Solar Compleet Reloaded: Bericht über die Umrüstung einer Anlage auf einen neuen Regler

 

Hintergrund und Motivation

 

Fast 10 Jahre ist unsere "Solar Compleet" von Sonnenkraft nun in Betrieb und hat die meiste Zeit befriedigend gearbeitet. Aber eben nicht besser. Mit dem Original-Regler war nicht mehr herauszuholen und eine neue Wärmepumpe kam nicht infrage. Also blieb nur die Möglichkeit, den Regler zu ersetzen.

 

Sonnenkraft hat sich aus dem Geschäft mit Wärmepumpen zurückgezogen, es gibt also keine Weiterentwicklung mehr.

Möglicherweise ist der Regler (basierend auf Danfoss) auch technisch am Limit. Die Kritikpunkte waren:

Die Heizkurve kann nicht fein genug eingestellt werden, Sprünge von 3° sind für eine Niedertemperaturheizung zu grob.

Bei der Warmwasser-Bereitung kommt es im Sommer gelegentlich zu zu starken Anstiegen der Vorlauftemperatur, gefolgt von einem Notstopp des Kompressors. Es nkommt zu großen Über- und Unterschwingern, die manchmal sogar dazu führen, dass die Zusatzheizung aktiviert wird. Der Regler ist mit der Dynamik überfordert

In mehreren Situationen zeigt sich, dass der Regler zu träge ist, was zu einem unruhigen Verhalten und ständigem hin- und her laufen der Mischer führt.

In bestimmten Betriebsarten wird die Regelung der Heizkreispumpe deaktiviert, sie läuft dann mit konstanter Leistung.

Manchmal scheint der Regler "zu vergessen", dass er die Vorlauftemperatur im Heizkreis nachregeln muss und so läuft die Heizung mit einer zu niedrigen Temperatur, bis die Wärmepumpe anspringt, obwohl noch Wärme im Speicher vorhanden wäre.

Der Regler kann nicht erkennen, wenn im Heizkreis kein Wärmebedarf besteht und lässt die Pumpe unnötig laufen.

Die Reglerparameter sind fest programmiert und können nicht für das System angepasst werden.

 

Ich habe mich deshalb entschieden, den vorhandenen durch einen frei programmierbaren Regler zu ersetzen. Meine Wahl fiel auf die UVR16x2 mit abgesetztem Display von Technische Alternative, da diese über je 16 Ein- und Ausgänge verfügt. Ja, man braucht tatsächlich so viele und selbst diese reichen nichht aus. Daher kamen noch vier Erweiterungsmodule für den sog. DL-Bus hinzu. Die Anlage hat 14 Temperaturfühler (den Enteisungsfühler habe ich weggelassen), 2 Durchflussgeber, 6 Anschlüsse für 230V, 2x 2 Mischeranschlüsse für 24V )Auf/Zu), 4 Steuerleitungen mit 0-10V für die Pumpen und das Vierwegeventil, 2 Schaltausgänge für die Ansteuerung von Relais für die Zusatzheizung. Dazu kommen, wenn man sie einzeln betrachtet, 8 Meldeeingänge für die Systemüberwachung (Pressostate, Motorschutz, Pumpen). Der im Schaltplan vorgesehene Strömungswächter im Solekreis ist hier nicht vorhanden. Neu hinzu kommen ein Eingang, über den die Heizkreisregelung ihren Bedarf anmeldet, und ein Ausgang, mit dem dem Heizkreis mitgeteilt wird, wenn die Außentemperatur einen bestimmten Wert überschritten hat oder wenn solarer Überschuss vorhanden ist. Zur Erklärung: Wenn der Speicher eine Mindesttemperaturerreicht hat und der Kollektor Wärmeliefert, können einzelne Räume etwas mehr beheizt werden. Der Fussboden wird so als zusätzlicher Speicher genutzt. Das kommt vor allem im Frühjahr und im Herbst vor.

Um die Melder zusammen zu fassen, die 24V-Mischer anzusteuern und die Relais der Zusatzheizung unterzubringen, habe ich eine Interface-Leiterplatte entworfen.

 

 

Der Universelle Frei Programmierbare Regler

 

Die offene Anlage

Die UVR ist, eigentlich provisorisch, aber wahrscheinlich nun auf Dauer, auf dem Schaltschrank angebracht. Die Unterbringung im
Schaltschrank erwies sich aufgrund der Platzverhältnisse als unpraktisch. In der Tür wollte ich sie nicht montieren, weil sie zu einen recht tief in den Schrank hinein ragen würde und zum anderen die ganzen Sensorkabel dort hin geführt werden müssten. Dafür dind die Erweiterungsmodule und die Interface-Platine in der Tür untergebracht, wo zuvor die Sonnenkraft-Elektronik beheimatet war.

Die Verdrahtung habe ich zum Teil geändert, einen guten Teil aber übernommen, was den Umbau der Hardware deutlich erleichtert. Die Meldekontakte habe ich von 230V auf 24V AC umgestellt. Die NTC-Temperaturfühler habe ich gegen T1000-Sensoren ausgetauscht (mit temperaturbeständigen Silikon-Leitungen). Der Kollektorfühler auf dem Dach war bereits ein PT1000.

 

Das Display der UVR ist relativ klein (ungefähr Smartphone-Größe), so dass das Ablesen von werten und vor allem das Ändern etwas mühselig ist. Ich habe den Regler deshalb mit einem C.M.I. (Command and Monitoring Interface) erweitert. Das CMI ist über einen CAN-Bus mit dem Regler verbunden und über LAN/Powerline an das Heimnetz angeschlossen. Das Netz war wegen der PV-Anlage ohnehin notwendig geworden. Damit können aktuelle Betriebsdaten bequem am PC angesehen werden und auch Programm-Updates sind darüber möglich. Das Interessanteste ist aber, dass mit dem Interface nun Mess- und Funktionswerte geloggt werden können. So kann man genau sehen, was der Regler macht und die Parameter oder die Programmierung danach optimieren.

 

 

 

 

Die Technik

 

Die UVR16x2 verfügt über 16 Eingänge. Davon werden 14 für die Temperaturfühler verwendet. Den Enteisungsfühler habe ich weggelassen, denn normalerweise liefert er die gleiche Temperatur wie der Außensensor. Bei Bedarf kann er reaktiviert werden, die Leitung existiert noch.Am  Eingang 15 ist der Impulsgeber des Durchflussgebers hinter der Ladepumpe angeschlossen. Da der regler eine Wärmemengenzähler-Funktion besitzt, wird der bisherige externe Zähler nicht mehr benötigt. der 16. Eingang ist als Reserve derzeit frei.

 

Auf der anderen Seite gibt es 11 Relais-Ausgänge. Davon ist aber nur eines potentialfrei, die anderen sind an die 230V-Versorgung angeschlossen. 5 Ausgänge sind rein elektronisch und können z. B. PWM oder 0-10V-Spannungen ausgeben. Für die Ansteuerung der Zusatzheizung und der Mischer (24V AC) sind also Hilfsrelais erforderlich. Diese habe ich auf einer Interface-Platine untergebracht.

Die Anschlüsse für den Softstart des Kompressors, den Ventilator der Außeneinheit (2x) und die Versorgung der Pumpen gehen direkt an die 230V-Relais.

 

Vier der Niederspannungsausgänge sind zu zwei Ausgangspaaren für die beiden Mischer zusammengefasst (Auf/Zu), die dann 0V oder 10V ausgeben. Da diese relativ häufig geschaltet werden, habe ich dafür auf der Interface-Platine vier kleine elektronische Relais mit einer Schutzbeschaltung vorgesehen. Die 24V AC kommen wie bisher vom Trafo im Schaltschrank.

Die verbleibenden Ausgänge sind ungenutzt.

 

Die Pumpen und das Vierwegeventil werden durch eines der Erweiterungsmodule mit 0-10V Steuersignalen versorgt. In unserem Fall ist es so, dass der Regelbereich Pumpenelektronik (WILO stratos Para) 3V ... 10V beträgt, 1V wird als Stoppsignal interpretiert und 0V als Kabelbruch. Es ist gut möglich, dass in anderen Anlagen andere Typen verbaut sind, hier weicht auch das Handbuch ab. Das Vierwegeventil (ESBE ARA 639) ist auf einen Arbeitsbereich von 2V ... 10V eingestellt. Dabei ist 2V für Heizbetrieb, 5,7V für Regenerieren und 10V für Warmwasser definiert.

 

Ein zweites Modul mit Analogausgängen stellt die Steuersignale für die Zusatzheizung bereit. Die relais werden paarweise durch
einen Transistor geschaltet, die Versorgung kommt vom Regler. Es sind auch 230V-Hilsrelais oder Schütze denkbar, die im Schaltschrank untergebracht werden und durch die freien Reglerausgänge geschaltet werden könnten. Mir hat diese Lösung besser gefallen.

Anordnung in der Schaltschranktür

Ein weiterer Analogausgang liefert eine Spannung als Statusanzeige an den Heizkreisregler. Dabei handelt es sich um einen Digisol von ESL (gibt es schon lange nicht mehr), der seit 1997 installiert ist und seit 2007 mit einer mod

erneren Prozessorplatine zuverlässig seinen Dienst tut.

Die Interface-Platine versorgt über einen 5V-Regler den Strömungs- und den Drucksensor in Solarkreis. Deren Signale werden von einem dritten Modul verarbeitet. Die Temperaturwerte der beiden Sensoren nutze ich nicht aus, die Fühler an den Solarleitungen sind dafür besser geeignet. Dieses Modul bekommt auch ein Heizstopp-Signal vom Heizkreisregler, wenn der keinen Heizbedarf sieht. Dann wird die Heizkreisregelung abgeschaltet, was bisher nicht möglich war.

Die Meldeleitungen der systemüberwachung werden ebenfalls auf der Interfaceplatine zusammengefasst und aufbereitet. Es handelt sich hier um potenzialfreie Schalter, die normalerweise geschlossen sind und im Fehlerfall öffnen. Hier gibt es mehrere Möglichkeiten: Alles 8 oder 9 Melder einzeln auswerten, alle Signale zu einem allgemeinen verodern und ggf. auf dem Interface mit LEDs den betroffenen Eingang anzeigen oder als Kompromiss den auslösenden Eingang signalisieren. Im ersten Fall bräuchte man zwei Module mit analogen oder digitalen Eingängen, im zweiten Fall würde ein Eingang genügen. Ich habe mich für den Kompromiss entschieden. Neun mögliche Meldeeingänge werden durch einen encoder zu vier digitalen Signalen zusammengefasst. Ein Modul mit digitalen Eingängen zeigt dann die nummer des auslösenden Eingangs an. wenn zwei fehler gleichzeitig auftreten, wird nur der mit der höheren Priorität angezeigt, aber das ist bisher noch nie vorgekommen.

 

 

Die Programmierung

 

Die UVR16x2 habe ich mit dem Programm TAPPS2 von TA programmiert. Das ist sicher der beste Weg und erlaubt, in gewissen Grenzen, auch eine Simulation und Überprüfung der Funktionen. Im Prinzip ist die Programmierung recht einfach: benötigte Funktionen auswählen, untereinander und mit den Ein- und Ausgängen verbinden, Parameter setzen und fertig. Theoretisch jedenfalls. Im Falle der Solar Compleet ist es leider etwas komplizierter. Die Funktionen sind nicht alle klar getrennt, so teilen sich z. B. Heizen, regenerieren und Warmwasser eine Pumpe und einen Mischer. Foöglich braucht man je nach Betriebsart jeweils andere Parameter. Nicht immer können mehrere Funktionen mit dem selben Schalt- oder Analogausgang verbunden werden. Die Wärmepumpe geht direkt auf den Heizkreis, der Heizbedarf wird beim Original über eine Integralfunktion des Reglers ermittelt. Die UVR kennt eine solche Funktion nicht, also muss hier etwas getrickst werden. Und dann gilt es noch, die richtigen Reglereinstellungen zu finden. Für die PID-Regler sind Werte von 0 bis 1000 zugelassen, in der Pracis landet man bei Werten kleiner 5. Das zeigt, dass die Einstellungen nicht ganz einfach werden. Bis die optimalen werte ermittelt sind, wird es noch ein paar Wochen dauern, aber bisher habe ich schon den Eindruck, dass der neue Regler deutlich besser arbeitet als der alte.

 

 

Enthaltene FunktionenCompleet mit neuem Display

 

Heizkreisregelung

Warmwasserbereitung

Solarkreisregelung

Solekreisregelung

Solar Boost

Abtauen

Regenerieren

Steuerung der Zusatzheizung

Steuerung des Ventilators der Außeneinheit

Zusätzlich: Heizstoppsignal und Heizstatussignal