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[Erfahrungsbericht] Temperaturmessung mit 1-Wire am Schichtspeicher – der Schlüssel für weitgehend solare Autarkie

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SmartMUC
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Temperaturmessung mit 1-Wire am Schichtspeicher – der Schlüssel für weitgehend solare Autarkie

#1

Beitrag von SmartMUC »

Hallo zusammen,

zwei Vorbemerkungen:
1. Dies ist Thread, der bei Interesse Eurerseits über Monate, wenn nicht Jahre weiter wächst, denn die Umsetzung geht in Schritten (und braucht Zeit).
2. Mit dem Timberwolf hat man eine sehr steile Lernkurve. Ich kannte mich weder mit dem TWS, noch 1-Wire/Wiregate aus und Grafana kannte ich nur vom Namen. Vom ersten Einschalten des Timberwolfs vor weniger als 10 Tagen bis heute – davon abendelang 78 1-Wire-Anlegetemperaturfühler verkabelt – und gerade 2 Abende für erste Gehversuche mit den Auswertungen kommen aus meiner Sicht schon beachtliche Ergebnisse / Erkenntnisse heraus.


Eines unserer Hauptziele im SmartHome
So wenig wie möglich Energie aus dem Netz zu beziehen, zu bezahlen und möglichst unabhängig vor Ort selbst zu erzeugen.
Das hilft der Umwelt, denn selbst der 100% Wasserkraft-Stromvertrag führt zu nicht unerheblichen Netzverlusten, wenn woanders Energie erzeugt als verbraucht wird und der Kachelofen ist zwar CO2-neutral, aber nicht emissionsfrei, also eher ein Hobby für die Gemütlichkeit.
Das Ganze aber vernünftig, ohne auf Komfort zu verzichten, denn sonst spielt meine bessere Hälfte nicht mit. Und realistisch müssen wir auch bleiben, 100% Autarkie sind zwar technisch möglich, aber wirtschaftlich mit nicht unerheblichen Investitionen verbunden. Wir wollen mit etwas Verrücktheit und Leidenschaft testen, bis wo wir die Grenze (mit vertretbaren Mitteln) verschieben können.


Temperaturmessung mit 1-Wire am Schichtspeicher – der Schlüssel für weitgehend solare Autarkie?
Klingt auf den ersten Blick dick aufgetragen, aber da ist mehr dran als es scheint und ein ersten Vorgeschmack kommt hier.

Die Kombination der Temperaturmessung mit einem definierten Füllvolumen ergibt nämlich sofort einen Energieinhalt (z.B. in kWh), ohne weitere Messinstrumente. Will ich die Wärmemengen eines Anlagenteils messen, müsste ich anderenfalls die Temperaturspreizung (Vorlauf – Rücklauf) und den Volumenstrom kennen, beispielsweise über einen Impulszähler mit einem KNX-Zählmodul. Das ist schon ein bisschen mehr Aufwand, mal abgesehen davon, dass bei uns noch kein KNX läuft.

Würde in einem Pufferspeicher die Messung an ein oder zwei Stellen reichen, müssen bei einem Schichtspeicher mehr Sensoren eingesetzt werden. Warum? Der große Vorteil eines Schichtspeichers ist, dass er unterschiedliche Temperaturen in unterschiedlichen Schichten speichert. Dies ist bei mehreren Wärmeverbrauchen sehr hilfreich, denn die Trinkwasser-Erwärmung (heute oft über einen Wärmetauscher als Frischwasserstation), die Heizkörper, die Fußbodenheizung und in unserem Fall die Garagenauffahrt-Enteisung für Notfälle benötigen sehr unterschiedliche Temperaturen. Auch die Wärmeerzeuger, insbesondere die Solarthermie durchfährt im Laufe des Jahres ein riesiges Spektrum von lauen 30°C bis über 95°C im Schichtspeicher, primär natürlich noch höher. Ergo kann ich mit einem Sensor nicht auf die gespeicherte Wärmemenge schließen, ich muss die Schichten annähernd abbilden. Einige Recherchen haben bei unserem Schichtspeicher alle 14cm als sinnvolles Maß ergeben, siehe mein anderer 1-Wire-Bericht: 2x40 1-Wire-Sensoren als Linie mit kleinen Sternen / Auflösung & Sendefilter / 1-Wire Auslastungsanzeige


Stellt sich immer noch die Frage, wofür das eigentlich gut sein soll?
Um das o.g. Hauptziel zu erreichen, wird die Sache etwas komplizierter und da kommt oberhalb der operativen Heizungssteuerung, die einen möglichst ausfallsicheren Betrieb über etablierte Regler sicher stellt und für die auch der Heizungsbauer verantwortlich ist, der Timberwolf als „Stratege“ und Prognose-basierte Optimierung ins Spiel.

Basierend auf der Vorhersage der Außentemperatur wird die Anlage einen Wärmebedarf für die nächsten 3 Tage ermitteln, abzüglich der stundengenauen solaren Einstrahlung durch größere Fensterflächen, bei denen raumgenau FBH-Bereiche vorsorglich abgesenkt werden müssen, um eine jetzt schon eintretende Überhitzung von Räumen zu verhindern. Das ganze noch ergänzt mit der Anzahl der Personen, die eine Vorhersage des Warmwasserbedarfs zulässt (z.B. bei Abwesenheit Null).

Das gleiche auf der Erzeugungsseite, wobei es hier weit komplizierter wird. Die Basis ist die stundengenaue Prognose der solaren Einstrahlung sowohl für PV als auch Solarthermie für voraussichtlich 3 Tage. Durch einen Vergleich mit den tatsächlich erzielten Erträgen der vergangenen beiden Wochen gibt sich so – solange sich das Wetter nicht vollkommen ändert – eine sehr gute Vorhersage, wann und wie viel Strom und Wärme erzeugt wird. Bei der Wärme auch, welche Vorlauftemperatur die Solarthermie mit Ausregelung der Primärpumpen (noch) schafft.

Der Vergleich von Wärmeverbrauchsprognose mit der Wärmeerzeugungsprognose über mehrere Tage im Voraus ergibt die optimale Strategie. Schafft die Solarthermie das alleine direkt, ist die Sache einfach. Schafft sie es nicht, muss die Wärmepumpe ran. Neben einer anteiligen Nutzung von PV-Strom kann dabei die Solarthermie quellenseitig unterstützen, den Eisspeicher bzw. die Erdwärmekörbe nacherhitzen, welches den COP (Coefficient of Performance, quasi wieviel kWh Wärme bekomme ich für eine kWh Strom) positiv beeinflusst. Das hängt aber davon ab, wie viele Stunden die Sonne scheint und überhaupt wie es die nächsten Tage aussieht. Ist es heute oder morgen sehr sonnig, danach aber nur noch „trübe Suppe“, kann die Strategie lauten mehr Wärme zu erzeugen und diese im großen Schichtspeicher für viele Tage im Voraus abzulegen. Der verliert nur grob 1,5°C pro Tag und noch ist nicht alles perfekt isoliert, da kommen wir schon viele Tage über die Runden (natürlich auch abhängig vom Verbrauch). Will man jedoch für mehr Tage einspeichern, benötigen wir höhere Temperaturen, damit sinkt aber wieder der COP der Wärmepumpe. Und man ahnt es, hier wird die Sache kompliziert, weil es ökonomisch keinen Sinn macht, mit schlechtem Wirkungsgrad Tage im Voraus zu produzieren, wenn es günstiger bei täglichem Lauf würde. Auch der Hausstromverbrauch und ob voraussichtlich ein Anteil PV-Erzeugung zur Verfügung steht, muss berücksichtigt werden. Auch setzen ein größerer Heizbedarf im tiefsten Winter diesen Tricks Grenzen. Hier gilt es vollautomatisch das ökonomische Optimum zu finden, will man nicht täglich mit dem Taschenrechner vor der Technik stehen. Unter anderem dafür haben wir den Timberwolf, denn SmartHome heißt, sich um solche Sachen nicht selbst zu kümmern.


Konkretes Ziel im 1. Schritt:
• Wieviel kWh sind für jeden Verbraucher gespeichert?
• Wie hoch ist der Verbrauch (kWh) der unterschiedlichen Verbraucher pro Tag?
• Wie hoch ist die Erzeugung (kWh) pro Tag?

Diese Fragen lassen sich alle schon überschlagsweise mit den paar 1-Wire-Sensoren nach wenigen Abenden Zeitinvest beantworten.


Energiemengen der Schichten in Grafana
Die Sache ist mit dem TWS so einfach, alle 1-Wire-Anlegefühler als Grafik anzeigen lassen (dabei aber mit der obersten heißen Schicht beginnen), dann noch in den Grafikeigenschaften auf Stapeln setzen, die Farben noch sinnvoll für warm und kalt einstellen und schon sind wir fast am Ziel. Der Sinn mit den obersten heißen Schichten zu beginnen und diese folglich im Stapel ganz unten zu haben liegt darin, dass diese die „wertvollsten“ – weil heißesten – Schichten sind, an die man möglichst nicht ran geht. Die unterste ist von jedem Verbrauch betroffen und ändert sich entsprechend ständig. Würden die weitgehend gleichbleibenden Schichten im Stapel ganz oben aber immer rauf und runter wandern, würde man kaum erkennen könne, ob diese Schicht kleiner oder größer wird. Gleichzeitig ist es so, dass die heißeste Schicht für Warmwasser, aber auch für die Handtuchheizkörper, aber auch für die Fußbodenheizung und notfalls sogar draußen Eis taut. Umgekehrt bekomme ich mit 30°C Wasser nur noch die FBH und die Enteisung zum Laufen. Man kann also mit dem Cursor von unten in die untersten Schichten gehen, die noch ausreichend Temperatur haben und versteht, welche additiv dort zur Verfügung steht. Für die anspruchslosen Verbraucher der kalten Schichten steht der gesamte Speicherinhalt zur Verfügung unter der Randbedingung, dass dann natürlich morgen früh die Dusche kalt wird ;-)

Eine Nuss musste geknackt werden, um die Temperaturwerte in kWh umzurechnen. Pro Liter und Kelvin sind dies 1,16 Wh, d.h. die Rechnung „Temperatur * Liter der Schicht / 860“ ergibt die kWh gespeicherten Schicht. Das Problem war nur, dass der Bezug 0°C eher unpraktisch ist, realistisch ergibt 20°C ein sinnvolles Bild, weil unter 20°C kann ich im Haus nichts mehr mit der Temperatur anfangen. Der „math“ Befehl in Grafana arbeitet aber richtigerweise mit Punkt vor Strich, erlaubt aber keine Klammern, so ließ sich die Formel „(1-Wire-Temperatur – 20°C) * Liter der Schicht / 860“ nicht umsetzen. Einige Recherche bei den InfluxDB Select-Befehlen haben ergeben, dass sich dies nur in der Befehlszeile selbst umsetzen lässt, dafür klickt man auf den Bleistift rechts oben. Danach darf man aber nicht mehr zurückschalten, sonst ist die händische Formel wieder weg. Das sieht dann so aus:

Bild

Mit ein bisschen Fleißarbeit war dann rund 20 Minuten später der ganze Graph fertig:

Bild

Hier können wir außerordentlich viel ablesen:

Der reine Speicherverlust bei Abwesenheit/Nacht über 16 Stunden von gerade einmal 116,77-115,18 = 1,59 kWh (1,3%):

Bild
Bild

An einem anderen Tag bei Abwesenheit konnte ich ca. 1,5°C Speicherverlust pro Tag direkt an den Temperaturlinien sehen, sehr passabel.

Die Solarthermie brachte am 24.10. immerhin noch 17 kWh und das alles sauber eingeschichtet ohne die hier unten dargestellten heißen Schichten zu zerstören:

Bild

Am 26.10. um 16.00h mussten wir erstmals nach dem Sommerschlaf unsere Wärmepumpe starten. Um den Wärmetauscher des Eisspeichers zu testen haben wir diese bewusst sehr lange und in hohe Temperaturen getrieben. Es wurden 78 kWh geladen. Unsere Wärmepumpe hat HGL-Technik, d.h. einen Hochtemperatur und einen Niedertemperatur-Ausgang. Das erklärt, warum die heißen Zonen etwas schneller als die kalten wachsen, weil direkt vom Start ca. 50°C im Hochtemperatur- und langsam ansteigend >30°C im Niedertemperaturbereich geliefert werden. Wäre dies nicht der Fall, wäre eine gleichmäßige Zunahme aller Temperaturzonen zu erwarten. Dieser hat dann um 20.20h sprunghaft die Hochtemperatur auf fast 74°C erhöht auf Kosten von etwas Leistung im Niedertemperaturbereich, auch das sieht man: Der rote heiße Bereich nimmt zu, im organgenen Mittenbereich flaut es etwas ab.

Bild

Gleichzeitig begann die FBH das leicht ausgekühlte Haus aufzuheizen, durch einfaches Hoovern mit dem Zeiger über die verschiedenen Punkte konnte ich sofort ablesen, wie viele kWh pro Stunde hier weg gehen, das muss nur in Grafana aktiviert werden. Auch schön zu erkennen: Die Wärmeentnahme „frisst“ sich von unten in den Speicher hinein, erst „schmelzen“ die blauen Schichten von unten und dann immer weiter nach oben, denkt daran, die heißen Zonen sind in der Grafik unten. Das zeigt, wie sauber die Entnahme aus der Schichtung erfolgt, die heißen Zonen für Warmwasser bleiben völlig unbeeinträchtigt.

Meine Frau hat viertel vor Sieben als erste geduscht, scheinbar ziemlich ausführlich, 2,5 kWh Wärme. Ich selbst danach sparsamer, 1,2 kWh Wärme.

Die Solarthermie hat aufgrund der mittags herauskommenden Sonne den Speicher aufgeladen. Man erkennt, dass der Verbrauch der FBH „gebremst“ wird, aber auch, dass dies zu lasten höherer Temperaturschichten geht, denn diese verlieren an Wärme, weil deren Temperatur sinkt. Warum? Die Solarpumpe läuft noch ungeregelt und fördert für diese Temperaturen zu viel Wasser mit zu wenig Temperatur. Das bringt zwar immer noch Energie in den Speicher, aber „schaufelt“ wertvolle Energie aus den heißeren Schichten in die Mitte runter. Sehr ungünstig.

Bild

Hand auf’s Herz: Wer hätte das ohne die Schichtmessung bemerkt?
(Wenn man jetzt nicht als Fachmann auf die Pumpe schaut und dort die zu hohe Drehzahl erkennt).

Danach läuft wieder die Wärmepumpe, die ich um 16.30h händisch abgeschaltet habe. Über die nächsten 16 Stunden lief quasi nur die FBH, die beim Aufheizen des Hauses immer noch erheblich Wärme braucht. Ich hätte es noch am Abend an der gedachten Verlängerung der stark fallenden blauen Flanke erkennen können, dass die morgendliche Dusche nicht mehr richtig heiß werden wird, weil dann die FBH sich bis in die warmen Zonen hinein gefressen hat. So war es auch und ich im Bademantel nach lauer Dusche als erstes am Einschalter der Wärmepumpe.

Bild

Die letzte offene der oben genannten Frage war aber, wieviel Energie für einen Verbraucher im Schichtspeicher (auf einem Mindesttemperaturniveau) gespeichert ist. Das geht mit folgender Einstellung, indem die Werte nicht nur um 45°C in diesem Beispiel gesenkt, sondern auch alle niedrigeren Werte ausgefiltert werden. Das ist deshalb wichtig, weil die einfache Subtraktion bei den kälteren Schichten zu negativen Werten führt, die von der heißeren Zone oben quasi abgezogen werden. Daher alles unterhalb 45°C ausfiltern und die verbleibenden Werte um 45° subtrahieren, schließlich noch die Wärmeumrechnung. Die 267 Liter ist das Volumen einer unserer Schichten.

Bild

In voller Größe erkennt man genau, warum am 28.10. die Dusche in Bedrängnis geriet:

Bild

Und auch am 24.10h haben wir dringend Sonne gebraucht, um Warmwasser zur Verfügung zu haben. Zuletzt wird noch etwas deutlich: Das testweise in hohe Temperaturen Hochlaufenlassen der Wärmepumpe hätte rund 20 Duschvorgänge erlaubt. Die jetzige Einstellung mit 7,4 kWh auf über 45°C gerade mal 3 meiner Frau, vielleicht 4-5 von mir. Es ist irrelevant wir wir Duschen oder Heizen, aber es wird deutlich, wie genau man mit dem Speicherinhalt und der Kenntnis eines typischen Verbrauches kalkulieren kann. Und wie diese Werte wieder zurück in die Heizungssteuerung fließen müssen.

Zudem sieht man sämtliche Wärmegewinne (Solar oder WP) und sämtliche Verbraucher nach Wahl minutengenau oder über den ganzen Tag und kann diese einfach über eine Differenz in kWh ablesen. Und auch, wenn dort etwas nicht optimal läuft, genau darum geht es!

Mit 15 1-Wire Sensoren, PBM und Timberwolf. Keine Impulszähler oder aufwändige Messtechnik.

In Grafana ist das Ziel erreicht und für die Fertigstellung der Heizungssteuerung eine sehr wertvolle Hilfe. In vielen Monaten muss das in die Logik-Engine, weil wir ja keine bunte Grafiken anschauen wollen, sondern die oben genannte Optimierung selbstständig über KNX laufen soll.

Schöne Grüße,

Jochen
TWS 2600 ID:571 + PBM ID:906, Server noch offline, VPN noch nicht möglich

gbglace
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#2

Beitrag von gbglace »

Perfekt, endlich mal jemand der das konsequent umsetzt und erklären kann mit welchen guten einfachen Mitteln man seine Heizung optimieren kann. Das Prinzip lässt sich ja auch auf andere Systeme adaptieren.
Grüße
Göran

-- --Timberwolf 2600 Velvet Red-- -- TWS #225 / VPN aktiv / Reboot OK

Sun1453
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#3

Beitrag von Sun1453 »

Hallo Jochen,

großen Respekt für deinen langen und detailierten Bericht.
Gruß Michael

Timberwolf 950 QL #344 | Mit Internetanbindung | VPN Offen | Reboot nach Absprache | PROD Server
Timberwolf 2500 #602 | VPN zu | TEST Server

tiagra
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#4

Beitrag von tiagra »

Hallo Jochen,

Dein definiertes Ziel scheint sich mit dem unseren zu decken daher ist dein Ansatz sehr interessant für mich. Wir haben uns für eine Luftwärmepumpe entschieden, weil ich das gesparte Geld für die Tiefenbohrung direkt in den ohnehin gewollten Kamin stecken konnte. Weil die Luftwärmepumpe logischerweise im Winter immer ineffizienter wird, habe ich entgegen aller Unkenrufe zugunsten eines wasserführenden Kamins entschieden. Angesichts von 100% honeoffice und Holzfeuerbegeisterung stellt sich nun am Ende die Frage: Was bringt das wirklich oder anders: Haben alle recht oder ist das wirklich ein sinnvoll konfigurierbare Konzept?

Mein erster Ansatz war, dass ich im Verteiler schon mal einen eigenen Modbus-Zähler (Eastron) vor die WP geplant haben. Da weiß ich also schon mal was da reingeht. Solar weiß ich auch, Überschuss etc. ebenso (Summenzähler auch verbaut).

Jetzt die Sache mit dem Kamin: Eigentlich würde ich gerne den Kaminanteil auch einzeln rauskriegen, aber ich finde auf Gedeih und Verderb keine sinnvollen Sensoren für den Volumenstrom. 1-Wire wäre natürlich nett, aber KNX wäre am Ende auch ok. Ich habe vorsorglich ein grünes Kabel zum Kamin gelegt, wobei die Messung ja eigentlich direkt am Speichereingang sinnvoller wäre? Die zwei Temperaturen sind simpel, bleibt nur der Volumenstrom.

Wir haben ein Nibe Vvm500, das Ding ist ziemlich verbaut, da kann ich mit 15 Sensoren definitiv erst ran, wenn das alles offizielll funktioniert und übergeben wurde, sonst kriegen wir Ärger mit der Gewährleistung. Einen Impulsgeber für Volumenstrom o.ä. klingt dagegen noch machbar, bis jetzt wurde das Gerät nicht installiert und ich könnte so ein Ding einfach dem Installateur in die Hand drücken :)

Und jetzt kommst du mit der Idee... Ich muss nachdenken 🤔

Danke

Martin
TWS 3500M #780

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SmartMUC
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#5

Beitrag von SmartMUC »

Hallo Martin,

ich glaube das gesamtheitliche Konzept ist entscheidend und wie die einzelnen Elemente dort sinnvoll zusammen wirken, ich würde das nicht pauschal beantworten.

Natürlich kann ein wasserführender Kaminofen oder sogar Kachelofen (höherer Wirkungsgrad, höherer Wasseranteil bezüglich der Heizleistung) mit seinen vergleichsweise hohen Temperaturen sehr gut jede Wärmepumpe ergänzen, die sich unabhängig von der Quellenart mit zunehmender Spreizung (Differenz Nutztemperatur versus Quellentemperatur) schwer tut und im Praxisbetrieb dann niedrige Wirkungsgrade erreicht. Das hängt natürlich auch vom Wohnort ab, wie lange und wie kalt die Winter sind, am Alpenrand ist die Kalkulation eine andere als in Seenähe wie Hamburg.

Gerade bei Neubauten mit hoher Wärmedämmung muss dann unbedingt die Größe des Aufstellraumes berücksichtigt werden, soll der Kamin- oder Ofenbetrieb nicht in einer Sauna enden. Das ist ein Vorteil der Kachelöfen (ob jetzt mit echten Kacheln oder in moderner Optik, mit Speichermasse innen, außen Keramik und verputzt), denn sie speichern Wärme über längeren Zeitraum und beugen der schnellen Überhitzung des Raumes vor, aber sie brauchen mehr Platz als ein kleiner Kamin, der viel Leistung/Hitze direkt über die Scheibe abgibt. Ferner hat hier Wasser den Vorteil, dass ein Anteil der Wärme in die Zentralheizung geht und nicht den Aufstellraum überhitzt, in unserem Fall eines wasserführenden Ofens (auch mit großer Sichtscheibe, aber eben kleiner als beim Kamin) können deutlich mehr als 50% ins Wasser abgegeben werden. Damit das aber funktioniert, muss ein ausreichend großer Schichtspeicher vorhanden sein.

Soweit ich Internet sehen konnte, ist in der Nibe VVM500 ein 500 Liter Pufferspeicher nur für Brauchwasser integriert. Das halte ich für einen wasserführenden Kamin/Ofen zu klein, üblicherweise haben Pufferspeicher 1000-2000 Liter aufwärts, dann als Schichtspeicher für FBH (Fußbodenheizung) und Warmwasser. Um 50kWh Wärme aufnehmen zu können, werden etwa 1000 Liter Pufferspeicher benötigt, aber es sollte größer dimensioniert werden, denn wenn der Kamin brennt, muss die Wärme des Wassers abgeführt werden, sonst greift eine Notkühlung, das ist keine Option. Und diese Geräte geben immer einen Mindestanteil ins Wasser ab, d.h. ist der Speicher voll heißem Wasser, dürfte der Kamin nicht genutzt werden (ohne Strom übrigens auch nicht). Das beißt sich aus meiner Sicht mit einem kleinen Brauchwasserspeicher, der tendenziell zur Vorhaltung immer zu hohen Graden „geladen“ / aufgewärmt ist. Sonst wäre eine spontane Dusche der gesamten Familie nach einem durchnässten / kalten Ausflug draußen kaum möglich.

Da der hydraulische Anschluss des Kamins an die Zentralheizung einschließlich Pumpengruppe, Rücklaufanhebung und Sicherheitsarmaturen nebst Regelung auch Kosten verursacht, müsste schon ein nennenswerter Wärmeanteil des Hauses von dem Kamin abgedeckt werden können, damit sich der Aufwand lohnt. Hierfür eignet sich ein großer Schichtspeicher besser, weil er neben der Brauchwassererwärmung auch die FBH als großen, stetigen Verbraucher versorgt und dann auch Räume beheizt, die nicht über die warme Luft des Aufstellraumes direkt erreicht werden. Je nach Ofenleistung, Schichtspeichergröße, Hausgröße, Dämmstandard und Außentemperaturen können 2-3 Abbrände für 1-2 Tage reichen, unter Umständen auch mehr. Die Wärmepumpe würde in ihren „schwierigsten“ Tagen spürbar entlastet.

Bezüglich der Messung würde ich mir vergegenwärtigen, welchen Informationswert die Messung bringt und was sie kosten darf. Unser Heizungsbauer setzt speziell für die Solarthermie zugelassene Impulszähler ein, denn auch im Kaminwasserbetrieb müssen sie hohe Temperaturen aushalten können, trotzdem ist nach 2 Jahren schon einer kaputt, die Solarflüssigkeit tropft heraus, eine Panscherei. Dann zusätzlich die Vor/Rücklauf-Temperaturmessung und der Rest ist Mathematik.

Noch einfacher (wenn auch etwas ungenauer) ist aus meiner Sicht die Messung des elektrischen Stromverbrauchs jeder Pumpe über einen großen mehrkanaligen KNX-Aktor. Die Pumpenkennlinie lässt sich nachschauen und mathematisch abbilden, in Verbindung mit Vorlauf-/Rücklauf-Temperaturmessung kommt man so – wenn auch etwas ungenauer – zum Ziel. Da die meisten wesentlichen Vorgänge dauerhaft oder immer wiederholt vorkommen, kann man über die im Ursprungsartikel beschriebene sehr genaue Messung des Schichtspeichers (die Summe aller Erzeuger & Verbraucher zu einem Zeitpunkt) dazu nutzen, die Einzelverbraucher zu prüfen und falls erforderlich mit Korrekturfaktoren zu belegen. Sollte eine höhere Genauigkeit erforderlich sein, lässt meiner Erfahrung nach die Plausibilisierung über verschiedene Messstellen und/oder Summen und/oder größere Zeiträume hochgenaue Ergebnisse zu. Wenn gewünscht lässt sich diese Korrektur ja sogar noch automatisieren. Vor allem aber vermeidet man die Panscherei beim Wechsel eines Zählers bei Defekt, was man möglicherweise nicht selbst machen will und dann fremd beauftragt noch viel höhere Kosten verursacht. Auch zu bedenken, dass selbst die einfachsten Impulszähler bei großen Volumenströmen mit entsprechenden Rohrquerschnitten sehr teuer werden. Da viele Heizungssteuerungen diese Pumpen direkt ansteuern, haben wir uns über eine Batterie Koppelrelais beholfen, d.h. die Heizungssteuerung geht je Pumpe auf den Steuerkreis eines Koppelrelais, der eigentliche Laststromkreis der Pumpe ist separat gesichert und über einen KNX-Aktor gemessen. Diese Koppelrelais lassen sich von großen Herstellern der Kontaktiertechnik günstig einsetzen und plug & play binnen Sekunden bei Defekt austauschen. Nebenbei hat man auch eine Pumpen-Ausfallüberwachung über die KNX-Ebene, die sofort Warnmeldungen geben kann mit genauer Angabe, welche Pumpe steht.

Aus Erfahrung würde ich alle Temperaturmessungen an Rohren (Rohranlegefühler zusätzlich mit Aluklebeband – Temperaturfestigkeit beachten! - und viel Isolierung drumherum) weit weg von irgendwelchen Geräten, d.h. etwa die Mitte der Rohrstrecke zwischen Pumpengruppen / Wärmetauschern oder sonstigen beeinflussenden Faktoren. Im Betrieb (d.h. bei vorhandenen Medien-Volumenstrom) spielt das kaum eine Rolle, aber im Stillstand messen diese Temperatursensoren dann alles Mögliche durch Erwärmung von Wärmetauschern, Anbauteilen, Pumpen oder aber weil bei großen Rohrquerschnitten allein durch die Thermik heißes Wasser fleißig im abgeschalteten Rohrabschnitt „zirkuliert“, also auch weit weg von vertikalen Rohrstücken. Das führt in der Auswertung sonst zu vielen Fragezeichen und schnell Verwirrung, weil Stillstandszeiten schlecht erkannt werden und man dort dann Phantomeffekte sieht, die man so nicht versteht. Ergo, Messung weit weg vom Kamin und so zugänglich, dass man auch nochmals dran kommt. Die Zugänglichkeit ist bei Öfen/Kaminen schon schwieriger, mal abgesehen vom Hitzeschutz in unmittelbarer Nähe, dort wo ohnehin nur hochtemperaturfeste Kabel verwendet werden dürfen.

15 Sensoren für 500 Liter wären mir weit zu aufwendig, da es aufgrund der sehr kleinen Größe und Angabe im Datenblatt von Nibe wohl nur ein Pufferspeicher ist, dürften maximal 2 Sensoren (oben/unten) genügen. Eine höhere Anzahl macht nur bei einem speziellen Schichtspeicher Sinn, wo sich sehr unterschiedliche Temperaturen in unterschiedlichen Höhen befinden, noch dazu mit signifikanten Volumen.

Schöne Grüße,

Jochen
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StefanW
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#6

Beitrag von StefanW »

Hallo Jochen,

super und vielen Dank, nicht nur für Deinen Beitrag oben, sondern auch für die gute Antwort. Wirklich ein Highlight in diesem Forum.

Es freut uns sehr zu sehen, wie die Möglichkeiten des Timberwolf Servers auch richtig genutzt werden. Eigentlich sollte man darüber mal ein Video drehen, um das interessierten Kreisen näher zu bringen. Ich bin überzeugt, dass man den Wärmeverbrauch vieler Häuser extrem gut optimieren könnte, wenn man nur solche Messungen mit Verstand durchführen würde.

Wäre ein tolles Feld für Energieberater.

lg

Stefan
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tiagra
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#7

Beitrag von tiagra »

Hallo Jochen,
SmartMUC hat geschrieben: Di Jun 07, 2022 6:14 pm 15 Sensoren für 500 Liter wären mir weit zu aufwendig, da es aufgrund der sehr kleinen Größe und Angabe im Datenblatt von Nibe wohl nur ein Pufferspeicher ist, dürften maximal 2 Sensoren (oben/unten) genügen. Eine höhere Anzahl macht nur bei einem speziellen Schichtspeicher Sinn, wo sich sehr unterschiedliche Temperaturen in unterschiedlichen Höhen befinden, noch dazu mit signifikanten Volumen.
Viel mehr Speicher wäre sicher gut, aber der Platz dafür ist erstmal nicht da. Der VVM500 bedient ALLES inkl. FuBo-Heizung und Kamin, sodass ich davon ausgehe Energie direkt vom Kamin in das Haus schieben zu können - Brauchwasser natürlich sowieso. Die verschiedenen Wärmequellen und Verbrauchskreise schon in verschiedenen Höhen angebracht, also irgendwie eine Art Schichtung ergibt sich da zwangsweise... Der Austellraum ist ein kombinierte Wohn/Ess/Küchen-Zimmer, vollständig offen zum Flur/Treppenschacht, laut Datenblatt gehen mehr als 60% der Wärme ins Wasser...

Wenn der Timberwolf über die Daten des Modbus-Zählers verfügt und damit echten Überschuss erkennt, kann man am VVM sogar extern getriggert den Heizstab anschalten und Solarenergie wegspeichern. Modbus spricht diese Nibe leider nur mit einem externen Modul was irgendwie 800 EUR extra kosten soll, da muss der Timberwolf erstmal ohne Daten klarkommen - was mich dann wieder dazu bringt, vielleicht doch selbst zu messen.

Ich beschäftige mich mal noch etwas mit Volumenstromzählern. Wie ich das verstehe gibt es auch komplett geschlossene Varianten die nicht lecken können, hier wird berührungslos die Verwirbelung gemessen...
TWS 3500M #780

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#8

Beitrag von SmartMUC »

Hallo Martin,

mir ist es wichtig, das Beispiel etwas zu verallgemeinern, damit möglichst viele Leser etwas davon haben.

Ich habe mir gerade mal kurz das Hydraulikschema aus der Installationsanleitung der Nibe VVM500 angesehen, für alle kurz für den Hintergrund: Die Nibe VVM500 ist eine Art „all-in-one“ Kompaktgerät, welches mit einer Wärmepumpe (im vorliegenden Fall Luftwärmepumpe) sowie einer solarthermischen Anlage als Wärmeerzeuger kombiniert werden kann. Neben der Regelung ist es im Wesentlichen ein Pufferspeicher, in den zwei Wärmetauscher für die Trinkwassererwärmung sowie die solare Einkopplung eingebaut sind (da in der Solaranlage Frostschutzmittel verwendet werden muss). Der Wärmepumpe nachgeschaltet ist eine Heizpatrone bis zu 9kW, die Vor-/Rücklauf-seitig mittels zwei 3-Wege-Ventilen je nach Betriebszustand an unterschiedliche hohe/warme Speicherbereiche angeschlossen ist. Ausgangsseitig wird ferner über ein 3-Wegeventil die Abmischung der FBH-Vorlauftemperatur vorgenommen.

Ich wäre sehr zurückhaltend bezüglich der Erwartungen an eine Schichtung – Nibe spricht auch nur von einem Pufferspeicher – denn bei so kleinen Speichern wird zwangsläufig das Verhältnis Volumenstrom zu Speichervolumen sehr ungünstig. Mit anderen Worten wird in einem relativ kleinen Gefäß zu viel Wasser rein und raus gepumpt, was einer notwendigen, äußerst beruhigten Einschichtung entgegen steht. Ferner wird der gesamte Volumenstrom der FBH immer über den Speicher geführt, für eine Schichtung vorteilhafter wäre ein Bypass-Mischer außerhalb des Speichers, der nur den zur Wärmeentnahme notwendigen Volumenstrom über den Speicher führt.
Zusätzlich Schicht-zerstörend wirken innen liegende Wärmetauscher für Trinkwassererwärmung und Solarthermie. Ich denke mit 3 Temperaturmessungen oben/Mitte/unten wäre ein gutes Aufwand-/Nutzen-Verhältnis erreicht.

Meine Hauptsorge liegt aber nach wie vor bei der sehr geringen Speichergröße mit dem Wunsch, einen wasserführenden Kamin an das System anzuschließen. Bitte so etwas unbedingt sehr frühzeitig, d.h. im ersten Gespräch weit bevor Produkte ausgewählt werden mit dem Heizungs-Installateur abstimmen, denn dieser muss dafür gerade stehen, dass die gesamte Anlage sicher funktioniert.


Die Problematik liegt im Wesentlichen in zwei Punkten:

1. Der vergleichsweise kleine Pufferspeicher eines Kompaktgerätes dient im Wesentlichen
a) der Vermeidung einer übermäßigen Taktung der Wärmepumpe (ständige Starts & Stopps sind für den Verdichter sehr Lebensdauer-reduzierend)
b) der Vorhaltung für die Warmwasser-Versorgung
Wärmepumpen arbeiten mit sehr niedrigen Spreizungen (ca. 3°C), dafür aber mit viel Volumenstrom (wirkt übrigens auch Schicht-zerstörend). Das bedeutet, ist der Pufferspeicher mal kalt gefahren, benötigen sie je nach Leistung Stunden, bis wieder Trinkwasser-Temperaturen bereitstehen. Da niemand kalt Duschen will, muss der Speicher also ständig auf hohen Temperaturen gehalten werden, um einer spontanen Familiendusche nicht im Weg zu stehen.

Exkurs:
Es gibt einen gewaltigen Unterschied zwischen Wärmepumpen und anderen Wärmeerzeugern wie Gasbrennern oder Pellet-Kesseln: Ist der Pufferspeicher auf 30°C abgekühlt, liefert ein Brenner innerhalb weniger Sekunden 60°C und mehr im Vorlauf, obwohl sein Rücklauf bei 30°C liegt. Das bedeutet nach wenigen Betriebsminuten besteht schon wieder die Möglichkeit, moderate Mengen an Warmwasser zu zapfen.
Eine Wärmepumpe startet und liefert 33°C im Vorlauf bei 30°C im Rücklauf. Dort arbeitet sie sich jetzt je nach Leistung und Speichervolumen stundenlang nach oben.
Bildlich gesprochen steigt man nicht auf direktem Weg senkrecht hoch zum Gipfel, sondern läuft in endlosen Umrundungen um den Berg herum, um dann irgendwann auch mal auf dem Gipfel anzukommen. Das ist natürlich effizienter, nur dauert das lange.
Klar ist, dass über einen sehr langen Zeitraum die Dusche kalt bleibt, weil der ganze Vorgang viel zu lange dauert. Deshalb ist die Vorhaltung so wichtig, weil niemand kalt Duschen möchte.

2. Ein wasserführender Kamin/Ofen ist nicht „abschaltbar“
Wie schon in meiner vorherigen Antwort ausgeführt, muss das heiße Wasser aus dem Wärmetauscher immer abgenommen werden. Ist der Kamin einmal in Gang gesetzt, brennt der gesamte Brennstoff ab, ohne diesen Vorgang (realistisch) stoppen zu können, d.h. die gesamte Wärmemenge des verbrennenden Brennstoffes multipliziert mit dem Wasseranteil muss sicher irgendwo hin.

Diese zwei Punkte „beißen“ sich etwas, einerseits einen jederzeit relativ geladenen (heißen) Speicher und gleichzeitig die Notwendigkeit einen kalten Speicher zu haben, der die gesamte wasserseitige Wärmemenge einer Brennstoffladung des Kamins aufnehmen kann.

Das die „Reserven“ in der vorliegenden Konfiguration eher klein sind, zeigt auch der Hinweis in der Nibe-Installationsanleitung, dass man bei größeren Badewannen einen zusätzlichen Pufferspeicher installieren sollte.

Wenn bei so wenig „Reserve“ etwas schief geht, hat man sofort kochendes Wasser im Kreis, der Exodus jeder Pumpe. Eine Notkühlung über einen Notkühlkreislauf greift, die nicht enthärtetes Trinkwasser durch den Notwärmetauscher des Kamins jagt und dann brühend heiß über längeren Zeitraum über die HT-Abflussrohre in das Abwasser leitet. Nach so einer Aktion ist der Notwärmetauscher völlig verkalkt und wenngleich Abwasserrohre kurzzeitig hohe Temperaturen verkraften, ist das nicht für längeren Zeitraum gedacht. Wichtig ist, dass eine eventuell installierte Enthärtungsanlage NICHT VOR diesem Notkühlkreislauf sitzen darf, denn diese Geräte haben meist einen Wasserstopp bei Leckage, der anderenfalls die Sicherheitseinrichtung des Kamins aushebeln würde.

Ich möchte niemanden Angst machen, nur sollte die Regelung „rock-solid“ zuverlässig und nicht über verschiedene Systeme und Software-Skripte geführt sein.

Ob der Weg, die Wärme direkt in die FBH zu geben, gangbar ist, kann ich nicht beurteilen. Der Kamin wird wasserseitig schnell 5 kW oder mehr Leistung abgeben, die muss man erst mal in der FBH „versenken“ können. Müsste bei modernen Gebäuden mit guter Dämmung ein ziemlich großes Haus sein und alle Heizkreisventile auf, denn sonst werden die Vorlauftemperaturen der FBH zu hoch und der Estrich kann bei Temperatursprüngen reißen/brechen.

Ja, diese berührungslos messenden Volumenstrommessgeräte gibt es, sind meiner Erfahrung nach allerdings relativ teuer, ich habe das aber nie konkret verfolgt. Wenn Du Preise gefunden hast würde mich das sehr interessieren.

Schöne Grüße,

Jochen
TWS 2600 ID:571 + PBM ID:906, Server noch offline, VPN noch nicht möglich
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