Solareinheit

Um aktiven Umweltschutz zu betreiben, muss man seinen eigenen Energieverbrauch minimieren. Unser Haus hat eine moderne Gasbrennwerttherme und Solarkollektoren für die Brauchwassererwärmung. Während sich der Gasverbrauch der Therme durch monatliche Ablesung der Gaszählerwerte einfach bestimmen lässt, kann man den Energiegwinn durch die Sonnenkollektoren nicht so einfach ermitteln. Da ich mir ausserdem nicht sicher bin, ob der Installateuer die Heizanlage optimal auf die Sonnenkollektoren abgestimmt hat, entstand der Wunsch nach einer Wärmemengenmessung der Sonnenkollektoren.

Hierfür bietet der Markt eine Reihe von fertigen elektronischen Wärmemessern, welche im Solarkreislauf zwischen Vor- und Rücklauf montiert werden. Leider habe diese Geräte einige Nachteile:

  • Fehlende Einstellmöglichkeit auf unterschiedliche Solarflüssigkeiten (einige Modelle)
  • kein Zeitverlauf der Messwerte abbildbar (Logging fehlt)
  • keine Vergleichsmöglichkeit zur Heizungssteuerung (Brennerlauf etc.)
  • aufwändige Abfrage-Interfaces (M-Bus)
  • kein Volumenimpuls verfügbar. Nur Wärmeimpuls (1kW) abfragbar

Ein intelligenter Wärmemengenmesser ist mit einem Microcontroller wie der C-Control Pro relativ einfach (wenn auch nicht billig) zu realisieren. Vor der Programmierung sollte man sich Gedanken über die zu erfüllenden Aufgaben machen. Mit dem Erfassungsgerät sollen zwei Aufgaben abgedeckt werden:

  • Ein Datenlogger für Heizungs- und Wettermesswerte und Versorgungszähler (Strom, Wasser, Gas)
  • Ein Wärmemengenmesser für den Ertrag der Solarkollektoren

Datenlogger

Ein Datenlogger erfasst zu regelmässigen Zeitpunkten physikalische Messwerte und speichert diese für eine spätere Verwendung ab. Bei den Messwerten handelt es sich um:

  • Temperaturen (Vorlauf, Rücklauf, Außentemperatur,...)
  • Schaltzustände (Brenner ein/aus, Pumpe ein/aus, ...)
  • Spannungen (Außenhelligkeit über LDR, ...)

Da es sich um langsame physikalische Vorgänge handelt, ist für die schnellste Erfassung ein Sample/Sekunde ausreichend. Dabei entstehen im Laufe des Tages hohe Datenmengen, welche ausfallsicher in einem gepufferten RAM zu speichern sind. Mit der ersten Softwareversion werden folgende Sensoren unterstützt:

  • 8 Temperaturen mit 1Wire-Sensoren DS18B20
  • 8 Spannungen 0...5V mit dem ADC der C-Control-PRO
  • 8 Digitale Eingänge 0...5V
  • 8 Digitale Ausgänge zur Signalisierung
  • 4 Digitale Zähler 0-255 für Impulserfassung der Energiezähler

Aktuelle Messwerte:

  • Momentantemperatur in °C Kanal 0-7
  • Min./Max.-Temperatur in °C Kanal 0-7
  • Spannung in Volt Kanal 0-7
  • Digitaleingänge 0-7
  • Zustands-Flags (aus den Messwerten errechnet)
  • Impulszählerstand Kanal 0-3

Die Speicherung im RAM erfolgt bei jeder Abtastung (1...3600 Sekunden).

Parametrierung Datenlogger:

  • Gemeinsame Sensorauflösung 9-12 Bit für DS18B20
  • Kalibrierfaktor pro LSB bei Spannungsmessung 8 Kanäle
  • Schwellwert Spannungsmessung 8 Kanäle
  • Masken zum Ausblenden nicht verwendeter Sensoren (Temperaturen und Spannungen)

 Wärmemengenmesser

Mit dem Wärmemengenmesser wird die vom Solarkollektor erzeugte und an den Warmwasserspeicher übergebene Wärmemenge gemessen. An Messwerten wird benötigt:

  • Vorlauftemperatur Solarstrang Tv
  • Rücklauftemperatur Solarstrang Tr
  • Volumen pro Sekunde der Solarflüssigkeit Vs

Diese Messwerte werden bereits mit dem Datenlogger erfasst und müssen nur noch verrechnet und angezeigt werden. Aus den erfassten Werten werden folgende Werte gespeichert und angezeigt:

Aktuelle Messwerte (im Rechner RAM):

  • Momentantemperatur Vorlauf Solar in °C
  • Momentantemperatur Rücklauf Solar in °C
  • Momentane Wärmeleistung in kW
  • Momentaner Durchfluss in Litern/h

Kumulierte Messwerte aktueller Tag (im Rechner RAM):

  • Minimal-/Maximaltemperatur Vorlauf Solar in °C
  • Minimal-/Maximaltemperatur Rücklauf Solar in °C
  • Minimale/maximale Wärmeleistung in Watt
  • Minimaler/maximaler Durchfluss in Litern/h
  • Wärmemenge in kWh oder MWh
  • Gesamtdurchfluss in Litern bzw. m³

Kumulierte Messwerte der Monate 1...12 (im EEPROM):

  • Minimal-/Maximaltemperatur Vorlauf Solar in °C
  • Minimal-/Maximaltemperatur Rücklauf Solar in °C
  • Minimale/maximale Wärmeleistung in Watt
  • Minimaler/maximaler Durchfluss in Litern/h
  • Wärmemenge in kWh oder MWh
  • Gesamtdurchfluss in Litern bzw. m³

Parametrierung Wärmemengenmessung (EEPROM RTC):

  • Impulswertigkeit Wasserzähler in Liter/Impuls
  • Spezifische Wärmekapazität der Solarflüssigkeit in kJ/(kgK)
  • Dichte der Solarflüssigkeit in kg/l
  • Minimaler Temperaturunterschied für Vor-/Rücklauf, um Messwerterfassung zu starten
  • Minimaler Durchfluss pro Stunde, um die Messwerterfassung zu starten

Zählererfassung

Im November 2010 habe ich mich entschlossen den Solarlogger noch um die Erfassung der im Haus gebräuchlichen Energiemengen zu erweitern:

  • Elektronischer Drehstromzähler mit S0-Schnittstelle
  • Gaszählererfassung mit Reed-Kontakt
  • Wasserzähler mit Impulsausgang

Allgemeine Spezifikationen 

Messwertausgabe:

  • Auf LCD-Display 4Zeilen x 20 Zeichen
  • Ausgabe der Messwerte auf serieller Schnittstelle RS-232 zum Loggen mit dem PC (Verbose Mode)

Sonstiges:

  • Stromversorgung über Netzteil
  • Messwert-Abtastrate von 1...3600 Sekunden einstellbar
  • Überprüfung der Temperatursensoren (vorhanden/defekt)
  • Fehlermeldungen bei Problemen Temperaturmessung
  • Fehlermeldungen bei Problemen mit der Volumenmessung
  • Schwellwertüberwachung der ADC-Spannungen
  • Parametrierung und Steuerung über RS-232-Schnittstellen-Kommandos
  • Statusdarstellung mit LEDs
  • Überwachung Netzspannung (Netzausfall)
  • Überwachung Akkuspannung (Tiefentladungsschutz)
  • Akustische Meldungen über Piepser

Das sind eine ganze Menge Funktionalitäten, welche bei der Programmierung zu berücksichtigen sind. Es handelt sich sicher um kein Anfängerprojekt. Aber jeder kann diesen Wärmemengenmesser nachbauen, wenn er sich an die Hardwareliste hält und die fertige Software von dieser Website herunterlädt!

Nach Festlegung der Funktionen interessierte mich, wie ein industrieller Wärmemengenmesser aufgebaut ist. Ich habe deshalb ein Exemplar der Sensus PolluCom zerlegt und herauszufinden versucht, wie die Funktionen dort realisiert werden. Dies ist Bestandteil eines separaten Artikels.