Die Heizungssteuerung in Verbindung mit einem Kaminofen.
Dieses ist zumindest für mich der wohl einfachste Teil des Projekts......
Bevor ich auf die Steuerung selbst eingehe, noch ein paar Vorbemerkungen:
Ein Steuer- und Regelsystem für eine Heizung zu bauen bzw. zu programmieren ist nicht sonderlich schwer. Will man aber auch sogenannte "Wohlfühltemperaturen" erreichen, wird die Sache schon etwas aufwendiger.
Dazu ein kleines Beispiel:
Wenn der Sommer so langsam geht und er Herbst kommt, fallen logischer Weise auch die Temperaturen. Ein "normales" Thermostat schaltet die Heizung bei einem bestimmten Wert ein, und bei einem bestimmten Wert wieder aus. Genauso verhalten sich auch Heizungsysteme, die über Außenfühler geführt werden. Die Wärmeabstrahlung der Innenwände, die gefühlten Temperaturen werden dabei nicht berücksichtigt, wie auch. Auch wenn noch die "Sommerwärme" in uns steckt, die Heizung interessiert sich nur für die tatsächlichen gemessenen Temperaturen.
Zum Frühlingsbeginn, wenn die ersten Sonnenstrahlen zu sehen sind, "werkelt" die Heizung nach dem gleichen Muster weiter. Aber keine Berücksichtigung der "gefühlten" Temperaturen.
Dieses war Anlass für mich, eine Heizungssteuerung zu entwickeln, die auch solche "Empfindungen" berücksichtigt. Auf dem freien Markt habe ich so ein System nicht gefunden. Jedoch habe ich viele Berichte gelesen, in denen die Enttäuschung über allzu vollmundige Versprechen der Heizung- und Regelungshersteller zum Ausdruck kam.......
In den meisten Fällen existiert bereits eine komfortable Heizungssteuerung. In diese vorhandenen Steuerungen einen Kaminofen einzubinden wird nicht ganz einfach oder ist gar unmöglich. In den wenigsten Fällen existieren Schaltpläne, fast ausschließlich sind Steuercomputer im Einsatz, das Regelverhalten ist teilweise von Aussentemperaturgesteuerten Fühlern abhängig, weitere Temperaturfühler für einen Kaminofen lassen sich kaum anschließen.
Die vorhandenen Steuerungen sind teilweise so unterschiedlich, daß es sehr schwierig ist, Schaltungsbeispiele und Hinweise zu geben. So kann sich der glücklich schätzen, dessen Heizung "nur" über ein Raumthermostat geregelt wird.
Diesen Viessmann-Gasbrenner gilt es zu steueren. Keine Steuer- und Regelelektronik !
Nur ein Temperaturbegrenzer. Selbst der zweite Schalter von links für Sommer/Winterbetrieb ist nur Attrappe.
Hinter dem Panel liegen die Anschlüsse für Brenner EIN/AUS, Pumpe usw.
Dieses Brenner wurde bis 1999 ausschließlich über ein Raumthermostat gesteuert !
Der Gasbrenner besitzt eine Pilotflamme. Um ihn "anzuwerfen" wird nur ein elektrisches Gasventil geöffnet.
Die Pumpe wurde früher mit dem Öffnen des Gasventils eingeschaltet, diese muss aber nun getrennt angesteuert werden !
Der Temperaturbegrenzer steht auf 70 °C um auch die Warmwasseraufbereitung auf ca. diesen Wert nachheizen zu können.
Wer in diese Steuerungen eingreifen will, muß eigendlich "nur" diese Anschlüsse, die in der Regel über Relais gesteuert werden, herauszufinden. Wenn der Kaminofen brennt und ausreichend Energie abgeben kann, muß der Gas- bzw. Oelbrenner abgeschaltet werden, die Pumpe muss allerdings weiter arbeiten. Falls es nicht möglich ist, die Pumpe getrennt ein- und auszuschalten, muss eine weitere Pumpe in den Kaminofenkreislauf einbauen. Bei der Pumpe ist auch darauf zu achten, das sie regelbar ist. Die Pumpe sollte (die meisten Pumpen können das) in der Drehzahl bzw. Pumpenleistung regelbar sein. Die Drehzahlregelung wird aber von der Steuerung vorgenommen, die Pumpe selbst sollte aber dafür ausgelegt sein.
Optimal ist es, wenn der Brenner und die Pumpe über potentialfreie Kontakte (Relais) angesteuert werden können.
Das hier beschriebene Steuer- und Regelsystem wurde auf einem PC realisiert. Ein richtig ausgelegter PC arbeitet über viele Jahre hinweg ohne irgendwelche Probleme, man muss nur die entsprechende Hardware einsetzten. Die Heizungssteuerung stellt nur einen kleine Teil eines gesamten Steuerungssystems dar, welches ausschließlich per Software realisiert wurde. Außer Steuer- und Regelaufgaben übernimmt der PC natürlich auch die Speicherung der Wärme bzw. Statistikdaten. Im 5-Minuten-Takt werden alle Temperaturwerte aufgezeichnet. So ist es möglich, entsprechende Auswertungen durchzuführen und natürlich auch Schwachstellen in Regelsystem zu entdecken.
Um die ganze Sache möglichst einfach zu halten, werde ich hier nur die Heizungssteuerung eingehen, das gesamte System wird etwas später unter Haussteuerung beschrieben.
Vorhanden ist eine Zentralheizung mit Viessman Gasbrenner, eine zentrale Warmwasseraufbereitung und eine Solaranlage. In dieses System wurde jetzt noch der Kaminofen eingebunden. Die Steuerung wird nachfolgend beschrieben.
Bevor die Steuerung selbst beschrieben wird, muß die Funktion der Umwälzpumpe in Verbindung mit dem
Kaminofen geklärt werden. Die Pumpe ist ein sehr wichtiges Element in einem solchen System !
In einem zentralen Heizungssystem fördert die Pumpe das Wasser von Brenner zu den Heizkörpern.
Wird das Wasser zu heiß, schaltet der Brenner und die Pumpe ab. Ist die Temperatur zu niedrig, springt der
Brenner wieder an und die Pumpe beginnt zu fördern. In den meisten Fällen lassen sich an der Pumpe selbst
Drehzahl bzw. Förderleistung in 2 bis 3 Stufen einstellen.
Bei einem Kaminofen ist das aber anders. Der Ofen kann nicht wie ein Brenner ein- bzw ausgeschaltet werden.
Es gibt über einen langen Zeitraum seine Wärme ab. Hier muss über die Pumpe, am besten drehzahlgeregelt,
die Wärme abgeführt werden um eine gleichmäßige Temperatur in Ofennähe zu erreichen und um die Energie
in den Heizungskreislauf einzubringen.
Die Pumpe ist damit für eigendliche Temperaturregelung zuständig !
Ein Kaminofen ohne eine "vernünftige" Pumpensteuerung kann nicht richtig arbeiten ! Der Ofen wird zu heiß, oder wird nicht richtig warm. Aber auch die unerwünschten Temperaturschwankungen machen sich bemerkbar, wenn die Pumpe "nur" ein- bzw. ausgeschaltet wird.
Ohne drehzahlgeregelte Pumpe ist kein vernünftiger Betrieb des Kaminofens möglich !
Welche Informationen benötigt die Steuerung ?
Es werden Temperaturfühler an folgenden Stellen benötigt:
- - Heizungsvorlauf
- - Heizungsrücklauf
- - Vorlauf Kaminofen
- - Außentemperatur
- - Innentemperatur (evtl. mehrere Fühler an verschiedenen Stellen im Haus)
- - Heizungsrücklauf
- - Heizbrenner EIN/AUS
- - Pumpendrehzahl
- - 3-Wege-Ventil für die Kesselnachheizung der Warmwasserversorgung
- - 3-Wege-Ventil für Umschaltung auf den Kaminofen
- - Pumpendrehzahl
Wie bereits erwähnt, wird alles über eine Software gesteuert. Dieses erlaub jederzeit Änderungen und Verbesserungen in das System einzubringen. Eine reine Hardwarelösung habe ich schon aus diesem Grunde ausgeschlossen. Aber ganz ohne Hardware geht es nicht. Die Temperaturwerte der PT 1000-Fühler müssen dem PC zugänglich gemacht werden, Steuersignale des PC´s müssen die Ventile, den Brenner und die Pumpe(n) schalten bzw. regeln.
Das linke Bild zeigt das Foto einen Temperaturfühler vom Typ PT 1000.
Es handelt sich um einen temperaturabhängigen Widerstand mit einer sehr guten Linearität und einer
hohen Genauigkeit. leider sind diese Messfühler nicht sehr billig. Je nach Ausführung liegen
diese zwischen 12,-- und 20,-- Euro.
Es kann jeder PT 1000 eingesetzt werden, aber Anschlußkabel und Bauform sollten den Anforderungen entsprechen.
Der PC bekommt seine Informationen über die paralelle Schnittstelle, über die gleiche Schnittstelle gibt er seine Steuer und Regelbefehle auch aus.
Wie dieses schaltungstechnisch realisiert wird, werde ich später einmal an anderer Stelle beschreiben.
Auf dem linken Bild ist die Schnittstelle zu sehen, über die der PC mit der "Außenwelt" kommuniziert.
Die obere Euro-Platine zeigt den A/D-Wandler mit 8 Messkanälen, dahinter liegt der D/A-Wandler.
Die untere doppelte Euro-Platine die Relais für die Steuerbefehle.
Alles wird über eine parallele Schnittstelle (Druckeranschluß) gesteuert. 40 Ein- und 40 Ausgabe-Schaltkanäle
für Brenner, Licht, Rollos, Taster usw. werden über die Relais gesteuert.
Bis zu 8 Temperaturwerte können mit 12 Bit-Auflösung erfasst werden, die Pumpensteuerung erfolgt mit 8-Bit-Auflösung.
Sollte das System mal ausfallen, schaltet sich automatisch ein Raumthermostat zu.
Diese Steuerung dient aber nicht nur zur Heizungregelung, sondern als Steuerung für das gesamte Haus
einschließlich Sprachausgabe und Fernbedienung per Telefon .
Die Messwerte aller Temperaturfühler werden erst nach einer Mittelwertbildung verarbeitet. So können Temperaturschwankungen bei offenem Fenster oder durch Zugluft kompensiert werden. Eine ganze Menge Parameter steuern dann die Heizung.....
Außerdem wird jetzt noch die Luftfeuchtigkeit berücksichtigt. Es ist so tatsächlich möglich, eine sogenannte "Wohlfühltemperatur" zu erreichen (sagt meine Frau)
Die Parameterkurve besteht aus 5 Knickpunkten. Abhängig von der Außentemperatur lässt sich so die gewünschte Vorlauftemperatur des Gasbrenners einstellen. Die Schnittspunkte in magneta stellen die errechneten Vorlaufwerte in Abhängigkeit der Außen- und Innentemperatur dar, die gelben Schnittpunkte die "Wohlfühltemperatur" unter Berücksichtigung der Innentemperatur und der gemessenen Luftfeuchtigkeit.
Es existieren 4 Heizkurven:
- - für die Sommerzeit
- - für die Winterzeit
- - für die Ferien
- - für die Abwesendheit
- - für die Winterzeit
So wird eine fast gleichmäßige Ofentemperatur erreicht, die Zeit der "Bullenhitze" ist vorbei !
Ein weiterer Wert legt fest, ob auch noch die Kesselnachheizung für die zentrale Warmwasserversorgung über den Kaminofen erfolgen kann. Immer wenn ausreichend Energie geliefert wird und der Warmwasserspeicher unterhalb des vorgegebenen Delta-t Wertes liegt, wird auch versucht, die Wärme des Ofens für die Warmwasseraufbereitung zu nutzen.
Dieses ist auch so eine Art Sicherheitsregelung. Sollte der Ofen wirklich einmal so heiß werden, daß die Werte in der Zentralheizung und im Wohnzimmer, in den der Ofen steht, ausreichend sind, wird die überschüssige Energie in den Warmwasserspeicher "geschickt".
Ein weiterer Parameter "ED-Kesselnachheizung in %" beseitigt eine "nervige Eingenart". Immer wenn der Wasserbehälter aufgeheizt wurde, wurde die gesamte Energie in die Kesselnacheizung "geschickt", die Heizkörper wurden für die Dauer der Nachheizung nicht versorgt. Im Sommer kein Problem, im Winter wurde das Haus innerhalb vom 15 bis 20 Minuten merkbar kälter. Nun wird mit dem ED-Wert (Einschaltdauer Kesselnachheizung) festgelegt, wie lange die Nachheizung, bezogen auf 5 Minuten, betrieben wird. bei einem ED-Wert von 60 % wird 3 Minuten der Kessel und 2 Minuten die Heizung versorgt. Hat die Warmwasseraufbereitung ihren Sollwert erreicht, fließt die gesamte Energie wieder in die Heizung (falls nötig)
Über die Zeitsteuerung wird bestimmt, wann, wie und ob die Heizung arbeiten soll. Ein, Aus und Nachtabsenkung sind möglich. Das Raster hat eine 15-Minuten Teilung. So kann ausreichend genau die Kontrolle über die Heizung erfolgen.
Eine Statusbild (hier im Simulationsmodus) zeigt die Zustände der gesamten Anlage.
Zum jetzigen Zeitpunkt habe ich zu wenig Messwerte vom Kaminofen, um diese hier vorzustellen. Bisher gabe es nur einige Testläufe um zu sehen, ob die Regelung auch funktioniert. Sobald ich aber einige Tage Daten aufgezeichnet habe und dann auch die Zeit habe, werde ich die Statistikdaten natürlich auch hier einstellen.
Wie ich mir eine Statistik vorstelle ist auf dem nachfolgenden Bild zu sehen. Die rote Linie zeigt die Kesseltemperatur der zentralen Warmwasserversorgung, magenta die Vorlauftemperatur des Gasbrenners, grün die Raumtemperatur, gelb die Messdaten der Solarzellen, blau die Wassertemperatur, wie sie ins Haus eingespeisst wird und hellblau bzw. türkies die Außentemperatur. Immer für 24 Stunden.
Die Balken rot und magenta die Einschaltdauer der Heizung bzw. Warmwassernachheizung, gelb zeigt die Ertragsdauer der Solarzellen.
Hier die aufbereiteten Daten über einen Monat
Die Daten sind in Essen (Ruhrgebiert) aufgezeichnet worden.
Tja, da brennt er nun.....
Es funktioniert fast alles so, wie ich es mir vorgestellt hatte.
Die Temperatur der Brennkammer und damit die des Wärmetauschers stiegt innerhalb von 15 Minuten auf ca. 60 °C an,
der Tauscher begann bei 42 °C seine Arbeit.
Was mir noch nicht gefällt ist ist die Drehzahlanpassung der Pumpe. Hier muss ich noch etwas experimentieren.
In der Anbrennphase muss die Pumpe etwas langsamer drehen, da der Ofen noch nicht "durchgewährmt" ist.
Jetzt schaltet das 3-Wege-Ventil noch zuoft hin- und her. Das stellt aber kein Problem dar und wird in den
nächsten Tagen durch die Anpassung der Drehzahlkurve noch beseitigt.
Was jetzt noch fehlt, ist eine Steuerung, die dafür sorgt, daß der Ofen auch ohne stehtiges
Nachregeln der "Klappen" lange auf unterster Stufe brennt.
Jede Menge. Es muss nicht sein, daß ein PC zur Steuerung eines Kaminofens eingesetzt wird. Es bestehen auch noch andere Möglichkeiten. Es existieren Temperaturregler (Schalter) auf dem Markt, die durchaus einsetzbar sind. Allerdings ist das immer eine Kostenfrage. Außerdem sind die meisten Regler nicht für die Drehzahlsteuerung einer Pumpe ausgelegt.
Viele Elektronikländen wie Reichelt, Conrad, Pollin usw. bieten hier diverse Komponenten an, um eine "einfache" Steuerung zu bauen. Meine Meinung über solche Baugruppen habe ich aber bereits Anfang dieser Seite geäußert.