Kaskadenregelung: Funktion, Vorteile & Berechnung

Kaskaden Wasserfall symbolisiert die Kaskadenregelung
Die Bezeichnung Kaskade ist vor allem durch wasserfallartige Brunnenanlagen mit mehreren Stufen bekannt. Als Kaskadeneffekt wird die Abhängigkeit eines Vorgangs von einem vorherigen bezeichnet. Beim stufigen Brunnen ist der erforderliche Wassereinlauf in der jeweils nächsthöheren Stufe ein offensichtliches Beispiel der Abhängigkeit zueinander. Artverwandt sind Lawinen- und Dominoeffekte. In der technischen Nutzung werden mehrere
Schaltkreise als Kaskadenregelung verschachtelt hintereinander gesetzt. Die jeweils vorher liegende Schaltung löst die Nächstfolgende aus.

Das technische Ziel dieser Regelungsart ist das Erhalten gewisser Mengen- und Temperaturparameter während des Ablaufs von dynamischen Prozessen. Vereinfacht gesagt sorgt die Kaskadenregelung für Heizungen in Einzelschritten für eine größere anlassbedingte Verteilung von Wärme. Damit werden Temperaturspitzen abgemildert, die bei der Anlagen- und Heizungsleistung zu Einbußen führen.

Darstellung der Kaskadenregelung

Höhere Leistung als die Summe der Teile

In Heizsystemen gleichen mehrere Heizkessel oder Thermen den einzelnen Brunnenstufen einer Kaskade.

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Sie werden parallel geschaltet und dienen als „Verteilstationen“. Die Kaskadenregelung schaltet die Einzelgeräte ab oder zu. Schaltungsindikatoren sind dabei Abweichungen zwischen gewünschter und tatsächlicher Vorlauftemperatur und die Geschwindigkeit der Temperatur des Heizungswassers.

Die zusammenhängende Installation und Schaltung mehrerer Kessel oder Thermen erzeugt im Idealfall mehr Wärme als die Summe, die mit einzeln betriebenen Bauteilen erzielt werden könnte. Mehrere Faktoren führen zu diesem Leistungsvorteil der Kaskadenschaltung:

Automatische Verteilung von Überschusslasten

Für die Leistungsfähigkeit eines Heizungssystems sind in erster Linie die Belastungen durch die Temperaturen und den Leitungsdruck ausschlaggebend. „Heiß gelaufene“ Systeme müssen abgekühlt werden, was meist nur durch ein „Entsorgen“ der überschüssigen Wärme möglich ist.

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Die Druckentwicklung in geschlossenen Heizkreisläufen sorgt für Anlagenausdehnung, die reguliert werden müssen. Auch hier muss der ursächlich eigentlich leistungssteigernde Druckanstieg durch mechanische Rücknahme und Herabregelung mittels „Verschwendung“ reguliert werden.

Die Kaskadenregelung erkennt Überschüsse in Temperaturen und Druck.

  • Das Schaltmuster der Kaskadenschaltung öffnet den Zugang zum nächsten Kessel oder der nächsten Heiztherme, wenn einstellbare Grenzwerte erreicht sind.
  • Damit „verteilt“ die Schaltung die Überschüsse auf hinzugeschaltete Kapazitäten in Raum und Funktion.
  • Druck und Temperaturen sinken durch die „Verdünnung“.
  • Wenn die Werte wiederum Überschüsse entwickeln, löst die nächstfolgende Schaltung aus und öffnet mit der Zuschaltung eines neuen Kessels die nächste „Verteilung“ und „Verdünnung“.

Indirekte Vorteile

Die Vorteile der Kaskadenreglung erstrecken sich nicht nur auf den Effekt der direkten Verteilung der Wärme- und Drucklasten.

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Mehrere Kessel oder Thermen erlauben eine zusätzliche Flexibilität in der Anpassung an äußere Umstände und den Heiz- und Warmwasserbedarf. Teillasten können, in gedanklicher Anlehnung an einen Ottomotor, auf „weniger Töpfen“ erzeugt werden. Das senkt die Betriebsstundenzahl des Einzelgeräts.

Kaskadeneffekte in der Regelungstechnik sind auch mit der Kombination unterschiedlicher Brennstoffarten möglich. Einzelschaltungen können modular angelegt werden und Geräte aus dem Kaskadenverbund „herausnehmen“. So sind beispielsweise Reparatur- und Wartungsarbeiten auch während des Betriebs möglich. Um eine Kaskadenregelung zu berechnen, sind die Anzahl der Regelkreise und die Auslösungswerte in jedem einzelnen Regelkreis Grundlage für die Wärme- und Drucksteuerung.