Der Heizkreis

Der Heizkreis  besteht aus allen Heizkörpern (E1), einer Umwälzpumpe (M1) und dem Rohrsystem bis zum Puffer (D1).

Die Leistung der Heizkörper

Das wird normalerweise bei folgenden Temperaturen angegeben: Vorlauf = 75°C Rücklauf = 65°C Raumtemperatur = 20°C Also beträgt der mittlere Temperaturunterschied zwischen Heizwasser und Raum = 50°C. Bei diesen Daten beträgt die Leistung aller Heizkörper im Haus: 14294 Watt. Das Haus benötigt bei einer Außentemperatur von -16°C und einer Raumtemperatur von 22°C aber nur 9957 Watt. Ich habe mit einer Außentemperatur von -16°C gerechnet, eigentlich sind für unsere Gegend -12°C nach Norm vorgesehen. Nach meinen alten Aufzeichnungen haben wir aber kurz tatsächlich -16°C gehabt. Ist aber eigentlich auch egal, denn der Leistungsbedarf ist (einigermaßen) proportional zur Temperturdifferenz zwischen Außentemperatur und Raumtemperatur. Halber Temperaturunterschied bedeutet halber Leistungsbedarf. Stimmen die berechneten Werte der erforderlichen Heizleistung? Meine Steuerung hat folgende Daten für Januar 2013 gemessen und aufgezeichnet: 01.01.13 bis 31.01.13 Tage: 31 GH: Gasverbrauch = 3729.71kWh GH: Stromverbrauch = 41.56kWh GH: erzeugte Wärmemenge = 3370.25kWh WP: Verbrauch Tagtarif = 316.65kWh WP: Verbrauch Nachttarif = 195.82kWh WP: erzeugte Wärmemenge = 1603.25kWh GH: Kosten = 238.67Euro WP: Kosten = 104.44Euro WP: COP = 3.12 Summe GH und WP = 343.11Euro Mittlere Außentemperatur = 1.00°C Die mittlere Temperaturdifferenz betrug 22°C - 1°C = 21°C. Daraus folgt: 9957*21/38 = 5502 Watt berechnete Heizleistung, also in 24 Stunden = 132kWh und in 31 Tagen = 4094kWh. Die Aufzeichnung hat 3370,25 + 1603.25 = 4973,5 kWh gezählt, also 879kWh zu viel. Also muß irgenwo ein Verbraucher von 879 / 31 / 24 = 1,182kW sein. Davon dürften etwa 0.5kW im Heizraum (= Hobbyraum) landen, der Rest von den Rohren unterm Estrich ins Haus und wegen Lüftung durch die Fenster nach draußen. Der Heizraum (= Hobbyraum) hat keinen Heizkörper. Er wird trotzdem relativ konstant auf 19°C geheizt. Vor allem vom Pufferspeicher, obwohl der mit 100mm gedämmt ist. Bevor dieser installiert war, war es deutlich kühler im Heizraum. Man kann also davon ausgehen, das der berechnete Heizleistungsbedarf ausreichend genau stimmt.

Wie kommt die Heizleistung in die Räume?

Natürlich über die Heizkörper sollte man annehmen. Stimmt aber nicht ganz. Theoretisch wird für eine Heizleistung von 4,97kW eine Heizwassertemperatur von 47°C benötigt. In der Praxis sind aber nur 41°C nötig was einer Heizleistung aller Heizkörper von etwa 4kW ergibt. Also kommen fast 1kW über einen anderen Weg in die Räume. Die Erklärung: die Rohre sind alle unterm Estrich verlegt. Dadurch sind ein paar Quadratmeter Fußbodenheizung ungewollt entstanden. Über die warmen Stellen am Fußboden freut sich besonders unser Kater.

Steuerung der Gasheizung

Die Gasheizung kann ihre Heizleistung kontinuierlich von 3,8 bis 17,9 kW regeln. Nur unter der minimalsten Leistung muß sie im ON-OFF- Betrieb arbeiten. Weil die Gasheizung von meiner Steuerung gesteuert werden soll, habe ich die “externe Erweiterung H1” angeschlossen. Die Heiztemperatur wird nicht über die interne Temperaturregelung der Gasheizung sondern über einen externen Sollwert  an der “externen Erweiterung H1” angefordert. Die H1 regelt die Temperatur mit einer Steuerspannung von 0 bis 10V. Unter 2V ist die Heizung aus. Pro 0,1V regelt die Heizung auf 1°C, 4V ergeben z.B. eine Kesseltemperatur von 40°C. Weil die Temperatur aber nicht besonders genau ist, muß meine Steuerung etwas nachregeln. Alle 5 Minuten wird um 0,33°C korregiert. Schneller darf das nicht nachgeregelt werden, weil die Gasheizung auf ruckartige Änderungen des Sollwertes überreagiert. Die Gasheizung hat eine eigene Umwälzpumpe, die intern gesteuert wird. Das Warmwasser ist von der Heizung unabhängig. Dessen Solltemperatur wird an der Bedieneinheit der Gasheizung eingestellt und hat mit meiner Regelung nichts zu tun.

Steuerung der Wärmepumpe

Die Dimplex Wärmepumpe kann nur im On/Off-Betrieb geregelt werden. Das erfolgt mit einen potentialfreien Relaiskontakt in meiner Steuerung. Damit nicht zu viele Starts erfolgen, ist eine Mindesteinschaltzeit vorgesehen (z.Zt. 20 min). Die Wärmepumpe (bzw dessen eigene Steuerung) schaltet die dazu gehörende Umwälzpumpe M2 selber.

Der kombinierte Betrieb

Die WP wird immer aktiviert sobald dessen Energiepreis günstiger ist. Wenn in dem Fall aber die Leistung der WP nicht ausreicht, wird die Gasheizung zusätzlich aktiviert. Diese Betriebsart ist sehr kompliziert weil die GH kontinuierlich arbeitet und die WP im On/Off-Betrieb.  Das war nicht einfach zu lösen, funktioniert aber inzwischen perfekt. Meine Steuerung rechnet die erforderliche Zusatzleistung nicht aus, sondern erkennt die nicht ausreichende Leistung am zu geringen Temperaturanstieg pro Zeit (z. Zt. 0,2°C pro 20 min).

Meine Steuerung

Trotz intensiver Suche: es gibt am Markt keine optimale Steuerung für meine 2 Heizungen. Alle Steuerungen schalten die Heizungen im sogenannten “Bivalenzpunkt” um. Das ist eine Außentemperatur von etwa um den Nullpunkt. Bei höheren Außentemperaturen ist die Wärmepumpe günstiger, darunter eine Feuerheizung. Diesen Punkt muß man sich selber ausrechnen oder die Steuerung hat einen vorgegeben. Weil aber der Strompreis nachts billiger als am Tag ist und auch der COP nicht konstant und eigentlich letztendlich unbekannt ist, ist dieser Bivalenzpunkt nie richtig gewählt. Richtiger ist es, beide Heizungen mit Sensoren permanent zu überwachen, die Kosten pro Kilowattstunde Wärmemenge auszurechnen und nur die preisgünstigere Heizung zu aktivieren. Dazu muß die Steuerung über alle Tarife informiert sein. Wenn sich ein Tarif ändert, wird das in die Steuerung eingetippt und der Rest geht automatisch. Egal wie sich die Tarife für Gas und Elektro verändern, man ist immer auf der richtigen Seite. Weil es eine solche Steuerung nicht gibt, habe ich eine komplett neu entwickelt. Das war erheblich aufwendiger als zunächst gedacht. Die Software hat eine Länge von über zehntausend Zeilen! Nachdem ein paar wenige Bugs behoben sind funktioniert es perfekt!

Technische Detail: die Hardware

Die HW besteht aus 2 Platinen: 1.) Die obere, direkt hinter der Front, enthält die Bedienelemente und den Controller. Verwendet wird ein Display-Modul DO72 mit ein kleines Farbdisplay und einen ATMEGA128. Außerdem sind auf der Platine der Uhrenbaustein mit Pufferbatterie und vier FRAMs sowie die zwei Steckverbinder für eine RS232 und der JTAG-Schnittstelle. Die FRAMs dienen der Protokollierung. Das F steht übrigens nicht für “Flash” sondern für “Eisen”. Diese Speicher haben gegenüber Flash-Speicher und EEPROMs einen ganz wesentlichen Vorteil: einfaches Byte-weises Schreiben und Lesen mit praktisch unbegrenzter Lebensdauer. Einziger Nachteil ist die geringe Kapazität von 32kB pro Baustein. Die vier FRAMs reichen um alle wichtigen Daten für 3 Monate zu sichern. Die Speicher werden als Ring organisiert. In regelmäßigen Abständen werden die Daten daraus über die RS232 zum PC im Büro übertragen und dort in einer Datenbank gesichert. 2.) Die untere Platine enthält eine 27-polige Klemmenleiste, das Netzteil und alle Ein- und Ausgänge. Auf dieser Platine ist auch die analoge Schaltung zur Temperaturmessung und, später auf einer kleinen extra Platine dazugekommen, ein analoger Ausgang für die GH. Das Gehäuse ist zu klein um alle nötigen Anschlußleitungen aufzunehmen. Deshalb wird ein mehrpoliges Kabel verwendet, das extern in einen extra großen Klemmkasten geht, und dort sind alle Leitungen angeschlossen.
Obere Platine, LCD, CPU, FRAMS und Uhr Untere Platine, Seite 1, Netzteil
Untere Platine, Seite 2, Eingänge
Untere Platine, Seite3, Ausgänge Untere Platine, Seite 4, Analogteil
Von den Ein- und Ausgängen werden nur wenige verwendet. Diese Steuerung war ursprünglich für eine aufwändigere Hydraulik geplant. 5 digitale Eingänge: Die Impulse von den beiden Durchflusssensoren werden über normale Eingänge gelesen. Das geht wegen dessen niedriger Frequenz. Ebenso die Impulse vom Drehstromzähler für die Wärmepumpe. Die Netzausfallerkennung benötigt die Software wegen der Datenrettung. Die Sperrzeiterkennung kommt über einen Optotrenner von der Netzspannung der Wärmepumpe. 1 analoger Ausgang: Die Sollwertspannung für die Gasheizung bzw H1 wird mit Hilfe einer PWM erzeugt und mit U19 auf den richtigen Pegel gebracht. 2 digitale Ausgänge: Über einen potentialfreien Relaiskontakt wird die Wärmepumpe im On/Off-Betrieb gesteuert. Ebenso die Umwälzpumpe für den Heizkreis. Die beiden anderen Umwälzpumpen werden von den Heizungen selber gesteuert. 7 analoge Eingänge: Alle sechs Pt1000-Sensoren werden mit konstanten Strom betrieben. Ebenso ein 0,1%-Referenzwiderstand (R10+RV3 bzw R5+RV2). Die Schaltung kann wahlweise auch mit Pt500 betrieben werden. Der Prozessor erkennt das automatisch und schaltet den richtigen Referenzwiderstand ein. 
Die kleinere Spannung am Pt500 wird mit U10 auf den selben Wert wie am Pt1000 angehoben. Die Referezwiderstände haben den selben Wert wie ein Pt1000 (oder Pt500) bei minus 20°C. Das ist auch die untere Messgrenze. Der Differenzverstärker U3 verstärkt die Differenz der Spannungen am Pt1000 (Pt500) und am Referenzwiderstand. Die beiden Analogmultiplexer U7 und U5 schalten die richtigen Leitungen durch. Diese Schaltung ist etwas aufwändig und sehr genau. Wegen der Leistungsmessung ist eine hohe Messgenauigkeit nötig. Der siebte Analogeingang ist für ein Poti zur geringen korrektur der Raumtemperatur. Eine Spannung von 0...5V ergibt eine Korrektur von +/-2°C. In der Praxis hat sich gezeigt, das diese Einrichtung nicht nötig ist. Die nicht betexteten Ein- und Ausgänge wurden nicht benötigt.
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Heizungs-Steuerung S.2/4

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