Freitag, 12. Februar 2021

Smarte Heizung 2.0

Ich habe mal wieder unsere Heizung optimiert. Die Corona-Pandemie und die damit verbundenen Home-Office Tage, haben den Wochenplan der Heizkörperthermostate mit Komfort- und Absenktemperatur zunichtegemacht. Noch dazu habe ich nach weiteren Einsparungsmöglichkeiten des Brennstoffes gesucht, um die zusätzlichen Verluste der permanenten Anwesenheit zu kompensieren. 

Wer meinen alten Bericht kennt, dem wird aufgefallen sein, dass ich die Visualisierung etwas aufgepeppt habe. So wurde das alte Raspberry Pi  7 Zoll Display durch ein Fire HD 8 Tablet ersetzt. Das hat zum einen eine höhere Auflösung hat und zum anderen kann der Fully-Kisok-Browser installiert werden, welcher sich via IoBroker steuern lässt. Somit kann man zwischen den einzelnen Visualisierungen umschalten, den Akkustand abfragen, das Display aus- und einschalten, und und und.  Aber dass nur so nebenbei.


Was hat sich geändert?

  • Bis zur letzten Saison hatte die Fritzbox die Steuerung der Heizkörperthermostate übernommen. Da aber, wie bereits in der Einleitung beschrieben, die Pandemie unsere An- und Abwesenheit unberechenbar gemacht hat, war der hinterlegte Wochenplan der Thermostate nicht mehr praxistauglich. Darum habe ich die Steuerung der Raumtemperaturen dem IoBroker überlassen, welche in Abhängigkeit der Anwesenheit die Zimmertemperaturen steuert. 


  • Weiters werden die Thermostate komplett "AUS"-gestellt, wenn die Solltemperatur reduziert wird. Das spart zusätzlich Energie, da mit dieser Methode die "Regelsteilheit" des Thermostats angehoben wird. Erst wenn sich die Ist-Temperatur der Soll-Temperatur wieder annähert, wird auf den automatischen Betrieb umgeschaltet. 

  • Ich messe die Leistung der Heizungspumpe, welche das Heizungswasser für die Radiatoren umwälzt. Als zusätzliche Einsparungsmaßnahme kann diese auch, vor allem in der Nacht, abgeschaltet werden. Das spart zusätzliche Standby-Verluste, wenn die  Heizkörper keine Energie benötigen.
Fürs bessere Verständnis hier der Bericht zu meiner Heizung.

Kurzfassung: Ich heize mit einem sehr einfachen Holzvergaserkessel, welchen 1600l Pufferspeicher beigestellt sind. Da ich alles an der Heizung selbst gebaut habe, weiß ich wie diese funktioniert und kann daher auch relativ leicht Änderungen vornehmen. Das hilft vielleicht beim Lesen des Artikels 😀


Anwesenheitssteuerung

In gewisser Art und weiße habe ich eine Geofencing Funktion hinzugefügt. Wie beim Beitrag vom Türschloss erklärt, lässt sich die Anwesenheit von Android Telefonen relativ leicht via TR-064 Adapter im IoBroker realisieren. Dieser benötigt allerdings ca. 10 Minuten, um ein Telefon als Abwesend zu  erklären. Darum bin ich auf den Ping-Adapter ausgewichen, welcher nach einstellbarer Zeit das Telefon "anpingt". Somit lassen sich auch Zeiten kleiner 30sek realisieren. 
Bei den IPhone's muss man auf den Cloud-Dienst IFTTT zurückgreifen, um mitzubekommen, wenn das Haus verlassen wird. Datenschutz Ade.
Eine Anleitung dazu findet ihr hier.

Die Steuerung selbst erledigt man dann am besten mit einem Blockly Skript. Bevor man beginnt, sollte man jedoch auf den aktuellen Fritz-Dect Adapter updaten. Ab Version 2.0.0 werden nämlich die Geräte neu angelegt und die alten Objekte können gelöscht werden. 

Und hier das Skript:
Der Vorteil dieser Steuerung besteht darin, dass tagsüber eine andere Absenk-Temperatur gewählt werden kann, als dies nachts der Fall ist. So senke ich tagsüber nur um 2°C  und nachts um 4°C ab. Das ginge allein mit der Fritzbox nicht. Die Aufheizzeit des Raumes verkürzt sich mit dieser Methode auch auf etwa die Hälfte (30min). 
In diesem Beitrag hatte ich ja geschrieben, dass Geofencing aufgrund der langen Aufheizzeiten nicht komfortabel ist. Mit dieser Methode funktioniert das aber recht gut, auch wenn bei nur 2°C Reduktion die Einsparung nicht so hoch sein wird.


Thermostatventile sperren

Die Regelcharakteristik elektronischer Heizkörperthermostate ist jener der herkömmlichen gasgefüllten Thermostaten nachempfunden. Das bedeutet aber auch, dass diese etwa 2 Grad Unterschied  (Soll zu Ist) benötigen um ganz geschlossen oder geöffnet zu sein. Was bei einer konstanten Temperatur problemlos funktioniert, kann bei der Nachtabsenkung ein Hindernis sein. Die Räume kühlten nie ganz auf die Absenktemperatur ab, sondern pendelten sich bei etwa 1 bis 1,5Grad über Soll ein.  Um dem entgegenzuwirken, stellt ein Skript das Thermostat auf "AUS" bzw. schließt es damit komplett, bis sich die Raumtemperatur auf 0,5° der vorgegebenen Temperatur angenähert hat. 
Meine Empfehlung: In der Fritzbox sollte der Zeitplan komplett deaktiviert werden, da diese ab und zu aktualisierte Temperaturen zum Thermostat schreibt und damit den Modus ändert und die Regelung unwirksam macht. Das war bei mir nicht ständig aber ab und zu der Fall. 
Dadurch ist es aber auch notwendig die Nachtabsenkung ins Blockly zu übernehmen, was mit dem Zeittrigger auch problemlos funktioniert. Der Nachteil ist natürlich, dass sich der Wochenplan jetzt nicht mehr so komfortabel über die Web-Oberfläche der Fritzbox ändern lässt. Jedoch ändert man die Zeiten der Nachtabsenkung ohnehin eher selten bis gar nicht und tagsüber setzt die Anwesenheitssteuerung die Temperaturen sowieso automatisch. 
Bonus: Man kann auch die Feiertage implementieren. Urlaubs- und Sommermodus werden nach wie vor von der Fritzbox gesteuert. In diesem Fall (16°C) wird das Thermostat nicht abgeschaltet, da bei Aktivierung des Urlaubsmodus das Skript deaktiviert wird. Somit könnte es passieren, dass das Thermostat im Urlaubsmodus auf "AUS" steht und beim Erreichen von 16°C nicht mehr in den Auto-Modus geschaltet werden kann (deaktiviertes Skript ...). Das sind so kleine Feinheiten, auf die man im Laufe der Zeit draufkommt, wenn man in der Fritzbox den Ski-Urlaub des Vorjahres noch gespeichert hat 😉.
Man kann dieses Spiel auch in die andere Richtung spielen, wenn man zum Aufheizen den MAX-Modus aktiviert. Das macht aber wirklich nur bei großen Räumen, Sinn, die eine lange Aufheizzeit haben.  

In diesem Betrag hatte ja versprochen, den Taster Fritz!DECT 440 als externen Temperaturfühler für das Heizkörperthermostat  Fritz!DECT 301 zu testen. Das Zusammenspiel funktioniert echt problemlos. Wenn der Heizkörper verbaut ist, bzw. der Raum sich nach langer Vorheizzeit noch immer kalt anfühlt, ist dieser externe Sensor die optimale Lösung. Ich werde mir definitiv noch weitere anschaffen!
Die Temperatur des Tasters ist auch im DECT-Adapter im Iobroker verfügbar (unter dem Taster wie auch am Thermostat, mit dem es gekoppelt ist).
 


Heizungspumpe

Ursprünglich hat mich nur interessiert, wie viel Energie (heißes Wasser) durch unsere Heizkörper fließt. Sowas lässt sich aber nicht so leicht messen. Allerdings kann man bei modernen Pumpen von der aufgenommenen elektrischen Leistung auf die Durchflussmenge rückschließen.

Mit der Grundfos Alpha 2 ist die Bestimmung der Durchflussmenge durchaus möglich.
Quelle: Grundfos

Diese Pumpen können in verschiedenen Betriebspunkten arbeiten. Am besten sind allerdings die CPx Modis (Constant Preasure), welche auf konstanten Differenzdruck zwischen Ein- und Ausgang regeln. In diesen Betriebspunkt sollte dann auch die aufgenommene elektrische Leistung direkt proportional der Durchflussmenge sein. Lt. der Pumpenkennlinie im Datenblatt stimmt das zwar nicht ganz, theoretisch müsste das aber so sein. 
Ich betreibe meine Pumpe im CP1 Mode, da ich mit den anderen Modis einfach nicht warm geworden bin - und das im wahrsten Sinne des Wortes. Der selbstlernende "Auto Mode" hat bei -15°C Außentemperatur generell nur mit 4Watt an der Pumpe gedreht, was deutlich zu wenig war und die hintersten Zimmer nicht mal ansatzweise mit Wärme versorgt hat. Die PP-Modes waren da schon etwas besser, allerdings auch noch nicht das Gelbe vom Ei. Technisch, wie auch physikalisch, ist der konstante Differenzdruck der beste Mode, was sich auch in der Realität bemerkbar macht. 
Selbst wenn ein hydraulischer Abgleich gemacht ist, kann hier die Pumpe im falschen Mode alles ruinieren. Denn wirklich Sinn ergibt der hydraulische Abgleich nur mit konstanten Druckverhältnissen. Da verhält sich die Hydraulik genauso wie der elektrische Strom mit dem ohmschen Gesetz...

Die elektrische Leistung zu messen stellt keine Schwierigkeit dar. Ein einfacher smarter Zwischenstecker mit Verbrauchsmessung kann das übernehmen. Da allerdings die Leistungsaufnahme mit maximal 25W eher gering ist, sollte der Zwischenstecker schon sehr genau messen können. 
Der DECT 200 von AVM hat sich hier in den letzten Jahren als klarer Sieger durchgesetzt, was Grundgenauigkeit ab Werk betrifft. Darum würde ich diesen auch für diese Messung empfehlen, wenn man eine halbwegs respektable Genauigkeit erhalten möchte. 
Tja, und wenn man nun schon eine Schaltmöglichkeit hat, dann könnte man ja die Pumpe auch abschalten, wenn diese nicht benötigt wird, oder? Und genau das mache ich auch. 

Mit permanent laufender Pumpe hatte ich in der Nacht stets etwa 15% vom Puffervolumes verbraucht, obwohl keine Energie benötigt wurde (Verluste an den Leitungen im Keller, ....). Schaltet sich die Pumpe aber automatisch je nach Energiebedarf an und ab, entleert sich der Pufferspeicher in der Nacht nur mehr um 5 bis 7% . Bei milden Außentemperaturen steht die Pumpe sogar die ganze Nacht und die Verluste gehen gegen 0.

Die erste Grafik zeigt ein Diagramm, indem die Pumpe auch die ganze Nacht durchläuft.
Die türkise Linie zeigt die Durchflussmenge des Heizungswassers durch die Heizkörper in % an. Die rote Linie gibt, ebenfalls in %, den Füllgrad des Pufferspeichers wieder. Die Pufferladung sinkt um 15%.

Beim nächsten Bild ist die Nachtabschaltung der Pumpe aktiv.
Kurz vor 22:00 Uhr wird die Pumpe abgeschaltet und das Puffervolumen bleibt annähernd konstant, bis sie wieder eingeschaltet wird. Danach verliert der Puffer nur mehr 5% seiner Ladung bis 5 Uhr, wo die Nachtabsenkung endet.  

Übrigens wird die Pumpe auch bei Außentemperaturen großer 18°C ausgeschaltet, was zusätzlich Energie in der Überganszeit spart. 



Pufferspeicher voll

Ab und zu kommt es vor, dass der Pufferspeicher komplett vollgeladen wird, sodass am Rücklauf des Speichers Temperaturen von 80°C und mehr auftreten. Das sollte man mit den Heizintervallen vermeiden und nur dann einheizen, wenn der Speicher auch leer ist. Ganz verhindern kann man es aber nie, vor allem wenn der Kessel vor der Nachtabschaltung beheizt wird und die komplette Energie der Pufferspeicher aufnehmen muss. 
Kommt dieser Fall trotzdem mal vor, so steigt bei laufendem Kessel die Rücklauf-Temperatur an und die soeben gewonnene Wärme geht zum Teil durch den Kamin raus ins Freie.  Das gilt es daher zu vermeiden.

Kessel mit integrierter Heizkreisregelung versuchen in diesem Fall die überschüssige Wärme in den Räumen zu verteilen, was bei analogen Thermostaten wahrscheinlich eher schlecht funktioniert, wenn plötzlich die Vorlauftemperatur erhöht wird. 

In meinem Fall kann (und will) ich die Vorlauftemperatur für die Heizkörper nicht beeinflussen - ich kann aber die Pumpe, sofern ausgeschaltet, einschalten und die gesetzte Raumtemperatur erhöhen. 

Hier ein Diagramm, was passiert, wenn keine Regelung eingreift:
Grüne Linie: Kessel Vorlauf °C
Weiße Linie: Kessel Rücklauf °C
Rote Linie: Pufferladung %
Um etwa 3 bis 3:15Uhr wird der Pufferspeicher (rot) komplett voll und die Rücklauftemperatur beginnt auf über 80°C zu steigen. Es wird zwar noch Energie in den Puffer geladen, aber ein Teil geht schon zum Kamin raus. Erst um 5Uhr, als die Nachtabschaltung endet und Energie gezogen wird, sinkt die Rücklauftemperatur auf ein erträgliches Niveau. 

Im nächsten Bild die gleiche Situation, nur mit zusätzlichem Skript.

Bei 98% Pufferladung wird die Heizkreispumpe aktiviert und als die Rücklauftemperatur zu steigen beginnt, werden auch die Heizkörperthermostate auf  Komforttemperatur geschaltet. Erst wenn 94% unterschritten wird,  kehrt das System in den normalen Modus zurück (etwa 2:15 Uhr). 

Zum Abschluss das Blockly

Das wars zur Version 2.0 - Ich arbeite bereits an 3.0 😃



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