Heizungssteuerung HS1
HS1 mit Fotos
Ein
iPhone HS1 Screenshot
Portierung auf Raspberry Pi
Zwei Seelen wohnen, ach, in meiner Brust:
- Ich möchte mich nicht um so eine blöde Heizungssteuerung kümmern.
Die gibt es fertig zu kaufen, Fachleute bauen sie ein. Einbauen, Knopf drücken,
warm, fertig. Einige Leute nennen es auch Heizungsregelung.
- Bei fertigen Lösungen passierte mir, vielen Nachbarn und Freunden aber
bislang häufiger folgendes (Aufzählung nicht vollständig):
- Mal ist das Duschwasser/Warmwasser kalt, dann viel zu heiß.
- Wichtige Familienmitglieder monieren viel zu niedrige ("Ich frier
mir einen Ast ab") oder zu hohe ("Haben wir zuviel Geld?")
Wohnraumtemperaturen.
- Der Brenner springt intermittierend für weniger als eine Minute
an, geht aus, um kurze Zeit später wieder anzugehen.
- Mitten in der Nacht springt der Brenner an und die Pumpen laufen mit
Volldampf.
- Auch mitten in der Nacht wird das Brauchwasser aufgeheizt.
- Der Mischkreisregler ist vollkommen zugefahren. Trotzdem wird kaltes
Wasser durch die Installation gepumpt.
- Trotz programmierter Absenkung wird permanent geheizt.
- Die Frostschutzfunktion ist fehlerhaft.
- Die Steuerung läßt sich nur durch nervige Gummitasten und
Minidisplay programmieren.
- Eine PC Schnittstelle ist zwar vorhanden (und hinreichend trivial),
das PC Interface (wohlgemerkt "nur" Software) kostet allerdings
vergleichbar viel wie das Heizöl für eine Heizperiode, Ausprobieren
nicht vorgesehen (Katze im Sack).
- Die Steuerung verliert die Uhrzeit und heizt unlogisch.
- Die Sommer-/Winterzeitumstellung klappt nicht.
- Die elektrischen Mischer werden nach dem Zufahren permanent versorgt
(belastet den Motor unnötig, verbraucht Strom).
- Die Steuerung wäre in der Lage, die Heizung zu steuern, ist aber
aus einem der folgenden Gründe falsch programmiert :
- Der Installateur ist mit dem Programmieren der Steuerung überfordert
und programmiert "immer warm", bzw. Werkseinstellung.
- Die Nutzer haben keine Lust, sich mit der Programmierung der Heizung
zu beschäftigen.
- Die Programmierung ist nicht sehr gut, bzw. fehlerhaft, beschrieben.
- Die extern zugekaufte (Standard) Steuerung ist von der Kessel-Firma
nicht korrekt an den eigenen Kessel angepaßt worden.
- ...
- Die teuren Sonnenkollektoren schicken über fossile Brennstoffe
erzeugte Wärme in den kalten Weltraum, statt Sonnenwärme zu
nutzen.
- Die Erkennung von defekten Sensoren und anderen Fehlfunktionen (fehlerhafte
Pumpe, defekter Mischer, ...) wird zwar angepriesen, funktioniert in der
Praxis aber nicht. Dies führt zu einer fehlerhaften Regelung, die
man aber leider erst beim nächsten Verbrauchscheck bemerkt.
- Das merkwürdige Verhalten der Heizung läßt sich mit
einer Vertauschung von Vorlauf und Rücklauf während der Installation
erklären.
Energie, Geld und Ressourcen werden vergeudet, weil die Heizungssteuerung einfach
nicht begreift, wie man ein Haus oder eine Wohnung am besten warm bekommt. Aber
auch die beste Steuerung kann nicht das ganze Dorf heizen :
"Mir ist kalt" ... "Vielleicht liegt es daran, daß
das Fenster (die Terassentür) auf ist ?"
Nicht meckern, sondern besser machen ? Meine Selbstbauschwelle ist vor einiger
Zeit (Herbst 2006) überschritten worden. Meine ursprüngliche Steuerung/Regelung
steht nur noch als Reserve bereit, die man mit einem Knopfdruck wieder in Dienst
stellen könnte, so denn meine Lösung schlechter ist, oder ich plötzlich
keine Lust mehr habe, mich mit etwas so Langweiligem wie Heizungssteuerungen
zu beschäftigen. Dabei gibt es noch eine Begriffsverwirrung, ob es denn
eine Steuerung oder eine Regelung ist; open loop, closed loop, warm, oder was
? Wie es heißt, ist ja eigentlich auch egal, Hauptsache es funktioniert.
Hardware : Ein dem Elektronikschrott entrissener sehr robuster '486 Compaq Rechner
mit SSD Laufwerk, 1-Wire Temperatursensoren, Relaiskarte zum Ansteuern der Aktoren
(Brenner, Pumpen, Mischer). Software : Eigenbau.
Und wenn schon, denn schon : Die komplexen Anforderungen, die ein in die Wohnung
integrierter Wintergarten und ein offener Kamin mit sich bringt, werden auch
beherrscht. Das Regelungskonzept ist auch gegen Störgrößen wie
offene Türen und Fenster (s.o.) und wild an den Bedienelementen hantierende
Hausbewohner einigermaßen resistent. Die Regelung kann also deutlich mehr,
als die Zweipunktregelungen für wenige Euro aus dem Baumarkt oder dem Elektronik
Laden. Zaubern allerdings nicht.
Alles funktioniert. Höchste Zeit, die nächste, grüne, Stufe
zu zünden : Linux basierter
embedded Server und mehr Schnick/Schnack
Meine Anforderungen an eine Heizungssteuerung
:
Priortät
1 :
- Transparenz : Ich möchte wissen, in welchem Stadium
sich die Steuerung gerade befindet.
- Diagnostik : Alle wichtigen
Funktionen müßen permanent überprüft werden und bei Fehlfunktionen
muß ein Alarm generiert werden.
- Energiesparen : spart auch
Geld.
- Schöne Raumstation : Eine Raumstation muß designmäßig
die nötige Akzeptanz bei der Hausfrau erlangen <=> hohe WAF Werte (WAF=woman
acceptance factor). Ein iPod Touch oder ein iPhone gibt auch eine sehr schöne
(portable) Raumstation ab. Oder "irgendein" Pocket-PC. Oder ein digitaler
Bilderrahmen.
Technische Anforderungen : - (Muß) WAF >=
7
- (Muß) Temperatur messen (falls iPod, Pocket-PC oder DigiRahmen
-> extra Temperatur-Messstelle),
- (Muß) Temperaturdifferenzwunsch
einstellbar, z.B. +/- 6 Grad,
- (Muß) Einstellschalter für
Sonne (=Dauerheizen), Mond (=Absenkbetrieb), Automatik (=programmgesteuert),
- Warmwasseranzeige
(Symbol an=Wasser warm, Symbol blinkend=Warmwassererbereitung) und -Anforderung
(Knopf),
- Temperaturanzeige (Zimmertemperatur, Außentemperatur),
- Zustandsanzeige
(Sonne, Mond, Feuerung ein, Zimmer wird hochgeheizt, Warmwasserbereitung, Liegestuhl
= Sommerabschaltung),
- Anzeige von Datum und Uhrzeit (deutet auf eine funktionierende
Steuerung hin),
- Experteninfos bei Bedarf (Temperaturen von Kessel, Brauchwasser,
Vorläufen, Rückläufen, Pumpenzustände, etc.),
- Ein
Luftfeuchtemesser (kostet wenige Euro, bringt ergonomische Zusatzinfos).
- Handsteuerung
: Wenn die Steuerung "spinnt", oder etwas nicht kann, muß
man sie einfach per Schalter abkoppeln können. Jeder Heizkreis muß
ohne viel Aufwand per Hand gefahren werden können. Am einfachsten über
Ein-Aus Schalter für die Pumpen und Unterbrechung der elektrischen Mischersteuerung.
- Schornsteinfegertaste
: Diese beneidenswerte Berufsgruppe (immer volle Auftragsbücher, ohne
Konkurrenz) soll mit einem Tastendruck seinen Job erledigen können.
- Warmwasservorrang
: Duschwillige haben Priorität vor warmem Wohnzimmer.
- Warmwasseranforderung
: In Zeiten, in denen kein Warmwasser programmiert ist, soll per Knopfdruck
in Höchstgeschwindigkeit Wasser bereitstehen (Abklemmen der übrigen
Verbraucher). Evtl. redundantes Durchlauferhitzersystem parallelschalten ?
- Heizkreise
und Regelstrategien : rein witterungsgeführt, rein wohnraumabhängig,
gemischt.
- Verschiedene Kreise : direkte Kesselkreise, Mischerkreise,
Warmwasserbereitung.
- Vorlauftemperatur : Minimal und Maximalbegrenzung
: Fußbodenheizungen müßen eine Temperaturbegrenzung nach
oben haben, bei Konvektionsheizungen ist es sinnvoll, eine Vorlauf-Minimaltemperatur
vorzugeben.
- Messstellen : So viele wie möglich und sinnvoll.
- Software
: Quelloffen.
- Pumpen und Mischervorsorge : In Zeiten, in denen nicht geheizt wird,
wird circa einmal pro Tag die Pumpe für ca. eine Minute betätigt
und alle Mischer werden nacheinander auf- und zugefahren. Dies beugt einem
Zusetzen/Festsetzen vor.
- Individuelle Temperaturprofile für alle Heizkreise.
- Gemischtbetrieb
: Fußboden und Radiatorenkreise müssen parallel betrieben werden
können.
- Brenneroptimierung : wählbare Minimalbrennzeiten
sorgen für die sichere Austrocknung des Brennraums und die Verhinderung von
Schornsteinversottung.
- Kesselschutz : Minimaltemperaturen schützen
vor Taupunktkorrosion. Es wird erst angefangen zu heizen (Mischer auf, bzw. Pumpe
des Direktkreises an), wenn die Minimaltemperatur erreicht ist. Die Maximalbegrenzung
verhindert Energieverschwendung und Betätigung der (externen) Kesselschutzfunktion.
- Brennermindestlaufzeiten
: sollten zu besserer Energienutzung führen.
- Sonnenschein
im Wintergarten : heizt sehr gut und soll als Energielieferant erkannt und
eingebunden werden.
- Kaminfeuer sehen nicht nur nett aus, sondern
wärmen auch. Die Wärme muß in die Bilanz eingehen.
- Die
Wärmekapazität und Trägheit der Fußbodenheizung soll
in der ersten Ausbaustufe ausgenutzt werden können. In der zweiten Ausbaustufe
wird sie automatisch bestimmt.
- Legionellen Schutzprogramm für
Brauchwasser (ca. 70 - 80 Grad einmal pro Woche).
- Brauchwasser Zirkulationspumpe
nur zu den üblichen Zapfzeitenn ansteuern.
- Alarmkontakt : Sobald
die Heizungssteuerung nicht mehr richtig "tickt", wird ein Alarmkontakt
betätigt. An diesen Alarmkontakt kann man z.B. eine Klingel oder einen SMS
Versand koppeln. Betätigt wird der Alarmkontakt durch die üblichen Überwachungsmechanismen
: erkannte Brennerstörung, zeitliche und logische Programmlaufüberwachung,
Diagnoseroutinen, und was alles sonst schief gehen kann. Vermeidet den Mecker
wichtiger Familienmitglieder, die ohne Alarmkontakt eventuell erst unter der kalten
Dusche merken, was los ist.
- Eine Echtzeituhr (RTC, Real Time Clock)
mit Batterie- oder Gold-Cap Pufferung sorgt für richtiges Anlaufen nach einem
Stromausfall.
- Steckverbindungen : Standard-Steckprogramm von Wieland
für Brenner ( http://www.wieland-electric.de/
)
Priorität 2 :
- Intuitive
Benutzung.
- Hierarchischer Betrieb : Über elektrisch betätigte
Zonenventile können Regelabschnitte abgetrennt werden. Innerhalb dieser Regelabschnitte
können einzelne Räume getrennt geregelt werden. Entweder über eine
getrennte Regelung (z.B. "intelligente" Raumsteuerungen), oder integriert
in die Heizungssteuerung.
- Protokolle : Alle Aktivitäten der
Steuerung soll in Ringspeichern möglichst lange gespeichert werden, ebenso
alle Parameter (Temperaturen, Mischerstellungen, Kessellaufzeiten, Warmwasseranforderungen,
...).
- Partytaste : schnell warm, ohne viel Programmieren. Evtl.
mehrere Tasten notwendig: Party im Keller, im Kinderzimmer, oder im Wohnzimmer
(oder überall).
- Heizoptimierungen : Am einfachsten zu veranschaulichen
mit der Fragestellung: Soll es bei Zeitpunkt t schon x Grad warm sein (komplexe
Aufgabenstellung), oder soll ab Zeitpunkt t geheizt werden(viel einfacher). Mögliche
Optimierungen sind von vielen Parametern abhängig: Wärmekapazität
des Hauses/Zimmers, Größe des Brenners, Anzahl der zu beheizenden Räume,
Temperaturprofile, mittlere Außentemperatur, Zeitpunkt (Morgens/Abends),
zu überbrückende Temperaturdifferenz. Es gibt auch sehr viele Störgrößen;
einige davon : Lüftung der Räume, zu geringe Kesselleistung, Anzahl
anwesender Personen.
- Display : alle Parameter direkt am Heizkessel
abrufbar.
- Frostschutz : aktiv, wenn wählbare Außentemperatur,
z.B. 4 Grad, unterschritten. Optional, verlangt andere Algorithmen für temperaturüberwachte
Räumen und Radiatorenkreise.
- Pumpenoptimierung:
- Eine
Pumpe darf nicht laufen, wenn nicht geheizt wird.
- Wählbar soll die
Möglichkeit "Frostschutz - Pumpenlauf" vorgesehen werden: Bei Temperaturen
unter Null (bzw. vier) Grad soll - wählbar - die Pumpe laufen, um auch den
Radiatoren die Frostschutz Funktionalität zu ermöglichen. Bei individuell
temperaturüberwachten Räumen macht diese Funktion keinen Sinn: Wenn
im Wohnzimmer 18 Grad ist, braucht auch bei Außentemperaturen unter Null
Grad keine Pumpe Frostschutz fahren.
- Bei mehrstufigen Pumpen die Drehzahl
an die Erfordernisse anpassen.
- Betriebsstunden/Betätigungszähler:
für alle Aggregate : Brenner, Pumpe, Mischer.
Priorität
3 :
- Lüftungsbehandlung : wird erkannt, daß gerade
gelüftet wird (z.B. durch abrupten Temperaturabfall), sollte nicht die Umgebung
geheizt werden. Gute Reaktionen beim Lüften sind ein kurzzeitiges Aussetzen
der Heizung (feste Zeit), oder Weiterheizen bei Erkennung des Lüftungsendes.
- Einfaches
Interface : optimalerweise mit jedem Terminalprogramm zu erledigen.
- Browserinterface
: Alle Parameter leicht zugänglich und zu ändern.
- Zugang
per Internet. Irgendwie ist die Möglichkeit neckisch, von jedem Internetanschluß
unserer schönen Erde aus mal schauen zu können, wie es der Heizung geht.
- E-Mail
bei Problemen : aus naheliegenden Gründen. Ich jedenfalls schaue häufiger
in mein Email Kästchen als in den Heizungskeller.
- Standard Hardware
: Einfach zu reparieren, preiswert zu ersetzen, einfach aufzurüsten.
- Rückfallebene
für preiswerte Standardsteuerung.
- Verbrauchskontrolle : Vergleich
von Vor- und Rücklauftemperatur, um benötigte Wärmemenge abzuschätzen.
- Mehrstufige
Brenner unterstützen.
- Modellbildungen und Simulation :
Modelle für verschiedene Regelalgorithmen entwickeln. Parameter dabei: Größe,
Wärmekapazität, Fußbodenheizung, Radiatorenheizung, Totzeiten
der Elemente, entnommene Wärmemenge, .... Es sollte recht einfach sein, ein
Modell zu entwickeln. Selbst lüftende Hausfrauen sollten modellmäßig
erfaßt werden können.
- Wärmemengenerfassung : Abschätzung,
welcher Heizkreis wieviel Heizleistung benötigt hat.
- Urlaubsschaltung
: Kein Warmwasser und nur Frostschutz während nn Tagen Urlaub. Count-Down
Zähler bis zur Aufnahme des Automatik - Modus. Bis diese Funktion drin ist,
sollte "Nachtabsenkung" und "Brauchwasser aus" dieselbe Funktion
erfüllen.
- Eine DCF Uhr (Atomuhrempfänger) sorgt dafür,
daß die Steuerung weiß, was die Stunde geschlagen hat.
- Eine
Watchdog Schaltung, die dem Mikrocontroller einen Reset spendiert, wenn
er selbst aussteigen sollte.
- Anhand von Druckmessungen und Temperaturmessungen
(Vorlauf/Rücklauf) soll entschieden werden, ob Pumpen laufen müßen.
- Einbeziehung
von Bewegungssensoren zum automatischen Aktivieren von Heizkreisen.
- Der
Kalender sollte Y2K9, bzw. schaltjahrfest sein.
- Lernende Algorithmen
(z.B. werktags duschen um 07.00 Uhr, Samstags baden um 12.00, ...)
Thermostat
/ Heizkörper Ventilsteuerung
Meine Heizkörper - Ventilsteuerungs
Wünsche :
- Manuell übersteuerbar (mit traditionellem Drehknopf)
- Übertragung
der aktuellen Temperaturen (Vorlauf, Rücklauf, Führungswert)
- Bidirektionales
Funk- oder Powerline Interface
Ich habe bislang keine Ventilsteuerungen
gefunden, die diesen Anforderungen entsprechen. Deswegen benutze ich weiterhin
die "traditionellen" Heizkörperthermostate und schalte die Pumpen
für die entsprechenden Heizkreise.
Ich erwarte allerdings, daß
sich auf diesem Gebiet etwas tut. Grund zu dieser Annahme habe ich, weil es zur
Zeit schon diese Produkte gibt :
- Funkheizungssystem zur Temperaturregelung
in Einzelräumen FHS SET1 : Funk - Heizungssteuerung Set inkl. 1 Regler,
ca. 50 Euro
- HONEYWELL HR20E : Rondostat - Zeitgesteuerter Heizkörperregler,
ca. 30 Euro
- HONEYWELL CM57E : Thermostat - Funkgesteuerter Heizkörperregelung,
ca. 250 Euro
Normen, Standards, Busse und Mehr
Niemand wird wohl das Rad neu erfinden wollen und deswegen gerne auf Bewährtes
zurückgreifen wollen. Wer recherchiert, wird auch das eine oder andere finden,
z.B. die deutsche Norm DIN 4701 "Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs
von Gebäuden", ersetzt seit dem 1. Oktober 2004 durch die europaweit gültige
Norm EN 12 831. Diese Norm soll helfen, den Wärmebedarf eines Gebäudes zu
ermitteln.
Zur technischen Beschreibung einer Heizung sind Begriffe wie Aufheizfaktor,
Nachtabsenkung, Heizlast (Menschen, Heizung, Stromnutzung). Auslegungstemperatur,
K-Wert geschaffen worden.
Es ist schwierig, neutrale Fachleute zu finden,
die nicht nur schöne neue Anlagen verkaufen wollen, sondern mithilfe dieser
Begriffe die reale Situation beschreiben, um dann die optimale Lösung aufzuzeigen.
Es werden vielfältige Bemühungen unternommen, die Heizungskomponenten
durch ein Bussystem transparenter und die Komponenten verschiedener Hersteller
austauschbar zu machen. Der eBUS (mittlerweile eingestellt) und das OpenTherm
Projekt sind zwei Initiativen in diesem Zusammenhang.
Auf den Seiten des
Bundes der Energieverbraucher ist sehr
viel nützliches Material zu finden.
Das Ziel ist, aus allen diesen Anforderungen eine schöne Steuerung/Regelung
aufzubauen. Ein erster Prototyp ist seit einigen Jahren in Betrieb.
Mitstreiter
und Mitbauer gesucht !
Es gibt eine kleine Gruppe, die sich damit beschäftigen, fertig gekaufte
Steuerungen zu verstehen und optimal zu parametrieren und eigene Steuerungen
zu entwerfen, zu bauen, zu installieren und zu optimieren.
Was gibt es denn schon fertig ?
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Bechen, 21. März 2016