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.
Untere Platine, Seite 2, Eingänge
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