anwendungen das richtige Modell zu bestimmen, kann technischer Support in Anspruch genommen werden. (Details: Danfoss, Siemens oder Belimo? Motorventile und Stellantriebe im Vergleich)

Die Erstellung einer Stellantriebsspezifikation ist die wichtigste Maßnahme, die Unverträglichkeitsprobleme nach der Inbetriebnahme ausschließt. In der Spezifikation müssen mindestens folgende Angaben enthalten sein:

• Signalart: Ein/Aus-Ventilregelung, 0–10-V-Regelsignal oder 2–10-V-Stellantrieb; die Untergrenze muss angegeben werden
• Versorgungsspannung: 24 V AC/DC oder 230 V AC; Leistung des speisenden Transformators
• Drehmoment: minimaler Wert in Nm, Prüfung der Übereinstimmung mit Ventilgröße und -typ
• Arbeitswinkel: 90 Grad, 180 Grad oder Sonderwinkel
• Sicherheitsmodus des NC/NO-Stellantriebs: stromlos geschlossen oder stromlos offen; Federrücklauf oder Verharren in der Endlage
• Auswahl der IP-Schutzart des Stellantriebs: IP40, IP54 oder IP65; die Montageumgebung muss beschrieben werden
• Rückmeldesignal: vorhanden oder nicht; die Anforderung an ein 0–10-V-Feedback muss vom BMS angegeben werden
• Zertifikat: Anforderung an CE, UL oder ein lokal gültiges Zertifikat

Ohne diese Angaben wählt der Monteur das günstigste, am leichtesten erhältliche Modell, und diese Wahl erfüllt die technischen Anforderungen des Projekts meist nicht. In Projekten mit vielen Zonen verhindert eine Stellantriebsliste mit je einer eigenen Zeile pro Zone Verwechslungen bei der Inbetriebnahme.

Werden beim Entwurf des 0–10-V-Regelsignal-Stromkreises einige elektrische Anforderungen außer Acht gelassen, treten vor Ort ernste Probleme auf. Die korrekte Umsetzung dieser Anforderungen wirkt sich unmittelbar auf die Signalqualität und die Lebensdauer des Stellantriebs aus.

Impedanzanpassung: Die Eingangsimpedanz des Stellantriebs und die Ausgangskapazität der Reglerkarte müssen zueinander passen. BMS-Karten mit Standard-0–10-V-Ausgang können in der Regel mehrere Stellantriebe mit einer Eingangsimpedanz über 10 kΩ parallel speisen. Mit zunehmender Zahl angeschlossener Stellantriebe sinkt die Gesamtlast; die maximale Stromkapazität der Reglerkarte darf nicht überschritten werden. Typische Berechnung: 10 V Ausgang, 10 kΩ Eingangsimpedanz bei 1 mA Verbrauch je Stellantrieb; bei 10 Stellantrieben insgesamt 10 mA. Die meisten BMS-Karten haben eine Kapazität von 20–50 mA, doch ist dies in der Spezifikation zu prüfen. Diese Berechnung behält auch bei 2–10-V-Systemen ihre Gültigkeit; die Untergrenze ändert sich nur für die Störungserkennung.

Kabelschirm: In stark elektromagnetischen Umgebungen (in der Nähe großer Pumpen mit Frequenzumrichter, leistungsstarker Motoren) bewahrt es die Signalintegrität, wenn der Schirm des 0–10-V-Signalkabels an einem Punkt geerdet verwendet wird. Wird die Erdung an beiden Enden ausgeführt, kann ein Kreisstrom (Ground Loop) entstehen; geerdet werden darf nur auf der Seite der BMS-Karte. Legen Sie als Kabeltyp einen verdrillten, geschirmten Draht mit mindestens 0,5 mm² fest. (Details: Pumpe mit Frequenzumrichter: Was ist das? Spart sie wirklich Strom?)

Ein modulierender Raumthermostat misst die Differenz zwischen Raumtemperatur und Sollwert und erzeugt daraus einen proportionalen Ausgang. Dieser Ausgang kann direkt einem 0–10-V- oder 2–10-V-Stellantrieb zugeführt werden; auch ohne BMS ist eine proportionale Volumenstromregelung möglich. Besonders in kleinen und mittelgroßen Projekten wird anstelle eines BMS ein modulierender Thermostat bevorzugt; die Kostenposition sinkt, aber auch die Möglichkeit zur Überwachung und zum Fernzugriff entfällt.

Bei der Kombination aus modulierendem Thermostat und 0–10-V-Stellantrieb ist darauf zu achten, dass der Signalbereich des Thermostats mit dem Stellantrieb verträglich ist. Erzeugt das Thermostat einen 0–10-V-Ausgang, muss der Stellantrieb 0–10 V akzeptieren; erzeugt das Thermostat einen 2–10-V-Ausgang, muss der Stellantrieb die Untergrenze von 2 V als geschlossene Stellung interpretieren. Diese Unverträglichkeit ist die am häufigsten übersehene Dimension der Frage, wie man einen Fan-Coil-Stellantrieb auswählt: Werden Thermostat und Stellantrieb von verschiedenen Lieferanten bezogen, erfolgt die Montage ohne Prüfung der Verträglichkeit des Signalbereichs, und das System erreicht nie das geplante Komfortniveau. Wenn Sie Fan-Coil-Ventilantrieb und modulierenden Thermostat gemeinsam kaufen, bestätigen Sie anhand des technischen Dokuments des Lieferanten, dass beide denselben Signalstandard unterstützen. (Details: Was ist ein modulierender Raumthermostat? Unterschied zum Ein/Aus-Thermostat)

Im Ergebnis ist die Wahl zwischen dem 0–10-V-Regelsignal, dem 2–10-V-Stellantrieb und der Ein/Aus-Ventilregelung eine technische und zugleich wirtschaftliche Entscheidung. Die richtige Wahl spart über die Projektlebensdauer Energie, senkt die Wartungskostenposition und liefert dem BMS-Betreiber verlässliche Daten für das Störungsmanagement. In Projekten, die einen Stellantrieb mit Proportionalregelung erfordern, ist es die einfachste und wirksamste Maßnahme gegen die Kosten von Unverträglichkeiten nach der Inbetriebnahme, die Verträglichkeit des Signalbereichs in der Spezifikation klar zu formulieren. Bei großen Hotel-, Einkaufszentrums- und Büroprojekten ist diese Auswahlentscheidung eine Planungsentscheidung, die HLK-Ingenieur, Elektroingenieur und BMS-Integrationsfirma gemeinsam treffen sollten. Die Dokumentation der Entscheidung in der Planungsphase des Projekts und ihre Übernahme in die Spezifikation erleichtern sowohl die Inbetriebnahme als auch die Wartungsaufträge im Betrieb.