Anleitung zum Bau eines Heizungssystem mit Sonnenanschluss

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(Letzte Bearbeitung 29. Juni 2016)

Ein modernes Heizungssystem besteht aus vier Gruppen.  In der ersten Gruppe sind die Wärme-Quellen, in der Zweiten die Wärme-Verbraucher. Gruppe Drei ist das Wärme-Verteilungssystem und Gruppe Vier ist die Steuerung.

Zu den möglichen Wärme-Quellen gehören Gas-, Öl- und Holzpellets-Brenner sowie thermische Solarkollektoren, Blockheizkraftwerke (BHKW) und ein aus Geothermie-gespeistes Nahwärme-Netz.  Die Wärme-Verbraucher können sein Radiatoren in Räumen, Fußbodenheizung und/oder Warmwasser-Aufbereitungsanlagen.  Zu dem Wärme-Verteilungssystem gehören mit Trägerflüssigkeit gefüllte Rohre, Pumpen, Ventile, und Wärmetauscher.  Die Steuerung übernimmt ein PC, der über verschieden Module Temperaturen misst und entsprechend der programmierten Vorgaben die Wärme-Quellen, Pumpen und Ventile aktiviert.

Das im folgenden beschriebene Heizungssystem hat einige bemerkenswerte Besonderheiten:

  • es ist modular aufgebaut und deswegen leicht veränderbar,

  • der Wärmefluss wird nicht durch Ventile sondern steuerbare ECM-Pumpen reguliert; der Stromverbrauch wird dadurch reduziert,

  • der Temperaturfühler im thermischen Solarkreis ist an einer leicht zugängigen Stelle montiert,

  • der auf einem Süddach installierte thermische Solarkollektor ist für den Wintersonnenstand optimiert,

  • der sommerliche Überschuss an Wärmeenergie wird geschickt „abgefackelt“, und

  • das warme Brauchwasser wird mittels thermostatischen Mischerventils und Wärmetauscher erwärmt. Ablagerung von Kalk wird dadurch vermieden.

 

 

Das Heizungssystem mit Sonnenanschluss

 0  Einleitung 

 1  Die Wärme-Quellen  

1.1  Gas-Brennwert-Brenner  

1.2  Thermische Solarkollektor  

1.2.0 Beschreibung 

Der thermische Kollektor besteht aus 24 Stück 20 ft.* langen Kupferrohren (½ Zoll) mit anodisierten (schwarz), 11 cm breiten Kupferlamellen (siehe 1.2.2). Sie liegen horizontal in Dach (siehe 1.2.3) und sind an einem Ende paarweise miteinander mittels „U“-Rohr verbunden (siehe 1.2.4).  Am anderen Ende sind die Rohre abwechselnd mit dem „kalten“ bzw. mit dem „warmen“ Sammelrohr verbunden(siehe 1.2.4). Die Rohre liegen unbefestigt und mit einem Winkel von ca. 70° zur Horizontalen in ihrer Halterung aus Holz (siehe 1.2.1)).  Die Rohre sind unbefestigt damit sie sich bei Temperaturänderungen (Delta ca. 140 K) ungehindert ausdehnen bzw. zusammenziehen können.  Durch den Winkel von 70° (optimiert für eine geographische Breite von 48° (z.B. München)) wird eine optimale Wärmeernte in Winter erreicht, bei reduzierte Ernte im Sommer.  Der Kollektor ist ca. 6 m x 4 m (ca. 24 m²) groß, wobei die aktive Fläche ca. 16 m² beträgt. Zur Isolierung nach unten werden 6 cm dicke Platten aus Foamglas (Schaumglas) verwendet.  Abgedeckt ist der Kollektor mit zwölf Infrarot-durchlässigen Glasplatten, ca. 1 m x 2 m groß. Bei einem Durchfluss des Propylenglykol/Wasser-Gemisches von 7 L/min (420 L/h) ergibt bei eine Temperaturerhöhung von 20 K eine Leistung von ca. 10 kW.  Der Kollektor ist in 1.2.5 abgebildet.

( * 1 ft. (foot) = 12 Zoll = 30,48 cm)

 

1.2.1  Winkelberechnung >WINK5609_Winter.pdf< und >WINK5609_Sommer.pdf<  

1.2.2  Die Lamellen des Kollektors >KOLL5716.pdf<  

1.2.3  Details am Dach >DACHQUER.pdf< und >DACH4417.pdf<  

1.2.4  Verbindungen West >SMLRHRWE.pdf< und Ost >SMLRHROS.pdf<  

1.2.5  Der Kollektor im Dach >Sonnenanschluss_13626.pdf<  

1.3  Geothermie-Nahwärme-Netz

 2  Die Wärme-Verbraucher  

2.1  Fußbodenheizung  

2.2  Warmwasser-Aufbereitungsanlage

 3  Das Wärme-Verteilungssystem  

3.1  Rohre  

3.2  Pumpen  

3.3  Wärmetauscher  

3.4  Ventile

 4  Die Steuerung  

4.1  Hardware  

4.1.1  Industrie-PC  

Ursprünglich sollte für die Steuerung ein kostengünstiger Tablet-PC verwendet werden – wie zum Beispiel der Archos® 9 pctablet mit dem Windows 7 Betriebssystem, 1 GB RAM und 32 GB Flash Festplatte (SSD) und einer USB 2 Schnittstelle.  Dieser Tablet-PC verwendet – wie viele andere – einen Lithium-Ion Akku, der dauerhaft nicht mit dem Stromnetz verbunden und geladen werden darf (Brandgefahr).  Obwohl die Rechenleistung des Archos® 9 pctablet mit seinem Intel® Atom® Z515 bei 1,2 GHz längst ausgereicht hätte, wurde ein Industrie-PC, der garantiert 24/7 tauglich ist, gewählt: der MiniT56N aus dem COMSys® Programm von TQ Systems® (82229 Seefeld).

Als Bildschirm wurde der ASUS® 19 TFT LED VW199NR ausgewählt, der im Standby-Betrieb eine Leistung von nur 0,1 W benötigt.

 

4.1.2  RS232/Ez.Slo-Bus Interface  

4.1.2.1  Flachbaugruppe  

4.1.2.1.1 Schematic

4.1.2.1.2 Layout

4.1.2.2  Gehäuse  

4.1.3  Six Temperatur Module  

4.1.3.1  Flachbaugruppe  

4.1.3.1.1 Schematic

4.1.3.1.2 Layout

4.1.3.2  Gehäuse  

4.1.4  Power Switch Modul  

4.1.4.1  Flachbaugruppe  

4.1.4.1.1 Schematic

4.1.4.1.2 Layout

4.1.4.2  Gehäuse  

4.1.5  Pump Controller Modul  

4.1.5.1  Flachbaugruppen  

4.1.5.1.1  ECM-Driver:   

4.1.5.1.1.1 Schematic

4.1.5.1.1.2 Layout

4.1.5.1.2  Zwei Shields:   

4.1.5.1.2.1 Schematic

4.1.5.1.2.2 Layout

4.1.5.1.3  Interface:  

4.1.5.1.3.1 Schematic

4.1.5.1.3.2 Layout

4.1.5.2  Gehäuse  

4.1.5.3  Umbauanleitung: >Umbau_zur_Systempumpe_14a18.pdf<  

Diese Umbauanleitung stammt aus dem Jahr 2009 und gilt nur für die erste Generation der ALPHA2 Pumpen (Prod No. 95047518).

Die zweite Generation der Pumpen erkennt man an dem zusätzlichen Taster, der die Anzeige zwischen Watt und m3/h umschaltet. Bei Bedarf, bitte an den Entwickler wenden.

4.1.6  System Ventilantrieb SVA-201  

4.1.6.1  Flachbaugruppe  

4.1.6.1.1 Schematic

4.1.6.1.2 Layout

4.1.6.2  Gehäuse  

4.1.6.3  Umbauanleitung >SysVenAntr_11723.pdf<  

4.1.7  Kugel-Ventil-Antrieb KVA-100   

4.1.7.1 Mechanismus

Wo es nicht anders angegeben, sind die flachen Teile des Mechanismus' aus 6 mm starken s.g. Bauplatten (in Baumarkt erhältlich) hergestellt.

4.1.7.1.1 Kugelventil-Teile

4.1.7.1.2 Gearbox-Holder

4.1.7.1.3 Abstandsblock

4.1.7.1.4 Taktscheibe

4.1.7.1.5 Stifthalterung

4.1.7.1.6 Kotflügelscheibe

4.1.7.2 Flachbaugruppe

4.1.7.2.1 Schematic

4.1.7.2.2 Layout

4.1.7.3 Zusammenbau

4.1.7.4 Bilder

Von Version_1

4.1.8 Das System

4.2  Software  

4.2.1  Visual Basic 2010 Express für Industrie-PC  

4.2.1.1  ThermalEnergyControlSystem (TECS) - Main Programm  

Das Hauptprogramm steuert das Zusammenspiel zwischen den Aktivitäten des Gas-Brennwert-Brenners, der Pumpe des Solarkreises, den Temperaturen im Pufferspeicher und des Vorlaufs, der Pumpen des Heizungskreislaufs sowie der Position der Heizkreislaufventile. Verschiedene Voreinstellungen können eingestellt werden.

Der >Timer_MainClockSecondTick< steuert den Ablauf des Programms im Sekundentakt anhand eines „Staffelstabs“ (str_SecondTickEchelon); der Takt wird einmal in der Minute mit der System-Uhr synchronisiert (Date_PresentTime.Second = 0).

Als erster Schritt ("FirstTask") werden die 12 Temperaturmesswerte abgefragt, gespeichert und in dem Plot von XY_Curves eingetragen.  Aus bestimmten Messwerten werden Sollwerte errechnet, die dann dazu führen, dass z.B. Brenner ein- bzw ausgeschaltet wird oder die Förderleistung von Pumpen angehoben bzw. reduziert wird.  Abhängig von der HeatingSchedule werden die Ventile in den Heizkreisläufen geöffnet bzw. geschlossen.  Da die Programm-Variablen und die Namen der Unterprogramme weitgehend selbst-erklärend sind, kann der genaue Ablauf in dem Programm-Listing studiert und analysiert werden.

4.2.1.1.1  Form   (Alt)

4.2.1.1.2  Listing   (Alt)

4.2.1.1.3  Als RAR-Version 

4.2.1.2  AuxiliaryCalculation  

Dieses Unterprogramm enthält die Heizungskurve des Hauses: abhängig von der gemessenen Außentemperatur wird die Soll-Vorlauftemperatur des Heizungskreislauf errechnet.

4.2.1.2.1  Form  

4.2.1.2.2  Listing  

4.2.1.3  Data_Tabel  

In diese Tabelle werden beim Start des TECS-Programms die Ez.Slo-Bus-Adressen und die Kennzeichnungen der Module eingetragen: Identifikation, Artikelnummer, Seriennummer, Herstellername und Software-Version.

4.2.1.3.1  Form  

4.2.1.3.2  Listing  

4.2.1.4  Ez.Slo_Bus_Test  

Dieser Programmteil bedient die RS232 Schnittstelle zum Ez.Slo-Bus System-Controller, der die RS232 Zeichen in RS485 Zeichen und umgekehrt wandelt.

4.2.1.4.1  Form  

4.2.1.4.2  Listing  

4.2.1.5  HeatingSchedule  

In diese Tabelle wird in ½ stündigen Schritten über den Tage verteilt eingetragen welches Ventil wann geöffnet bzw. geschlossen werden soll.

4.2.1.5.1  Form  

4.2.1.5.2  Listing  

4.2.1.6  Sonnenstand  

Abhängig vom Datum, der Uhrzeit, und der geographischen Lage des Hauses wird der Stand der Sonne errechnet: Elevationswinkel und Azimut.

4.2.1.6.1  Form  

4.2.1.6.2  Listing  

4.2.1.7  TECS_Display  

Diese Grafik zeigt das Heizungssystem mit Sonnenanschluss; in die verschiedenen Fenster werden die aktuellen Temperaturmesswerte bzw. die Einstellungen der Pumpen eingetragen.

4.2.1.7.1  Form  

4.2.1.7.2  Listing  

4.2.1.8  XY_Curves  

In diesen XY-Plot werden im Tagesverlauf pro Minute 18 Werte eingetragen; zwölf davon sind die gemessenen Temperaturwerte Kurve dreizehn: die Steigung der Temperatur im heißen Teil des Solarkreises Kurve vierzehn: die Steigung der Temperatur im kalten Teil des Solarkreises Kurve fünfzehn: der Status des Solarpumpenförderleistung Kurve sechzehn: die Soll-Heizungsvorlauftemperatur Kurve siebzehn: die korrigierte Außentemperatur Kurve achtzehn: die minimale Puffersolltemperatur.

4.2.1.8.1  Form  

4.2.1.8.2  Listing  

4.2.2  "C"/Assembler für Cypress® Programmable System on Chip (PSoC 1®)  

4.2.2.1  RS232/Ez.Slo-Bus Interface  

In dem Interface-Modul werden die vom Host (PC) empfangenen RS232 Kommandos in Ez.Slo-Bus/RS485 Kommandos umgewandelt; empfangene Ez.Slo Bus/RS485 Antworten werden in RS232 Antworten umgewandelt und an den Host (PC) geschickt.

4.2.2.1.1  Ez.Slo-Bus Beschreibung >Ez.Slo_Bus_12c16.pdf<  

4.2.2.2.2  System-Controller  

4.2.2.2  Six Temperatur Module  

Sechs Temperatur Fühler (TSIC®306) sind an das Six Temperatur Module angeschlossen.  Die Temperatur-Messungen werden erst über ein Kommando gestartet. Nach einer kurzen Wartezeit können die Messwerte einmalig abgefragt werden.  Die genaue Kommunikation zwischen Host und dem Six Temperatur Module sind im entsprechenden Programm-Teil >main.c< definiert.

4.2.2.3  Power Switch Modul  

Mit dem Power Switch Modul können zwei 230 VAC (max. 1 Amp) Verbraucher über entsprechende Ez.Slo-Bus Kommandos einzeln ein- bzw. ausgeschaltet und deren Status abgefragt werden.  Die genaue Kommunikation zwischen Host und der Power Switch sind im entsprechenden Programm-Teil >main.c< definiert.

4.2.2.4  Pump Controller Modul  

Die Förderleistung der ECM-Pumpe (Grundfos® Alpha-2® 25-60) kann über das Pump Controller Modul mittels entsprechender Ez.Slo-Bus Kommandos in 44 Stufen eingestellt und der Status abgefragt werden.  Die genaue Kommunikation zwischen Host und dem Pump Controller sind im entsprechenden Programm-Teil >main.c< definiert.

4.2.2.4.1  Pumpenansteuerung  

4.2.2.4.2  Pumpen-Interface  

4.2.2.5  System Ventilantrieb SVA-201

Der Ventilantrieb wird auf einem Heizkörperventil montiert. Mittels entsprechender Ez.Slo-Bus Kommandos kann das Ventil geöffnet bzw. geschlossen und der Status abgefragt werden.  Zwischen der Position „Auf“ und „Zu“ liegen 600 Takte; theoretisch könnte bei jedem Takt angehalten und somit der Durchfluss im Heizungskreis eingestellt werden.  Die genaue Kommunikation zwischen Host und dem System Ventilantrieb sind im entsprechenden Programm-Teil >main.c< definiert.

4.2.2.6 Kugel-Ventilantrieb

Der Kugel-Ventilantrieb wird auf dem Kugelventil über der Pumpe in primären Heizungskreis montiert. Mittels entsprechender Ez.Slo-Bus Kommandos kann das Ventil geöffnet bzw. geschlossen und der Status abgefragt werden.  Zwischen der Position „Auf“ und „Zu“ liegen 150 Zähler zu je 9 Takte; 9 Takte entsprechen einer halben Umdrehung der Gewindestange. Bei jedem Zähler kann angehalten und somit der Durchfluss im Primärkreis eingestellt werden.  Die genaue Kommunikation zwischen Host und dem System Ventilantrieb sind im entsprechenden Programm-Teil >main.c< definiert.

5 Erfahrungsbericht -

Stand: Dez. 2014:

Das beschriebene Heizungssystem wurde im August 2014 fertiggestellt. Alles funktioniert - nur die Wärmefalle NICHT !!! Dies bedeutet, dass sich das heiße Wasser im aufgefüllte Pufferspeicher durch den Heizungswärmetauscher gravitiations-bedingt fließt und abkühlt.  Da zum eventuellen Pumpenaustausch vor und nach der Pumpe je ein Kugelventil eingebaut wurde, kann die "Entladung" des Pufferspeichers nur gestoppt werden in dem eines dieser Ventile zugedreht wird.

Diese  "Lösung" funktioniert aber nur wenn die Heizung nicht in Betrieb ist. Für den Heizungs-Betrieb wurde ein System-Antrieb entwickelt, der das Ventil, gesteuert über den Ez.Slo-Bus, in kleinen Schritten (0,4 mm) je nach Bedarf öffnet und schließt. (Siehe oben 4.2.2.6 und 4.1.7)

Stand: Feb. 2015:

Nachdem die Hardware von 4.1.7 und die Software von 4.2.2.6 installiert wurden, wird die Innentemperatur des Hauses in Abhängigkeit der Außentemperatur eingestellt.

Stand: März 2015:

Die neueste Visual Basic Software wurde als RAR-Version veröffentlicht.

Neue Version von 4.1.4.1.1 und 4.1.4.1.2 Power Switch

Stand: April 2015:

Neue Version von Power Switch Software in 4.2.2.3

Stand: 15. Juni 2016:

Selten sind wasserführende, geschlossene Systeme 100 %tig dicht.  Undichtigheiten können so klein sein, dass das auslaufende Wasser genau so schnell verdunsted, wie es ausläuft.  Solche Leckagen werden dann erst bemerkt, wenn der Druck im System abgefallen ist.  Bleibt der Druckverlust längere Zeit unbemerkt, wird es in einer Solaranlage, in der Solarflüssigkeit mehrere Meter Höhenunterschied gepumpt werden muss, dazu führen, dass Luft in das System eindringt und es zu einem Stillstand des Durchflusses und einer Überhitzung des Solarflüssigkeit kommt.  Um den Systemdruck leichter zu überwachen, wird ein System-Manometer entwickelt, der vom Controller regelmäßig abgefragt und das Messergebnis am Display angezeigt werden kann. Bei Abschluß der Entwicklung wird der Bericht in einem eigenen Link veröffenticht und später - in einem Update - in dieser Bauanleitung eingebunden.

Stand: 29. Juni 2016:

Der oben erwähnte Bericht über einen Manometer mit Systemanschluß wurde heute veröffentlicht:
siehe Veröffentlichungen/Manometer mit Systemanschluß

6 Eine letzte Anmerkung:

Bei Fragen wenden Sie sich bitte schriftlich via E-mail >mowastengr@aol.com< an den Autor Walter Straub.