solarthermienator.com diploma thesis: remote-monitoring and -maintenance of pumped solar ...
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2. Grundlagen und Begriffe
FACHHOCHSCHUL-DIPLOMSTUDIENGANG ÖKOENERGIETECHNIK WELS
Fernüberwachung und -wartung thermischer Solaranlagen
ALS DIPLOMARBEIT EINGEREICHT
zur Erlangung des akademischen Grades
Diplom-Ingenieur (FH) für technisch wissenschaftliche Berufe
von
Martin Meingassner
September 2010
Betreuung der Diplomarbeit durch:
DI Hannes Zannantoni
I
Fachhochschul-Diplomstudiengang
Ökoenergietechnik Wels
Ich erkläre ehrenwörtlich, dass ich die
vorliegende Arbeit selbstständig und ohne
fremde Hilfe verfasst, andere als die
angegebenen Quellen nicht benutzt, die
den benutzten Quellen entnommenen
Stellen als solche kenntlich gemacht habe
und dass diese Arbeit mit der vom
Begutachter beurteilten Arbeit über-
einstimmt.
Die Arbeit wurde bisher in gleicher oder
ähnlicher Form keiner anderen
Prüfungsbehörde vorgelegt und auch nicht
veröffentlicht.
....................................................................
Martin Meingassner
Bad Häring, September 2010
II
KURZFASSUNG
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fernüberwachung und –wartung
pumpenbetriebener thermischer Solaranlagen und wurde in Zusammenarbeit mit der
Firma TiSUN GmbH erstellt. Hauptmotivation ist die Problematik, dass ein Ausfall
oder Minderertrag einer Solaranlage vom Anlagenbetreiber oft gar nicht bemerkt
wird. Grund dafür ist das vorhandene Nachheizsystem, welches die
Warmwasserbereitung meist automatisch übernimmt.
Um den Aufwand und zusätzliche Kosten für die Fernüberwachung und –wartung in
Grenzen zu halten gilt es, die bereits vorhandene Mess- und Regelungstechnik von
Solaranlagen zu nutzen. Dazu wird der aktuelle Stand an gebräuchlichen
Temperatur-, Durchfluss-, Druck- und Einstrahlungssensoren bei Solaranlagen
untersucht. Der Solarregler ist dabei die zentrale Schnittsstelle für Sensoreingänge,
Betriebsdatenaufzeichnung und die jeweilige Übertragungsart der Daten auf eine
externe Anzeige. Für die Fernwartung ist ein Zugang auf die Einstellungen des
Solarreglers erforderlich.
Zur Schaffung eines praxisnahen Bezuges, werden drei am Markt verfügbare
Solarregler hinsichtlich ihrer Eignung zur Fernüberwachung und –wartung
untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass die Thematik sehr unterschiedlich gelöst
werden kann: von der einfachen Datenaufzeichnung und Übertragung mit
Speicherkarten, über Zusatzmodule mit Webserver und Netzwerkanbindung, bis hin
zur Datenübertragung auf externe Webserver oder digitale W-LAN Bilderrahmen;
Weiters wird auf die Betriebsdatenauswertung von Solaranlagen zur Fehlerdetektion,
Funktionskontrolle und Optimierung eingegangen. Nicht alle Einflussfaktoren werden
digital erfasst, jedoch wird gezeigt, dass bereits wenige Temperaturverläufe zur
groben Funktionsbeschreibung einer Anlage ausreichen. Abschließend wird noch ein
Ausblick auf die weiteren Entwicklungen, der auf dem Markt noch relativ jungen
Lösungen zur Fernüberwachung und –wartung thermischer Solaranlagen, gegeben.
III
ABSTRACT
The present work deals with the remote-monitoring and -maintenance of pumped
solar thermal systems and was created in cooperation with TiSUN GmbH. Main
motivation is the problem that a failure or shortfall of a solar system is often not
noticed by the operator. The reason for this is the existing backup heater, which
takes over the water heating mostly automatically.
To keep the effort and additional costs for remote-monitoring and maintenance within
reasonable limits, the existing measurement- and control-technology of the solar
system has to be used. Therefore the status quo of customary temperature-, flow-,
pressure- and irradiation-sensors in solar systems is described. The solar controller
is the central gateway for sensor inputs, the operating data recording and
transmission of data to an external display. For remote maintenance, access to the
settings of the solar controller is required.
As a practical reference, three on the market available solar controllers are examined
regarding their suitability for remote-monitoring and -maintenance. It turns out that
the subject can be solved very differently: from simple data acquisition and
transmission with memory cards, via additional modules with web servers and
network connectivity, up to the data transfer to external web server or digital picture
W-LAN frames.
Furthermore the data analysis of solar systems for fault detection, control and
function optimization is outlined. Not all influencing factors are recorded digitally,
however it is shown that for only a few temperature profiles are enough for a rough
functional description of a plant. Finally an outlook on future developments of the
relatively new solutions for remote-monitoring and -maintenance of solar thermal
systems is given.
IV
KURZFASSUNG ................................................................................................ II
ABSTRACT ....................................................................................................... III
INHALTSVERZEICHNIS .................................................................................. IV
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ........................................................................ VI
INHALTSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG ............................................................................................... 7
1.1 Problemstellung und Motivation ............................................................... 7
1.1.1 Auftraggeber TiSUN ........................................................................ 7
1.1.2 Defekte und leistungsschwache Solaranlagen ................................ 8
1.2 Zielsetzung ............................................................................................... 13
1.3 Definierung von Systemgrenzen ............................................................ 14
2 GRUNDLAGEN UND BEGRIFFE .............................................................. 15
2.1 Funktionsweise und Bestandteile einer thermischer Solaranlage ...... 15
2.2 Vorhandene Messtechnik bei thermischen Solaranlagen .................... 19
2.2.1 Temperatur .................................................................................... 20
2.2.2 Durchflussmessung und Wärmemengenerfassung ....................... 24
2.2.3 Impulsdurchflussmesser ................................................................ 25
2.2.4 Wirbelzähler zur Durchflussmessung ............................................ 27
2.2.5 Wärmemengenerfassung .............................................................. 29
2.2.6 Druck ............................................................................................. 31
2.2.7 Einstrahlung .................................................................................. 33
2.3 Fernüberwachung und -wartung ............................................................ 34
2.3.1 Messdatenerfassung und Datenlogger .......................................... 36
2.3.2 Fernüberwachung und DFÜ .......................................................... 37
2.3.3 Visualisierung und Auswertung ..................................................... 39
2.3.4 Fernwartung .................................................................................. 40
V
3 PRAKTISCHE LÖSUNGEN ZUR FERNÜBERWACHUNG UND -
WARTUNG ................................................................................................ 42
3.1 TiSUN DUPLEX basic ............................................................................... 43
3.2 RESOL DeltaSol BX ................................................................................. 54
3.3 STECA TR 0603 mc .................................................................................. 61
4 DATENAUSWERTUNG: FUNKTIONSKONTROLLE,
FEHLERDETEKTION UND OPTIMIERUNG ............................................. 69
4.1 Beurteilung und Plausibilitätskontrolle der erfassten Messdaten ....... 70
4.2 Beispiel zur Datenauswertung: Stagnationsminimierung einer
Solaranlage ............................................................................................... 72
4.3 Beispiel zur Datenauswertung: Nachheizungsfehler ............................ 73
5 ERGEBNISSE UND AUSBLICK ................................................................ 77
5.1 Vergleich der untersuchten Solarregler hinsichtlich Fernüberwachung
und -wartung ............................................................................................ 77
5.2 Nutzen der Fernüberwachung und –wartung für die Beteiligten ......... 78
5.3 Ausblick .................................................................................................... 79
5.3.1 Exakte Ertragsbewertung und Funktionskontrolle ......................... 79
5.3.2 Fernüberwachung und -wartung als Dienstleistung ....................... 80
5.3.3 Wetterprognosen und numerische Optimierung ............................ 81
6 ZUSAMMENFASSUNG ............................................................................. 82
7 QUELLENVERZEICHNIS .......................................................................... 84
8 ABBILDUNGSVERZEICHNIS .................................................................... 88
9 ANHANG .................................................................................................... 93
9.1 Wartungsprotokoll für eine thermische Solaranlage ............................ 93
VI
Abkürzungsverzeichnis
F&E Forschung und Entwicklung
WMZ Wärmemengenzähler
MAG Membranausdehnungsgefäß
BAFA Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (DE)
DFÜ Datenfernübertragung
LAN Lokales Netzwerk
Ethernet Technik für ein kabelgebundenes Datennetz
EU Europäische Union
PC Personal Computer
SD-Karte Secure Digital – Speicherkarte
GDS Grundfos Direct Sensors
VFS Vortex Flow Sensor (Grundfos)
RPS Relative Pressure Sensor (Grundfos)
PWM Pulsweitenmodulation
IP Internetprotokoll
RS-232 Standard für eine serielle Schnittstelle
W-LAN drahtloses lokales Netzwerk
IFA Internetfernanzeige
ISFH Institut für Solarenergieforschung in Hameln
IOC Input/Output Control
VDI Verein Deutscher Ingenieure
1. Einleitung
7
1 Einleitung
1.1 Problemstellung und Motivation
1.1.1 Auftraggeber TiSUN
Die TiSUN GmbH ist ein Solarunternehmen, welches sich seit über zwanzig Jahren
auf die Produktion und den Vertrieb thermischer Solaranlagen spezialisiert hat. Mit
Stand 2010 beschäftigt das Unternehmen ca. 120 Mitarbeiten am Hauptsitz in Söll
und hat eine Vielzahl von Vertriebspartnern in mittlerweile 36 Ländern weltweit.
Der Verfasser war bereits in der Ferienzeit des FH-Ökoenergietechnikstudiums bei
TiSUN tätig und ist mittlerweile Vollzeit-Angestellter im Bereich Produktmanagement
und F&E.
TiSUN benötigt benutzerfreundliche Lösungen zur Fernüberwachung und -wartung
thermischer Solaranlagen, welche direkt am Solarregler integriert bzw. erweitert
werden sollen. Gründe für die Fernüberwachung und Fernwartung sind:
• Optimierung thermischer Solaranlagen
• Fehlerdetektion und Störungsbehebung
• Bestandteil von Ausschreibungen
• Kundeninteresse an der Energiegewinnung mit der Solaranlage
• Mögliche Anpassung des Nutzerverhaltens an den Solaranlagenertrag
• Ertragsnachweise für Förderungen
• Ertragsgarantien bei speziellen Vertragsabschlüssen
• Energiebilanzierung für Energie Contracting oder Mehrfamilienhäuser
mit Abrechnung einer Gemeinschaftssolaranlage
Thermische Solaranlagen gibt es mit Kollektorflächen zwischen 2 m² bis mehrere
100 m², wobei das Wärmespeichersystem, die Ausrichtung der Kollektorfelder oder
auch die verwendete Regelungstechnik unterschiedlich ausgeführt werden. Aufgrund
dieser Komplexität und dem unterschiedlichen Preisniveau der Anlagen, ist es nicht
möglich eine Fernüberwachung und Wartungslösung zu erstellen, welche alle zu
erwartenden Fälle in der Solarthermie abdeckt. Hier gilt es angepasste
Fernüberwachungs- und Wartungslösungen für die jeweiligen Anwendungsbereiche
zu finden und zu beschreiben.
1. Einleitung
8
1.1.2 Defekte und leistungsschwache Solaranlagen
Abbildung 1: Eine defekte Solaranlage wird vom Verbraucher nicht bemerkt, die Warmwasserbereitung
übernimmt die Nachheizung [1] (Grafik vom Autor erweitert)
Hauptgründe für Kunden in eine Solaranlage zu investieren sind Kostenersparnisse
bei der Trink- und Heizwassererwärmung, eine unabhängigere Energieversorgung
sowie der Gedanke etwas Gutes für die Umwelt zu tun.
Ist die Solaranlage aber einmal defekt oder bringt nur wenig Leistung, bemerkt dies
der Nutzer nicht sofort, siehe Abbildung 1. Das Nachheizsystem übernimmt dann die
Warmwasserbereitung, was - wenn überhaupt - erst bei der nächsten Heiz- bzw.
Stromkostenrechnung auffällt.
Für den Endverbraucher zählt nur die Energiedienstleistung „Warmes Wasser“. Ob
dieses nun durch Sonnenenergie oder einen Heizkessel erwärmt wurde ist für ihn
nicht spürbar. Somit kann ein Defekt auch über mehrere Jahre unentdeckt bleiben.
Nachheizung €
1. Einleitung
9
Abbildung 2: Zusammenstellung möglicher Störfälle einer Solaranlage, aufgeteilt auf die verschiedenen
Teilbereiche der Anlage [2]
Abbildung 2 zeigt eine Übersicht möglicher Störfälle einer Solaranlage. Bei der
Anlagenüberprüfung durch einen Fachmann steht diesem nur der gegenwärtige
Zustand der Anlage zur Verfügung, welchen er anhand einer Wartungscheckliste
beurteilen kann. Ein Totalausfall der Anlage kann dabei mit hoher Wahrscheinlichkeit
entdeckt werden durch:
• Manuellen Testlauf der Pumpen
• Plausibilitätsprüfung und Platzierung der Temperatursensoren
• Beurteilung des Anlagendrucks
• Sichtkontrolle der Installationen
Der gesamte Umfang eines Wartungsprotokolls ist im Anhang unter Punkt 9.1
ersichtlich.
1. Einleitung
10
Viele Probleme lassen sich aber schwer oder gar nicht über eine Momentan-
betrachtung der Solaranlage lösen. Dazu zählen:
• Fehler/Störungen an der Regelung
• Falsch eingestellte Regelparameter
• Geringe Anlagenleistung
• Falscher Volumenstrom (führt zu schlechtem Regelverhalten)
• Falsche Anlagendimensionierung (zu wenig Solarertrag bzw. zu viel
Stagnation)
• Fehlbedienung der Regelung durch den Anlagenbetreiber oder bei
Wartungsarbeiten
• Geändertes Nutzerverhalten beim Warmwasserverbrauch oder bei der
Heizung
Durch Analyse von Betriebsdatenaufzeichnungen können diese Probleme identifiziert
werden. Hierbei sind alle Betriebsdaten der Solaranlage in einem definiertem
Messintervall tabellarisch festzuhalten. Außerdem ist eine Energiebilanzierung
kontinuierlich durchzuführen.
Bisher gab es dafür nur zwei Möglichkeiten. Zum einen gibt es interessierte
Solaranlagenbetreiber, welche sowohl im privaten als auch im industriellen Bereich
ein schriftliches Protokoll über Temperaturverläufe der Kollektor- und Speicherfühler
führen und diese nach bestem Wissen auf Plausibilität prüfen. Zum anderen besteht
die Möglichkeit Solaranlagen mit separater, komplexer und teils kostenintensiver
Mess- und Datenaufzeichungstechnik aufzurüsten und zu analysieren.
Inzwischen ist dies nicht mehr notwendig. Durch die kontinuierliche
Weiterentwicklung der Solarregler werden diese Funktionalitäten direkt in die
Elektronik integriert und umfassen mittlerweile:
• Temperaturverläufe aller angeschlossenen Sensoren
• Pumpenlaufzeiten mit Drehzahlregelung
• Energiebilanzierung über kostengünstige Durchflussmessgeräte
• Diagrammdarstellung auf Grafikdisplays
• Interne oder Externe Datenspeicher, Speicherkarteneinschübe
1. Einleitung
11
• Aufzeichnung von Anlagenparametern
• Datenauswertung über PC-Software
Diese Daten sind noch immer an den Solarregler gebunden. Als nächsten Schritt gilt
es, diese Daten über Fernüberwachung und -wartung zu nutzen um die Effizienz und
Stabilität von Solaranlagen weiter zu steigern.
Die Notwendigkeit einer Betriebsdatenaufzeichnung und einer Auswertung von
thermischen Solaranlagen ist in den folgenden zitierten Projekterfahrungen
dargestellt:
„Im Programm Solarthermie 2000 (Teilprogramm 2) wurden solche Systeme
detailliert vermessen und untersucht. Dabei wurden an einer Vielzahl von Anlagen
Mängel gefunden, die den Systemertrag stark negativ beeinflussen können. Weiters
wurde festgestellt, dass viele dieser Mängel ohne intensive Vermessung und
zeitaufwändige Auswertung der Messdaten womöglich nie erkannt worden wären.“[2]
„Ähnliche negative Erfahrungen haben wir auch schon in anderen Anlagen gemacht,
jedoch nicht in derart häufiger Form. Wird [sic] plädieren jedoch nicht dazu die Regler
so zu „verkomplizieren“, dass sich niemand an eine Einstellungsänderung
heranwagt, vielmehr unterstreicht diese Erfahrung die Notwendigkeit einer
kontinuierlichen Überwachung.“[3]
„Der garantierte Ertrag wurde erreicht, obwohl noch einzelne Schwachstellen der
Anlage optimiert werden müssen. Diese konnten durch das projektbegleitende
Monitoring und Messprogramm erkannt werden. Die Erfahrungen belegen: Große
Solaranlagen benötigen, auch wenn sie nicht der Forschung dienen, eine
hinreichende Basisausstattung an Messtechnik für die Optimierung und
Betriebskontrolle.“[4]
„Nur durch eine laufende Messdatenauswertung, Betriebskontrolle und
Ertragsüberwachung können dauerhaft hohe Solarerträge erzielt werden. Wenn
überhaupt, werden solche Auswertungen derzeit nur durch geschultes Fachpersonal
1. Einleitung
12
mit hohem zeitlichem und personellem Aufwand durchgeführt. Daher werden
Auswertungen häufig eingespart, Anlagenfehler bleiben lange Zeit unentdeckt.
Dadurch entsteht wirtschaftlicher Schaden, das Vertrauen in Solarfirmen und
allgemein in die Solartechnik sinkt.“[5]
„Als auffallend konnte festgestellt werden, dass Störungen z. T. erhebliche
Ertragseinbußen nach sich zogen, aber häufig nicht zu einem dauerhaften totalen
Systemausfall führten. Dabei sind besonders Störungen, die nur in bestimmten
Betriebszuständen auftreten, ohne (automatisierte) Funktionskontrolle kaum oder gar
nicht detektierbar. Für eine breite Anwendung sollte anstelle des PC-Systems als
Datenlogger (Mess-PC in Abb. 1) eine für das Problem angepasste Lösung gefunden
werden.“[6]
Abbildung 3 zeigt eine Häufigkeitsverteilung von Defekten bei Solaranlagen, welche
über das Zukunftsinvestitionsprogramm (ZIP) erfasst wurden. Wird eine Solaranlage
kontinuierlich überwacht, können Störungen schneller entdeckt und behoben werden.
Abbildung 3: Häufigkeitsverteilung von Defekten bei thermischen Solaranlagen [7]
1. Einleitung
13
1.2 Zielsetzung
Die Zielsetzung ist, Lösungen für die Fernüberwachung und -wartung thermischer
Solaranlagen zu beschreiben und zu analysieren.
Dabei sollten aus Solaranlagen keine Forschungsprojekte mit komplexer,
kostspieliger Messdatenerfassung und Auswertung werden, wie in Abbildung 4 zu
sehen ist. Viel mehr müssen die Lösungen für Solaranlagenbetreiber begreifbar und
leistbar sein. Bis eine Solaranlage installiert ist, sind eine ganze Reihe von Personen
beteiligt. Vom Vertrieb, über Planer und Installateure, Elektriker bis hin zum
Endkunden darf eine Solaranlage nicht durch zu hohe Komplexität oder Kosten
abschrecken. Für die Datenerfassung ist die bereits vorhandene Mess- und
Regelungstechnik der Anlagen zu verwenden.
Die Lösungen müssen für unterschiedliche Solaranlagentypen geeignet sein. Von
der Brauchwasserbereitung, über Kombisysteme mit Heizungsunterstützung und
Großanlagen mit mehreren 100 m² Kollektorfläche sollten die beschriebenen
Lösungen zur Fernüberwachung und -wartung von Nutzen sein.
Abbildung 4: Analyse einer thermischen Solaranlage für Forschungszwecke mit einer kostspieligen und
komplexen Messtechnik - so nicht!
1. Einleitung
14
1.3 Definierung von Systemgrenzen
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit pumpenbetriebenen thermischen
Solaranlagen mit Zwangsumlauf, welche über einen oder mehrere Regelkreise
betrieben werden. Thermosiphon oder drucklose Anlagen werden nicht behandelt.
Das zu erfassende und überwachende System wird durch die in Abbildung 5
ersichtliche Standard Solaranlage dargestellt, wobei je nach verwendetem
Solarregler auch komplexere Systemschemen mit mehreren Kollektorfeldern,
Plattenwärmetauschern und Speichern erfasst werden können.
Abbildung 5: Standard Solaranlage Abgrenzung [1]
2. Grundlagen und Begriffe
15
2 Grundlagen und Begriffe
2.1 Funktionsweise und Bestandteile einer thermischer
Solaranlage
Abbildung 6: Thermische Solaranlage mit Differenztemperaturregelung und Wärmemengenerfassung [8]
(Bezeichnungen vom Autor hinzugefügt)
Thermische Solaranlagen dienen grundsätzlich der Erwärmung von Wasser mittels
Sonnenenergie. Auf den Solarkollektor auftreffende Sonnenstrahlung erhitzt ein
hochselektiv beschichtetes Absorberblech. Die Wärme wird über die - auf der
Absorberrückseite aufgebrachten Kupferrohre - an das Wärmeträgermedium
übertragen, welches aufgrund der Frostgefahr meist aus einer zu 60 Teilen Wasser
und 40 Teilen Glykol Mischung besteht. Die Temperatur des Wärmeträgermediums
wird über einen Temperatursensor(Tk) im oberen Bereich des Kollektors gemessen
Solarkollektor Solarregler
Warmwasserzapfung
Nachheizung
Vorlauf
Rücklauf
Durchflussmesser für WMZ
Solarspeicher
Oberes Speicherregister
Kaltwasserzulauf
Unteres Speicherregister
Solarstation
MAG
2. Grundlagen und Begriffe
16
(siehe Abbildung 6). Sobald die Temperaturdifferenz zwischen Kollektorfühler(Tk)
und Speicherfühler(Ts) eine eingestellte Einschalttemperaturdifferenz überschreitet,
aktiviert der Solarregler die Kollektorkreispumpe. Über die kalte Solarrücklauf-
verrohrung wird Wärmeträgerfluid in den Solarkollektor gepumpt und über den
Absorber in den Kupferleitungen erwärmt. Das erhitzte Fluid gelangt dann über die
warme Solarvorlaufverrohrung zum Wärmespeicher, in welchem es über einen
Wärmetauscher abgekühlt wird und dabei das Brauch- bzw. Heizungswasser
erwärmt.[1]
Wurde die Solaranlage richtig ausgelegt und installiert, die Temperatursensoren
aussagekräftig platziert und der Solarregler korrekt eingestellt, wird die sogenannte
Beladung des Speichers bei ausreichender Sonneneinstrahlung über mehrere
Stunden fortgesetzt. Im Regelfall wird die Beladung entweder durch die
Unterschreitung der Ausschalttemperaturdifferenz oder die Erreichung der
Speichermaximaltemperatur unterbrochen. Ersteres erfolgt bei zu geringer
Sonneneinstrahlung - dabei kann die Temperaturspreizung zwischen dem
Solarkollektor und dem Wärmespeicher nicht aufrechterhalten werden. Sobald die
Kollektortemperatur minus der Speichertemperatur kleiner der gewählten
Ausschalttemperaturdifferenz ist, deaktiviert der Solarregler die Kollektorkreispumpe.
Im anderen Fall, also bei genügend Sonneneinstrahlung, wird der Wärmespeicher
bis zur gewählten Speichermaximaltemperatur durchgeladen und der Solarregler
schaltet den Solarkreislauf ab.[7]
Der Kollektorkreis wird beim Befüllen der Anlage je nach statischem
Höhenunterschied zwischen Kollektorfeld und Speicher auf einen gewissen
Anlagendruck gebracht. Das in Abbildung 6 ersichtliche MAG (Membran-
ausdehnungsgefäß), hat zwei wichtige Aufgaben um die Eigensicherheit von
Solaranlagen zu gewährleisten. Zum einen muss es die thermische Ausdehnung bei
Erwärmung des Solarfluides aufnehmen, zum anderen wird das verdrängte
Fluidvolumen bei Verdampfung im Kollektor im Falle einer Stagnation der
Solaranlage aufgenommen. Die Sonne scheint bei einer Abschaltung des
Solarkreislaufs aufgrund der Erreichung der Speichermaximaltemperatur trotzdem
weiter, wodurch sich die Kollektoren weiter erwärmen. Der Solarkollektor befindet
2. Grundlagen und Begriffe
17
sich dann in Stagnation und heizt sich auf, bis die Wärmeverluste über das
Kollektorgehäuse mit den Wärmegewinnen am Absorber im Gleichgewicht sind. Die
Stagnationstemperaturen können bei gut gedämmten Flachkollektoren bis zu 250 °C
erreichen.[1] Je nach Fülldruck der Solaranlage und dem Mischungsverhältnis der
Solarflüssigkeit startet die Verdampfung im oberen Bereich des Solarkollektors
zwischen 120 °C und 150 °C. Für ein gutes Entleerungsverhalten sind
Absorberkonstruktion, Kollektorverschaltung und Solarverrohrung so auszuführen,
dass der Dampf die Solarflüssigkeit komplett aus den Kollektoren drückt. Das
verdrängte Fluidvolumen wird vom Membranausdehnungsgefäß aufgenommen, bis
die Temperaturen unter den Siedepunkt fallen, der Dampf kondensiert und das
Wasser-Glykol-Gemisch wieder in die Kupferrohre des Kollektors gepresst wird. Dem
ist hinzuzufügen, dass über den gesamten Zeitraum der Stagnation die
Kollektorkreispumpe nicht mehr aktiviert werden darf, selbst wenn der
Speichertemperaturfühler unter die Speichermaximaltemperatur abkühlt. Grund dafür
sind der im Kollektor befindliche Dampf und die heißen Vorlauftemperaturen, welche
die Armaturen der Solaranlage beschädigen können. Am Solarregler wird dies mit
einer Überhitzungsschutzfunktion sichergestellt, welche ab 120 °C (meist frei
einstellbar) Kollektorfühlertemperatur die Umwälzpumpe deaktiviert. [9]
Sollte der Anlagenbetriebsdruck aufgrund eines unter Umständen falsch ausgelegten
Membranausdehnungsgefäßes über einen maximalen Wert von meist 6 bar steigen,
öffnet sich ein Sicherheitsventil um Solarflüssigkeit abzulassen. Kondensiert der
Dampf bei sinkenden Temperaturen, kann der Anlagendruck zu tief sinken und die
verlorene Flüssigkeit muss über die Spülanschlüsse mit Druck ersetzt werden.
Freut sich ein Anlagenbetreiber über Kollektortemperaturen, welche selbst in der
Nacht noch über der Außentemperatur liegt, ist oft eine defekte oder nicht
vorhandene Schwerkraftbremse dafür verantwortlich. Dieses verhindert ein
ungewolltes aufsteigen von warmen Solarfluid durch die Vorlaufleitung zum Kollektor.
Durch den Dichteunterschied von warmen zu kaltem Fluid, steigt warme Flüssigkeit
vom Speicher zum Kollektor auf und kühlt dort ab, was mit einer Schwerkraftbremse
oder einem Rückschlagventil zu verhindern ist.
Umwälzpumpe, Spülanschlüsse, Vor- und Rücklaufanschlüsse mit Thermometer und
Absperrfunktion, Manometer, Solarregler und oft auch Luftabscheider sind meist in
2. Grundlagen und Begriffe
18
sogenannten Solarstationen vormontiert und mit einer passenden Isolierschale
versehen.
Im Bezug auf die Fernüberwachung und -wartung gilt es die Betriebsdaten
thermischer Solaranlagen zu erfassen und auszuwerten. Bei den dazu zur Verfügung
stehenden Sensoren hat sich über die vergangenen Jahre einiges getan, was unter
anderem eine Wärmemengenerfassung (siehe Abbildung 6) im Kollektorkreis
ermöglicht. Auf diese Entwicklungen wird im nächsten Kapitel genauer eingegangen.
2. Grundlagen und Begriffe
19
2.2 Vorhandene Messtechnik bei thermischen Solaranlagen
Um eine Fernüberwachung und -wartung von Solaranlagen durchführen zu können,
ist eine digitale Betriebsdatenerfassung notwendig. Es gilt die Solaranlage mit einem
Minimum an Messtechnik zufriedenstellend zu regeln und zu überwachen. Jeder
zusätzliche Sensor erhöht die Komplexität, Fehleranfälligkeit der Messtechnik und
die Kosten der Anlage.
Prinzipiell sind mindestens zwei Temperatursensoren - ein Kollektorfühler und ein
Speicherfühler - notwendig, um eine Solaranlage über eine Temperaturdifferenz-
regelung zu betreiben. Um umfassendere Systemschemen zu regeln, werden
weitere Temperatursensoren hinzugefügt. Alle Temperaturmesspunkte die zur
Regelung verwendet werden, stehen auch für eine Fernüberwachung zur Verfügung.
Zusätzlich zu den Temperatursensoren wurden bei Solaranlagen in die letzten
Jahren weitere Messgeräte mit Auswertungsmöglichkeiten über den Solarregler
hinzugefügt. Mittlerweile gibt es Durchfluss- und Drucksensoren mit für Solaranlagen
akzeptable Kosten auf dem Markt, welche oft direkt in die Solarstation verbaut
werden. Die Wärmemengenerfassung über Durchflusssensoren wurde insbesondere
durch neue Förderbedingungen, wie beispielsweise in Oberösterreich [10]
vorangetrieben und ist mittlerweile fixer Bestandteil vielen Solarstationen geworden.
Eine weitere Datenquelle stellen die Ausgangsbetriebsvorgänge des Solarreglers
dar. Beginnend mit aufsummierten Pumpenlaufzeiten, bis hin zu zyklisch geloggten
Tabellen aller Ausgangszustände, können auch diese zur Beurteilung der
Anlagenfunktion herangezogen werden.
2. Grundlagen und Begriffe
20
Datenquellen Einheit Verwendung
Temperatursensoren °C Differenztemperaturregelung, Überwachung
Durchflusssensoren l/min. Wärmemengenerfassung, Funktionskontrolle
Drucksensoren bar Systemdrucküberwachung, Stagnationsverhalten
Einstrahlungssensoren W/m2 Regelung, Ertragsbewertung
Ausgangszustände - Steuerung der Pumpen und Ventile
Abbildung 7: Datenquellen für die Fernüberwachung aus dem Stand der Solaranlagentechnik ohne
zusätzliche Sensoren
Abbildung 7 zeigt eine Übersicht von Datenquellen bei thermischen Solaranlagen,
welche direkt über die Regelungseinheit erfasst werden können. Beschreibungen
von vielfach eingesetzten Messsensoren für Solaranlagen finden sich in den
Punkten 2.2.1 bis 2.2.7.
2.2.1 Temperatur
Für die Temperaturermessung bei thermischen Solaranlagen werden durchgehend
Widerstandtemperaturfühler verwendet. Durchgesetzt haben sich Platin-
Widerstands-Temperatursensoren, welche über die Zweileitertechnik mit den
Solarreglern verbunden werden. Grund dafür ist das einfache Messprinzip für den
Einsatzbereich in Solaranlagen zur Differenztemperaturregelung und die
ausreichende Messgenauigkeit ohne aufwendige Vierleiter-Messleitungen zum
Solarregler. Am Markt verbreitete Solarregler von Firmen wie RESOL, STECA oder
Sorel sind durchgehend mit Pt1000 Sensoren zur Temperaturmessung ausgestattet.
Die Bezeichnung Pt1000 weist auf einen Widerstand von 1000 Ω bei 0 °C hin. Mit
höherer Temperatur erhöht sich der Widerstand weitgehend linear über den positiven
Temperaturkoeffizienten des Kaltleiters.
2. Grundlagen und Begriffe
21
Ein in Abbildung 8 ersichtlicher Genauigkeitsvergleich zwischen - in der
Heizungsbrache teils verwendeten - KTY-Halbleiterfühlern und Pt1000 Sensoren
wurde im Rahmen des Forschungsprojektes „Langzeitüberwachung und
Betriebsoptimierung großer solarintegrierter Wärmeversorgungsanlagen“ an der
Universität Kassel durchgeführt. Sie kamen zum Schluss, dass die absolute
Abweichung der KTY-Sensoren deutlich über den getesteten Pt1000 Sensoren liegt
und für eine Funktionskontrolle über die Messtechnik von Solaranlagen nur letztere
in Frage kommen. [2]
Abbildung 8: Vergleich zwischen KTY-Halbleiterfühlern und Pt1000-Platin-Widerstandstemperatur-
sensoren zur Solaranlagenüberwachung [2]
Als Kollektortemperaturfühler müssen aufgrund der hohen Stagnationstemperaturen
von über 200 °C temperaturbeständige Silikonkabelmäntel verwendet werden. Die
Messung von Speicher- oder Plattenwärmetauschertemperaturen lässt auch die
Nutzung von günstigeren PVC-Kabelmänteln zu. Beide Sensorausführungen sind in
Abbildung 9 ersichtlich. In jedem Fall müssen die Temperatursensoren vor
Feuchtigkeit und Korrosion geschützt werden, dies wird mit einer rollierten oder
aufgepressten Edelstahlhülse sichergestellt. Zur Verlängerung der Sensorleitungen
können zweiadrige Kupferkabel verwendet werden. Diese Sensorverlängerung ist für
den Kollektorfühler meist direkt an der flexiblen Solarverrohrung integriert.
2. Grundlagen und Begriffe
22
Abbildung 9: Platin-Widerstandsfühler Typ Pt1000 mit Silikon(links) und PVC(rechts) Kabelmantel
Für eine aussagekräftige Temperaturmessung ist die Platzierung der
Temperatursensoren zu beachten. Speziell die Messung der Kollektortemperatur ist
mit Anlegefühlern am Absorberblech verhältnismäßig ungenau. Für die
Differenztemperaturregelung ist die Vorlauftemperatur der Solarflüssigkeit
ausschlaggebend. Daher sollte der Kollektortemperaturfühler möglichst in einer direkt
vom Fluid umströmten Tauchhülse platziert sein. Die in Abbildung 10 ersichtliche
Fühlerplatzierung befindet sich direkt neben dem Mäanderrohrausgang im oberen
Sammelrohr eines Solarabsorbers.
2. Grundlagen und Begriffe
23
Abbildung 10: Platzierung des Kollektortemperaturfühlers über eine Tauchhülse im oberen Sammelrohr
an der Mäanderrohrverbindung (Foto zeigt die Rückseite eines Mäanderabsorbers)
Erhitzt die Sonneneinstrahlung das Absorberblech, wird die Wärmeträgerflüssigkeit
in den am Absorberblech angebrachten Kupferrohren erwärmt und steigt aufgrund
des Dichteunterschiedes in das Sammelrohr auf. Erst wenn das Fluid im Sammelrohr
den Temperatursensor bis zur Einschalttemperaturdifferenz im Vergleich zur
Speichertemperatur erhitzt hat, aktiviert der Solarregler die Kollektorkreispumpe. Je
nach Volumenstrom und verfügbarer Sonneneinstrahlung ändert sich die Temperatur
der Wärmeträgerflüssigkeit. Ein direkt umströmter Temperatursensor reagiert auf
diese Temperaturänderungen genauer wie ein Anlegefühler am Absorberblech, somit
werden Fehlbeladungen des Speichers vermieden und das Regelverhalten der
Solaranlage verbessert.
2. Grundlagen und Begriffe
24
2.2.2 Durchflussmessung und Wärmemengenerfassung
Um die gewonnene Wärmemenge einer Solaranlage mit einem WMZ zu erfassen,
muss neben zwei Temperaturwerten auch der Volumenstrom mit einem
Durchflusssensor gemessen werden. Bei Solaranlagen kommen nur kostengünstige
Durchflusssensoren in Frage, welche den Kostenanteil der Messtechnik an der
Gesamtinvestition gering halten.
Bei Solaranlagen ohne Durchflusssensor ermöglichen Solarregler oft eine
sogenannte „theoretische Wärmemengenberechnung“, welche aber nur sehr
ungenaue Ergebnisse liefert. Dabei wird zur Berechnung der Wärmemenge ein meist
am Schauglas des Strangregulierventils abgelesener fixer Durchflusswert in den
Solarregler eingegeben. Dieser Durchflusswert wird während der
Kollektorkreispumpenlaufzeit in Kombination mit der Temperaturdifferenz zwischen
Kollektor- und Speicherfühler als WMZ verwendet. Die spezifische Wärmekapazität
für die Berechnung ist meist reglerintern festgelegt und kann vom Nutzer nicht
geändert werden. Durch die temperaturabhängige Viskosität der verwendeten
Wasser-Glykol-Wärmeträgerflüssigkeiten ändert sich der Durchfluss während dem
Betrieb einer Solaranlage, was neben den schlecht gewählten
Temperaturmesspunkten zu einer erheblichen Abweichung dieser
Wärmemengenerfassung führt. Für einen aussagekräftigen Ertragswert der
Solaranlage ist diese Methode folglich nicht geeignet. Selbst bei einem
Pumpendefekt errechnet der Solarregler bei aktiviertem Pumpenausgang über die
„theoretische Wärmemengenberechnung“ einen Leistungswert, welcher dem
unerfahrenen Anlagenbetreiber die korrekte Funktionsweise seiner Solaranlage
fälschlicherweise anzeigen kann.
Daher ist der Einsatz von „echten“ Durchflussmessern für eine aussagekräftige
Wärmemengenerfassung bei Solaranlagen notwendig. Zwei verbreitete günstige
Durchflusssensortypen, welche teils schon in Solarstationen vormontiert sind,
werden in dieser Arbeit beschrieben. Zum einen werden seit Jahren
Impulsdurchflussmesser mit Flügelrädern in Solaranlagen verwendet, zum anderen
findet man seit 2009 verbreitet Wirbelzähler in Solarstationen. Siehe Punkte 2.2.3 bis
2.2.5.
2. Grundlagen und Begriffe
25
2.2.3 Impulsdurchflussmesser
Ein Impulsdurchflussmesser, welcher den Volumenstrom mittels Flügelrädern erfasst
ist in Abbildung 11 ersichtlich.
Abbildung 11: Impulsdurchflussmesser „RESOL Volumenmessteil V40“ (Quelle: RESOL)
Impulsdurchflussmesser geben beim Durchströmen eines definierten Volumens
einen Impuls an den Solarregler. Die durchströmende Flüssigkeit wird über
Flügelräder und ein Zählwerk erfasst. Das Durchflussvolumen pro Impuls muss am
Regler eingestellt werden. Zu beachten ist, dass der Impulsdurchflussmesser für die
Messung des Wasser-Glykol-Gemisches im Kollektorkreis geeignet sein muss. [11]
Die Durchflussmessung mit Flügelrädern wird durch die Viskosität der
Wärmeträgerflüssigkeit beeinflusst, welche wiederum vom Mischungsverhältnis, der
Glykolart und der Temperatur abhängig ist. Beim verwendeten Solarregler müssen
daher Glykolart und Mischungsverhältnis eingestellt werden können. Weiters muss
der Regler intern die temperaturabhängige Viskositätsänderung, über den meist für
den WMZ integrierten Temperaturfühler, der Flüssigkeit berücksichtigen. Ansonsten
kann die Durchflussmessung über Flügelradzähler zu erheblichen Mess-
ungenauigkeiten führen, siehe Fehlerkurven in Abbildung 12. [12] [13]
Eine Variante eines Flügelradzählers findet man als „FlowRotor“ bezeichnet, in den
„FlowCon Premium“ Solarstationen (siehe Abbildung 17) von PAW, welcher die
Umdrehungen des Flügelrades über einen Hall-Sensor erfasst.
2. Grundlagen und Begriffe
26
Abbildung 12: Fehlerkurven von Flügelradzählern bei der Messung von Wasser-Glykol-Gemischen [13]
Die problematische Durchflussmessung des Wasser-Glykol-Gemisches im
Kollektorkreis kann bei Verwendung eines Plattenwärmetauschers zur Übergabe auf
den Speicherbeladekreis vermieden werden. In diesem Fall wird der
Durchflusssensor zur Wärmemengenerfassung im Speicherbeladekreis installiert, in
welchem sich Wasser als Wärmeträgermedium befindet, da im Heizkeller keine
Frostgefahr besteht. Der Durchfluss von Wasser lässt sich einfach über verbreitete
Impulsdurchflussmesser aus der Heizungsbranche bestimmen.
2. Grundlagen und Begriffe
27
2.2.4 Wirbelzähler zur Durchflussmessung
Für eine Volumenstromerfassung mit einem Wirbelzähler befindet sich ein
Prallkörper in einer Messstrecke, welcher Wirbelablösungen hinter der
Anströmungsrichtung verursacht. Die entstehende Wirbelfrequenz verhält sich direkt
proportional zur Strömungsgeschwindigkeit bzw. - bei einem definierten Mess-
streckenquerschnitt - zum Durchfluss. Dieser Effekt wird als „Kármánsche
Wirbelstraße“ bezeichnet. Zur Erfassung der Wirbelfrequenz können die, mit den
Wirbelauslösungen verbundenen, Druckschwankungen genutzt werden. [13]
Abbildung 13: Vortex-Durchflussmesser von Grundfos für einen Messbereich von 2-40 l/min, links die
Messstrecke, unten der Sensor, oben die Steckverbindung zum Solarregler
Abbildung 13 zeigt einen Vortex-Durchflussmesser des Herstellers Grundfos, welcher
eine Volumenstromerfassung über das oben beschriebene Messprinzip ermöglicht.
Der Sensor erfasst die von den Wirbeln erzeugten Druckschwankungen über einen
Piezodrucksensor. Dieser ist in der Mitte des Sensors beidseitig umströmt platziert.
(siehe Querschnittsdarstellung in Abbildung 14). [14]
2. Grundlagen und Begriffe
28
Abbildung 14: Querschnittdarstellung eines Grundfos Vortex Durchflussmesser von Grundfos:
Strömungsrichtung, Prallkörper, Sensor und Verwirbelungen (Quelle: Grundfos)
Die Durchflusssensoren von Grundfos werden in verschieden Baureihen zur
Abdeckung eines größeren Messbereichs hergestellt, welche sich hauptsächlich
durch den Querschnitt der Messstrecke unterscheiden. Die kleinsten
Durchflusssensoren eigenen sich für einen Messbereich von 1 - 12 l/min, die größten
für einen Messbereich von 20 – 400 l/min. Hinsichtlich der Genauigkeit gibt der
Hersteller auf seinen Datenblättern eine mögliche prozentuelle Abweichung von 5 %
bei den kleinen Sensoren und 1,5 % bei den größeren Sensoren ab 5 l/min
Messbereich an. Diese gelten für einen Temperaturbereich von 0 bis 100 °C bei
einer Auflösung zwischen 0,2 und 1,0 l/min. Hinsichtlich der Eignung für Wasser-
Glykol-Gemische im Kollektorkreis wird diese Genauigkeit über den Messbereich für
eine Mischung mit 42 % Glykolanteil bei 30 °C in der „QT“ Baureihe angegeben. Die
Sensoren müssen vom Solarregler mit 5V Gleichstrom versorgt werden und
übermitteln die Messwerte mit einem 0,5 bis 3,5 V Spannungssignal direkt
proportional zum Durchfluss. Ein ebenfalls im Sensorkopf befindlicher
Temperatursensor wird über die gleiche Methode gemessen. [15]
Für die Nutzung in thermischen Solaranlagen ist der geringe Druckverlust des
Vortex-Sensors im Vergleich zu Impulsdurchflussmessern vorteilhaft. Weiters
benötigt der Sensor keine beweglichen Teile zur Durchflussmessung und kann so
über die Betriebsjahre einer Solaranlage weitgehend verschleißfrei eingesetzt
werden. Auch der Messfehler soll laut Angaben von Grundfos über die
Nutzungsdauer nicht ansteigen, was auf die Silicoat® Beschichtung des
Piezodrucksensor zurückzuführen ist, welche den Sensor vor aggressiven Medien
schützt. Weiters verfügen die Grundfos Vortex-Sensoren über eine BAFA Zulassung,
welche in Deutschland für die staatliche Förderung von thermischen Solaranlagen ab
30m² Flachkollektorfläche einen WMZ im Kollektorkreis erfordert. [14] [16]
2. Grundlagen und Begriffe
29
2.2.5 Wärmemengenerfassung
Die Wärmeleistung Q. [kW] des Kollektorkreises einer Solaranlage kann von einem
Solarregler errechnet werden, wenn folgende Messwerte der Wärmeträgerflüssigkeit
bekannt sind:
• Solarvorlauftemperatur TVL [°C]
• Solarrücklauftemperatur TRL [°C]
• Volumenstrom V. [l/s]
Weiters muss die spezifische Wärmekapazität cp [kJ/(kg*K)] und Dichte ρ [kg/l] der
Wasser-Glykol-Mischung bekannt sein. Die Werte werden dann in folgende Formel
eingesetzt:
Q. [kW] = V
. [l/s] * ρ [kg/l] * cp [kJ/(kg*K)] * ( TVL [°C] - TRL [°C] )
Die Wärmeleistung im Solarkreis ergibt sich aus dem Volumenstrom der
Wärmeträgerflüssigkeit multipliziert mit der Dichte und der spezifischen
Wärmekapazität des Wasser-Glykol-Gemisches und mit der Temperaturdifferenz
zwischen Solarvorlauftemperatur und Solarrücklauftemperatur.
Um über die Wärmeleistung Q. [kW] eine Wärmemenge Q [kWh] zu berechnen, wird
die Wärmeleistung Q. [kW] über die Zeit integriert.
2. Grundlagen und Begriffe
30
Bei Verwendung eines Grundfos Vortex-Durchflusssensors (siehe Abbildung 15) als
WMZ, kann der im Sensorkopf integrierte Temperatursensor genutzt werden. [14]
Dieser misst die Solarrücklauftemperatur, wobei der Temperatursensor durch den
direkten Kontakt zum Wärmeträgerfluid einen exakten Messwert liefert. Die
Solarvorlauftemperatur wird meist über den Kollektorfühler erfasst. In diesem Fall
wird auch der Wärmeverlust über die Solarvorlaufverrohrung miterfasst. Aus den
Messwerten berechnet der Solarregler über die eingebenen Wärmeträger-
zusammensetzungen die aktuelle Leistung, welche zur Wärmemengenerfassung
über die Zeit integriert wird.
Sollte nur die an den Speicher über ein Wärmetauscherregister übergebene
Solarwärme erfasst werden, ist ein zusätzlicher Temperatursensor zur Messung der
Solarvorlauftemperatur in der Solarstation notwendig. Hier bietet es sich an, einen
Drucksensor mit Temperaturmessung an der Vorlaufleitung in der Solarstation zu
platzieren, wie in Abbildung 17 ersichtlich.
Die Genauigkeit der Wärmemengenerfassung im Kollektorkreis ist abhängig von den
Messfehlern der verwendeten Sensoren, der internen Berechnung im Solarregler und
korrekten Platzierung der Sensoren.
Abbildung 15: Vortex-Durchflusssensor für WMZ in der Rücklaufverrohrung der Solarstation
Solarkollektoren
Speicher
2.2.6 Druck
Abbildung 16: Prinzipdarstellung der Druc
einer Solarstation (Quellen: Grundfos
Sensoren zur Erfassung des Systemsdrucks am Solarregler finden sich erst seit
2009 als fixer Bestandteil in Solarstationen. Der in
Drucksensor von Grundfos dient zur Erfassung des Relativdrucks
und ist unter anderem in der Solarstation „
verfügt, ähnlich wie der in Punkt
einen Piezodrucksensor. Dieser ist aber im Gegensatz zum Durchflusssensor nur auf
einer Seite dem Druck der Wä
liegt der Umgebungsdruck an. Der Relativdruck wird über die Verformung des
Piezodrucksensors gemessen
ein 0,5 bis 3,5 V Spannungssignal an den Solarregler
Temperaturmessung ist im Sensorkopf mit
Durchflusssensoren (VFS) und
Steckplätze an den kompatiblen Solarregler
Grund für die verbreitete Verwendung
2. Grundlagen und Begriffe
der Druckmessung mit einem Grundfos RPS-Sensor und dem Einbau in
: Grundfos, RESOL)
Sensoren zur Erfassung des Systemsdrucks am Solarregler finden sich erst seit
2009 als fixer Bestandteil in Solarstationen. Der in Abbildung
r von Grundfos dient zur Erfassung des Relativdrucks im Kollektorkreis
und ist unter anderem in der Solarstation „FlowCon D“ von RESOL
ähnlich wie der in Punkt 2.2.4 beschriebene Vortex-Durchflusssensor
. Dieser ist aber im Gegensatz zum Durchflusssensor nur auf
Wärmeträgerflüssigkeit ausgesetzt, auf der
liegt der Umgebungsdruck an. Der Relativdruck wird über die Verformung des
Piezodrucksensors gemessen und wie schon beim Vortex- Durchflusssensor
V Spannungssignal an den Solarregler übermittelt
im Sensorkopf mit integriert. Die Grundfos Vortex
(VFS) und Drucksensoren (RPS) können hierbei dieselben
Steckplätze an den kompatiblen Solarregler verwenden, was mitunter auch ein
Verwendung dieser Sensoren in der Solarthermie ist
Grundlagen und Begriffe
31
und dem Einbau in
Sensoren zur Erfassung des Systemsdrucks am Solarregler finden sich erst seit
Abbildung 16 ersichtliche
im Kollektorkreis
RESOL zu finden. Er
chflusssensor, über
. Dieser ist aber im Gegensatz zum Durchflusssensor nur auf
uf der anderen Seite
liegt der Umgebungsdruck an. Der Relativdruck wird über die Verformung des
Durchflusssensor über
übermittelt. Auch eine
integriert. Die Grundfos Vortex-
(RPS) können hierbei dieselben
, was mitunter auch ein
ren in der Solarthermie ist.
2. Grundlagen und Begriffe
32
Abbildung 17: RPS Drucksensor in der Vorlaufleitung einer Solarstation (Quelle: PAW) (Bezeichnungen
vom Autor hinzugefügt)
Durch die Überwachung der Drucksensoren am Regler kann ein Leck im
Kollektorkreis gemeldet und schneller entdeckt werden. Auch ein schleichender
Druckverlust wird bei Aufzeichnung und Auswertung der Messdaten sichtbar. Ebenso
kann der Druckverlauf der Solaranlage im Falle einer Stagnation aufgezeichnet und
beurteilt werden.
„FlowRotor“ zur Durchflussmessung
Rücklauf-Temperatursensor
Grundfos Drucksensor
mit integriertem Vorlauf-Temperatursensor
2. Grundlagen und Begriffe
33
2.2.7 Einstrahlung
Abbildung 18: Ein günstiger Einstrahlungssensor welcher teils bei Solaranlagen eingesetzt wird (Quelle:
STECA)
Günstige Einstrahlungssensoren, wie in Abbildung 18 zu sehen, finden sich teilweise
bei Solaranlagen zur Verwendung als Strahlungsschwellenschalter, welche je nach
Sonneneinstrahlung die Kollektorkreispumpe ein- oder ausschalten. Voraussetzung
dafür ist ein kompatibler Solarregler mit passendem Messsignaleingang. Weiters
kann die Einstrahlungsintensität in [W/m²] erfasst werden. Auf dem Datenblatt des
oben ersichtlichen Photovoltaikzellensensors ist die Genauigkeit im Jahresmittel mit
±5 % angegeben. [17] Wird die Einstrahlung über einen Datenlogger erfasst, kann
diese für eine grobe Ertragsabschätzung der Solaranlage über einen Vergleich zur
im Kollektorkreis gewonnenen Wärmemenge herangezogen werden. Bei der
Verwendung von Einstrahlungssensoren sollten der zusätzliche Aufwand für die
erforderliche Messleitung zum Kollektorfeld und die mögliche Verfälschung des
Einstrahlungswertes durch Verschmutzung oder Verschattung beachtet werden.
Genaue Pyranometer zur Einstrahlungsmessung werden aufgrund der
vergleichsweise hohen Kosten bei Solaranlageninstallationen kaum verwendet. Auch
sind passende Messeingänge und interne Auswertungen der Einstrahlungswerte bei
Solarreglern noch selten zu finden.
2. Grundlagen und Begriffe
34
2.3 Fernüberwachung und -wartung
Die Daten der Messtechnik von Solaranlagen gilt es aufzuzeichnen und für
Fernüberwachung und -wartung zu nutzen.
Abbildung 19: Typischer Messaufbau zur Fernüberwachung mit PC und Modem [6]
Der in Abbildung 19 ersichtliche Messaufbau wurde für ein Forschungsvorhaben an
der Universität Kassel zur „Langzeitüberwachung und Optimierung großer
solarintegrierter Wärmeversorgungsanlagen“ genutzt. Ziel war es, für große
Solaranlagen mit über 100 m² Kollektorfläche folgende Punkte zu klären: [2]
• möglichst kostengünstige Funktionskontrolle
• dauerhafte Anlagenüberwachung
• ohne großen Personalaufwand Anlagenfehler selbstständig detektieren
• über Optimierungsrechnungen die Anlagenparameter an veränderte
Randbedingungen anpassen
• Erstellung eines Pflichtenheftes für die Integration der Erkenntnisse in
Solarregler
Wichtige Erkenntnisse des Projektes waren unter anderem die Nutzung der bereits
vorhandenen Messtechnik von Solaranlagen und das Finden einer angepassten
Lösung für den verwendeten Mess PC. [6] Einige Solarregler wurden über die letzten
Jahre in dieser Richtung weiterentwickelt, eine Übersicht dazu zeigt Abbildung 20.
2. Grundlagen und Begriffe
35
Abbildung 20: Übersichtsdarstellung der Fernüberwachung und -wartung thermischer Solaranlagen über den Solarregler
Die Funktionsweise einer Fernüberwachung und -wartung thermischer Solaranlagen ist in allgemeiner Form in Abbildung 13
dargestellt: beginnend mit der Messdatenerfassung über die Solarregler Eingänge und die Schaltzustände der Ausgänge, welche
mit einem Datenlogger erfasst werden, über die Fernüberwachung und –wartung mittels DFÜ, bis zur Visualisierung und
Auswertung der Daten; Auf die genannten Bereiche und Begriffe wird in den Punkten 2.3.1 bis 2.3.4 genauer eingegangen.
DFÜ:
Sensoren:
• Temperatur
• Durchfluss für WMZ
• Druck
• Einstrahlung
Aktoren:
• Umwälzpumpen
• Ventile
Solarregler:
Eingänge
Ausgänge
Datenlogger:
• intern
• Speicherkarte
• Zusatzmodul
• Notizen vom
Anlagenbetreiber
Konfigurations- und Parametereinstellungen
Visualisierung:
PC/Laptop, Smartphone,
digitaler Bilderrahmen
Fernwartung
Fernüberwachung
• manuell
• halbautomatisch
• vollautomatisch
Datenauswertung:
• Plausibilitäts-
kontrolle
• Regelverhalten
• Auslegungs-
beurteilung
Wartung und
Optimierung
2. Grundlagen und Begriffe
36
2.3.1 Messdatenerfassung und Datenlogger
Wie in Kapitel 2.2 beschrieben, werden von aktuellen Solarreglern die
Temperaturwerte, die Durchflussmessung für WMZ und der Systemdruck erfasst.
Weiters können die Schaltvorgänge von Ventilen und Pumpenregelung über die
Ausgänge des Solarreglers aufgezeichnet werden.
Dazu ist ein Datenlogger notwendig, welcher bei aktuellen Solarreglern von
bekannten Firmen wie der „STECA Elektronik GmbH“ oder „RESOL - Elektronische
Regelungen GmbH“ direkt in die Elektronik integriert ist. Es können vier
unterschiedliche Lösungen zur Aufzeichnung von Solaranlagenbetriebsdaten
unterschieden werden:
• intern auf dem Mikrocontrollers
• über einen Steckplatz für Speicherkarten
• mit einem externen Zusatzmodul
• durch Notizen vom Anlagenbetreiber
Erstere Lösung ist nur begrenzt für die Datenaufzeichnung nutzbar, da der interne
Datenspeicher auf gängigen Mikrocontrollern nur etwa 32 Bytes bis 48 kByte [18]
umfasst. Damit können nur Datensätze für wenige Tage und Wochen gespeichert
und abgerufen werden. Dies wird zum Beispiel beim Solarregler „TiSUN Duplex
basic“ zur direkten Anzeige von einzelnen Temperaturverläufen am grafischen
Display genutzt. Die geringe Auflösung der Displays lässt jedoch keine
Gesamtübersicht mit Pumpenlaufzeiten und weiteren Datensätzen zu. Daher sind
diese Diagramme zur Beurteilung der Anlagenfunktion nur begrenzt hilfreich.
Die Erweiterung von Solarreglern mit Steckplätzen für Speicherkarten zur
Datenaufzeichnung ist unter anderem beim „STECA TR 0603mc“ [19] zu finden.
Speicherkarten sind besonders durch die Verwendung in Digitalkameras zu einem
günstigen und bekannten Massenprodukt geworden. Für den Endkunden ist diese
Lösung einfach zu verstehen, da viele den Umgang mit Speicherkarten bereits
gewohnt sind.
2. Grundlagen und Begriffe
37
Ein externes Zusatzmodul als Datenlogger setzt voraus, dass der Solarregler über
einen Anschluss für eine serielle Schnittstelle verfügt. Bekannt ist der RESOL
VBus®, mit welchem die Daten auf das Zusatzmodul „Datalogger DL2“ übertragen
werden. Je nach Komplexität der zu überwachenden Anlage können laut RESOL
zwischen 30 und 120 Monate auf dem verfügbaren Speicherplatz aufgezeichnet
werden. [20]
Zur Vollständigkeit wird auch die Datenerfassung bei Problemanlagen ohne
automatischen Datenlogger beschrieben. Dabei werden vom Anlagenbetreiber
selbst in regelmäßigen Abständen der für ihn ersichtliche Betriebszustand und die
Temperaturwerte der Solaranlage notiert. Diese Aufzeichnungen dienen dann als
Grundlage für Diskussionen mit dem Kundendienst des Herstellers, der beauftragten
Firma oder in diversen Internetforen. [21] [22]
2.3.2 Fernüberwachung und DFÜ
Für die Fernüberwachung thermischer Solaranlagen gilt es die, über den Solarregler
auf dem Datenlogger aufgezeichneten Daten, mit einer DFÜ zur Auswertung zu
übertragen. Je nach gefordertem Umfang, Verfügbarkeit der Daten und technischer
Ausstattung der Solaranlage kann die Fernüberwachung unterschiedlich ausfallen:
• manuell
• halbautomatisch
• vollautomatisch
Bei der manuellen Fernüberwachung muss der Anlagenbetreiber sowohl die
Datenaufzeichnung, als auch Datenübertragung selbst durchführen. Diese
Vorgangsweise wird vom TiSUN Kundendienst besonders bei komplexeren Fehlern
oder Fragestellungen von Kunden genutzt. Das Finden von Lösungen und Antworten
per Telefon und E-Mail ist auf dieser Datenbasis oft ein schwieriges und
zeitaufwendiges Unterfangen. [21]
2. Grundlagen und Begriffe
38
Verfügt der Anlagenbetreiber über einen Solarregler mit Datenlogger, kann von einer
halbautomatischen Fernüberwachung gesprochen werden. Befinden sich die
aufgezeichneten Daten auf einer Speicherkarte, wird die DFÜ vom Kunden über
einem verfügbaren PC per Internet bzw. E-Mail-Anhang durchgeführt.
Für eine vollwertige Fernüberwachung müssen die Daten einer Solaranlage
vollautomatisch in Echtzeit der Auswertung zur Verfügung gestellt werden. Dies
setzt eine dauerhafte Datenverbindung zwischen der Schnittstelle des Datenloggers
und dem Auswertungsgerät voraus. Um möglichst unabhängig auf die Daten
zugreifen zu können, sollte die Anlage mit dem Internet verbunden werden. Hier gilt
es möglichst auf bereits vorhandene Strukturen im Gebäude zurückzugreifen. Ein
bereits bestehender Internet Breitbandanschluss mit Ethernet-LAN-Anbindung ist
hierfür geeignet, da sich diverse Solarregler (siehe Kapitel 3) direkt mit dem lokalen
Netzwerk über LAN-Schnittstellenadapter verbinden lassen. Abbildung 21 zeigt, dass
2009 im EU-Schnitt bereits mehr als jeder zweite Haushalt über eine
Breitbandverbindung verfügt [23], bei Unternehmen sind es 2009 bereits 82 %. [24]
Abbildung 21: Verbreitung von Breitbandverbindungen, welche zur Fernüberwachung und -wartung
thermischer Solaranlagen genützt werden können [23]
2. Grundlagen und Begriffe
39
Aktuelle Breitbandmodems, wie in Abbildung 22 ersichtlich, verfügen meist über
mehrere integrierte Netzwerkanschlüsse, welche direkt über ein passendes
Netzwerkkabel mit der Ethernet Schnittstelle des Solarregler verbunden werden
können.
Abbildung 22: Breitbandmodem mit integrierten Ethernet Netzwerkanschlüssen (gelb)
Ist eine Internet Fernüberwachung der Solaranlage gefordert, aber im Gebäude noch
kein Anschluss vorhanden, muss dieser zusätzlich installiert werden. Die dadurch
entstehenden zusätzlichen Kosten für Installation und laufenden Betrieb, sowie die
Wartung bei Defekten und Erhöhung der Systemkomplexität sind dabei zu beachten.
Sollte die Fernüberwachung nur im lokalen Netzwerk benötigt werden, ist ein
Ethernet-Switch [25] für die Verbindung der Netzwerkteilnehmer ausreichend.
2.3.3 Visualisierung und Auswertung
Die Visualisierung und Auswertung der geloggten digitalen Anlagendaten kann auf
verschiedene Arten erfolgen. In jedem Fall ist dafür ein PC oder ein ähnliches
Elektrogerät mit Bildschirm und Betriebssystem notwendig.
2. Grundlagen und Begriffe
40
Im einfachsten Fall liegen die aufgezeichneten Daten als kommagetrennte Werte in
einer Textdatei vor und können in ein Tabellenkalkulationsprogramm wie Microsoft
Excel [26] importiert werden. In diesem Fall müssen Diagramme mit Auswertungen
selbst erstellt und beurteilt werden.
Meist wird aber vom Solarreglerhersteller eine eigene Software zur Auswertung der
Daten zur Verfügung gestellt oder verkauft. Über diese werden dann automatisch
Temperaturverläufe und Kennzahlen - wie Pumpenlaufzeiten - aus den Messdaten
generiert. Diese können direkt zur Funktionsbeurteilung und Anlagenkontrolle
herangezogen werden. Nachteilig wirkt sich hierbei die oft plattformabhängige
Software, welche nur unter Microsoft Windows lauffähig ist, aus. Weiters muss die
Software vom Nutzer installiert werden, was für ungeübte PC Nutzer oft schon ein
großes Problem darstellt.
Um dies zu umgehen, können auch plattformunabhängige Webbrowser wie Mozilla
Firefox für die Datenauswertung verwendet werden. Dazu werden die Daten über
einen Webserver ausgewertet und zur Verfügung gestellt. Dieser kann direkt in die
Elektronik des Solarreglers oder in ein Zusatzmodul integriert werden. Eine
Möglichkeit ist auch die Nutzung eines externen Webservers, auf welchem die
Logdaten geladen und über ein Webinterface zur Verfügung gestellt werden. Im
Fotovoltaikbereich ist dies weit verbreitet, zum Beispiel www.sunnyportal.com von
SMA. Im Solarthermiebereich kann www.solarthermalweb.de von STECA genannt
werden – diese Plattform befindet sich aber erst im Aufbau. Weiterführende
Informationen dazu sind im Kapitel 3 ersichtlich, wo unter anderem in Punkt 3.3 eine
Fernüberwachungslösung mit einem digitalen Bilderrahmen behandelt wird.
2.3.4 Fernwartung
Die Fernwartung thermischer Solaranlagen wird separat zur Fernüberwachung
behandelt, da nicht jeder Regler, der zur Fernüberwachung geeignet ist, auch für
eine Fernwartung ausgestattet ist.
Grundsätzlich kann die Fernwartung thermischer Solaranlagen nur auf die
Konfigurations- und Parametereinstellungen von Solarreglern zugreifen. Alle
2. Grundlagen und Begriffe
41
weiteren Komponenten der Anlage können nur vor Ort manipuliert werden und fallen
somit nicht mehr in den Begriff Fernwartung.
Der Zugriff auf die Einstellungen von Solarreglern kann elektronisch über eine
Schnittstelle, wie dem RESOL VBus®, oder mit einer Parameterdatei auf einer
Speicherkarte erfolgen. Siehe dazu die Punkte 3.1 und 3.2.
Anwendung findet die Fernwartung von Solaranlagen in der Fehlerbehebung falscher
Einstellungen am Regler. Des Weiteren kann eine Parameteroptimierung aufgrund
der Auswertung von Logdaten oder bei geänderten Betriebsbedingungen
durchgeführt werden, um das Regelverhalten anzupassen und den Solarertrag zu
optimieren.
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
42
3 Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und
-wartung
In diesem Kapitel werden drei am Markt verfügbare Solarregler beschrieben, welche
sich zur Fernüberwachung und teils auch zur Fernwartung eignen. Alle Regler lösen
diese Aufgaben auf unterschiedliche Art und Weise, die jeweilige Funktionsweise
kann in der Übersichtsdarstellung auf Seite 35 in Abbildung 20 wiedergefunden
werden.
Abbildung 23: Drei Solarregler die sich zur Fernüberwachung und teils auch Fernwartung eignen
Abbildung 23 zeigt die drei Solarregler, welche im Rahmen der Diplomarbeit zum
Vergleich bei TiSUN herangezogen wurden:
• TiSUN DUPLEX basic
• RESOL DeltaSol BX
• STECA TR 0603 mc
Die Regler wurden aufgrund der breiten Verfügbarkeit am Solarthermiemarkt, dem
vergleichbaren Funktionsumfang und den dafür verfügbaren Möglichkeiten zur
Fernüberwachung und –wartung ausgewählt.
3.1 TiSUN DUPLEX basic
Abbildung 24: Solarregler TiSUN „DUPLEX basic
Erweiterungsmodul auf einem Regelungstestaufbau
Der in Abbildung 24 ersichtliche „DUPLEX basic“
TiSUN vertrieben. Eine Besonderheit des Reglers ist das Erweiter
„MULTIPLEX advanced“.
Der Basisregler verfügt über 8 Systemschemen zur Regelung verschiedener
Solaranlagen, welche über zwei Regelkreise
Zwei Hocheffizienzpumpen können über passende PWM Ausgänge drehzahlgeregelt
werden. Ein dritter Relaisausgang kann für
Speichernachheizung über eine Thermosta
Pt1000 Temperatureingängen verfügt der Regler über zwei
Grundfos VFS und RPS Sensoren und
Impulsdurchflussmesser. Damit ist der Platz für die Anschlussmöglichkeiten in dem
verhältnismäßig kleinen „DUPLEX basic“
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und
TiSUN DUPLEX basic
DUPLEX basic“ mit Anschlussdetailbild und „MULTIPLEX advanced
Regelungstestaufbau
ersichtliche „DUPLEX basic“ Solarregler wird seit 2009 von
. Eine Besonderheit des Reglers ist das Erweiter
Der Basisregler verfügt über 8 Systemschemen zur Regelung verschiedener
zwei Regelkreise mit TRIAC Ausgängen geregelt werden
Zwei Hocheffizienzpumpen können über passende PWM Ausgänge drehzahlgeregelt
Ein dritter Relaisausgang kann für Zusatzfunktionen wie eine
nachheizung über eine Thermostatfunktion verwendet werden. Neben fünf
reingängen verfügt der Regler über zwei GDS
Sensoren und über eine Anschlussmöglichkeit für
Damit ist der Platz für die Anschlussmöglichkeiten in dem
„DUPLEX basic“ Solarregler auch voll ausgenutzt.
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
43
MULTIPLEX advanced“
gler wird seit 2009 von
. Eine Besonderheit des Reglers ist das Erweiterungsmodul
Der Basisregler verfügt über 8 Systemschemen zur Regelung verschiedener
geregelt werden.
Zwei Hocheffizienzpumpen können über passende PWM Ausgänge drehzahlgeregelt
funktionen wie eine
tfunktion verwendet werden. Neben fünf
GDS-Eingänge für
eine Anschlussmöglichkeit für einen
Damit ist der Platz für die Anschlussmöglichkeiten in dem
auch voll ausgenutzt.
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
44
Um die Regelung komplexerer Solaranlagenschemen zu ermöglichen, kann das
Erweiterungsmodul „MULTIPLEX advanced“ angeschlossen werden. Damit erhöht
sich die Anzahl an verfügbaren Systemschemen von 8 auf 18, siehe Abbildung 25.
Abbildung 25: Schemenübersicht des Solarreglers TiSUN „DUPLEX basic“ mit „MULTIPLEX advanced“
Erweiterungsmoduls (Quelle: TiSUN)
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
45
Abbildung 26: SD-Speicherkarten Einschub direkt am Solarregler
Ähnlich wie bei bekannten Digitalkameras befindet sich am Solarregler ein
Speicherkartensteckplatz (siehe Abbildung 26). Als Speichermedium kommen SD-
Speicherkarten zum Einsatz, welche im Elektronikfachhandel günstig erworben
werden können. Es sind jedoch keine Speicherkarten der neueren SDHC Baureihe
mit höherer Übertragungsgeschwindigkeit oder Karten mit mehr als 2 Gigabyte
Speicherplatz mit dem Solarregler kompatibel. Der Regler wird meist in einer
Solarstation vormontiert und ohne eine SD-Speicherkarte ausgeliefert.
Um die Anlagenmessdaten aufzuzeichnen und eine Parameterdatei zu generieren,
kann eine beliebige SD-Speicherkarte mit den oben genannten Spezifikationen
verwendet werden. Sobald die Speicherkarten-Datenaufzeichnung am Solarregler
aktiviert ist, wird über ein fixes Messintervall alle 10 Minuten eine Datenzeile mit den
aktuellen Sensorwerten und Ausgangsstellungen in eine Datei auf der SD-Karte
geschrieben. Zusätzlich werden die Konfigurationseinstellungen des Solarreglers in
einer Parameterdatei abgespeichert. In Abbildung 27 sind diese Dateien in einer
roten Box markiert dargestellt. Für jeden Monat wird eine eigene Datenlogdatei
erstellt. Dies dient zum einen der besseren Übersicht, zum anderen lassen sich so
SD-Speicherkarten Steckplatz
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
46
bestimmte Monate einfach verschieben oder archivieren. Im unwahrscheinlichen Fall
von beschädigten Dateien lassen sich so auch Daten leichter retten. „WE1002.dat“
bezieht sich beispielsweise auf 10=2010, 02=Februar. Die „WE****.dat“ Dateien
beinhalten kommagetrennte Textwerte, welche in ein Tabellenkalkulationsprogramm
importiert werden können. Weitere Bezeichnungen der Datensätze und Einheiten
werden dabei aber nicht dargestellt. In der „WEPARA.INI“ Parameterdatei ist die
jeweils aktuelle Anlagenkonfiguration in einem verschlüsselten Dateiformat
abgespeichert.
Zur benutzerfreundlichen Auswertung dieser Daten wird eine Software benötigt,
welche als Zubehörteil von TiSUN verkauft wird. Dabei erhält der Kunde die Software
direkt vorinstalliert auf der passenden SD-Speicherkarte. Eine zusätzliche Installation
am Windows-PC ist daher nicht notwendig. In Abbildung 27 ist die Datenstruktur auf
SD-Speicherkarte ersichtlich, wobei sich die Software über „DataViewer.exe“ starten
lässt bzw. automatisch über die Windows-Autostartfunktion bei Erkennung des
Wechseldatenträgers gestartet wird.
Ist der Datenlogvorgang am Regler aktiviert, erzeugt ein voller Monat über das fixe
10 Minuten Messintervall eine bis zu 500 Kilobyte große Datenlogdatei. Auf einem
Gigabyte (1048576 Kilobyte) Speicherplatz einer SD-Karte lassen sich also über 150
Jahre lang Anlagedaten erfassen.
Abbildung 27: Die Auswertungs- und Parameterisierunssoftware befindet sich bereits vorinstalliert auf
der Speicherkarte
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
47
Wird die Software von der Speicherkarte gestartet, werden die im gleichen
Ordnerverzeichnis befindlichen Log- und Parameterdaten automatisch eingelesen.
Abbildung 28 zeigt den Anfangszustand der Software, welcher automatisch den
gesamten aufgezeichneten Zeitraum darstellt. In vier Kategorien sind
Temperaturverläufe, Durchfluss und Druck, Schaltzustände der Ausgänge,
Wärmemengenerfassung und Laufzeit direkt zueinander ersichtlich. Zur besseren
Übersicht lassen sich die einzelnen Diagrammteile und Inhalte ein- und ausblenden,
um zum Beispiel den Zusammenhang zwischen einzelnen Temperaturkurven über
die Pumpenansteuerung direkter zu erfassen.
Die Ansicht über einen Zoomfaktor von mehreren Monaten eignet sich besonders um
folgende Punkte zu analysieren:
• Langfristige Auswirkungen von Parameteränderungen
• Beurteilung von Über- bzw. Unterdimensionierung der Anlage
• Schleichender Druckverlust im Kollektorkreis
• Monatsvergleiche der Wärmemengenerfassung und Pumpenlaufzeiten
Abbildung 28: Darstellung von geloggten Anlagendaten eines Hauses in Griechenland über mehrerer
Monate mit der TiSUN Auswertungssoftware
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
48
Mit dem Mauszeiger lassen sich einzelne Tage im Programm markieren und
darstellen, siehe Abbildung 29. Dabei passen sich alle vier Kategorien dem
eingestellten Zeitraum an. Auch die Anzeige von erfasster Energiemenge und
Pumpenlaufzeit zeigt dann nur die über den Diagrammverlauf summierten Werte an.
Gut ersichtlich ist der Einfluss der Drehzahlregelung der Kollektorkreispumpe, welche
je nach Temperaturspreizung zwischen Kollektor- und Speichertemperatur die
passende Durchflussmenge einstellt. Dadurch wird ein Takten der Pumpenregelung
vermieden, was sich über ein dauerndes aus- und abschalten der Pumpen erkennen
lässt. Die Kollektoren werden bei zu hohem Volumenstrom zu schnell abgekühlt und
die Ausschaltdifferenz dabei immer wieder unterschritten. Unnötige Überhitzung der
Solarkollektoren wird durch höhere Durchflüsse vermieden, was zu einem besseren
Ausnutzen des Kollektorwirkungsgrades führt. Am vierten Tag in Abbildung 29 ist der
Einfluss von weniger Einstrahlstrahlung am Kollektor ersichtlich, wo die
Drehzahlregelung am Vormittag den Durchfluss nach unten anpasst und damit für
einen unterbrechungsfreien Lauf der Kollektorkreispumpe sorgt.
Abbildung 29: Darstellung von geloggten Anlagendaten einzelner Tage mit der TiSUN
Auswertungssoftware
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
49
Abbildung 30: Übersicht aller Konfigurations- und Parametereinstellungen am Solarregler über die
Auswertungssoftware
Die auf den beiden Seiten zuvor beschriebenen Diagrammverläufe sind direkt
abhängig von den Einstellungen am Solarregler. Sich diese auswendig zu merken
oder umständlich vom kleinen Reglerdisplay zu notieren, stellt keine
benutzerfreundliche Lösung dar. Die auf der SD-Speicherkarte gespeicherte
Parameterdatei umfasst die gesamten Konfigurationseinstellungen des Solarreglers,
wie in Abbildung 30 dargestellt. Mit einer derartig strukturierten Übersicht lassen sich
schnell falsche Einstellungen am Regler finden oder Optimierungen durchführen.
Auch die Erstkonfiguration für die Inbetriebnahme eines Solarreglers ist über diese
Oberfläche möglich. Anstatt direkt am Regler die Einstellungen in vielen Untermenüs
vorzunehmen, wo schnell eine Einstellung übersehen werden kann, bietet die
Software am Computerbildschirm alles auf einen Blick. Durch einen Mausklick auf
das Bedienungsfeld „Schreiben“, wird eine Parameterdatei auf die Speicherkarte
geschrieben.
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
50
Wird die SD-Karte dann in den Solarregler gesteckt und aktiviert, erkennt dieser die
neue Parameterdatei und fragt den Nutzer ob er die bestehenden Einstellungen
überschreiben will. Bei einer Bestätigung wird der Regler über die Parameterdatei
neu konfiguriert. Erfolgt keine Bestätigung, wird die auf der Speicherkarte befindliche
Parameterdatei mit den bestehenden Reglereinstellungen überschrieben.
Werden mehrere ähnliche Solaranlagen installiert, wie die von vielen Herstellern
angebotenen Set-Lösungen, bietet sich die Möglichkeit bereits korrekt eingestellte
Regler über SD-Karten zu klonen.
Abbildung 31: Konfigurationsansicht des "MULTIPLEX advanced" Erweiterungsmoduls in der
Auswertungssoftware
Reicht die verfügbare Anzahl an Ein- und Ausgängen am „DUPLEX basic“
Solarregler nicht aus um komplexere Anlagen mit mehreren Speichern,
Kollektorfeldern oder Plattenwärmetauschern zu regeln, können diese über das
„MULTIPLEX advanced“ Modul erweitert werden. Neben umfangreichen
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
51
Systemschemen, können dann für jeden Ausgang eigene Funktionsblöcke wie
Thermostat- oder Differenzfunktionen eingestellt werden. Auch zwei Heizkreise
lassen sich dadurch zusätzlich konfigurieren. Hier werden auch wieder die Vorteile
der Auswertungssoftware bei der Konfiguration deutlich (siehe Abbildung 31). Derart
umfangreiche Einstellungsmöglichkeiten lassen sich auf einem kleinen Display kaum
noch überblicken. Für den ersteinstellenden Fachmann mag die Logik noch klar sein,
muss aber eine weitere Person ohne umfassende Dokumentation zu den
Reglereinstellungen einen Fehler finden, Optimierungen oder eine Wartung
durchführen, ist dies ohne übersichtliche Betrachtungsmöglichkeit der Einstellungen
am Computer eine schwierige Angelegenheit.
Abbildung 32: Manuelle Fernüberwachung und Wartung per E-Mail-Anhang
Benötigt ein Solaranlagenbetreiber Expertenhilfe bei der Analyse seiner Solaranlage,
können dafür die Datenlog- und Parameterdateien von der SD-Karte genutzt werden.
Um die Daten zum Experten zu senden wird das Internet genutzt. Zum einen besteht
die Möglichkeit direkt ein E-Mail mit den Daten als Anhang zu erstellen, zum anderen
lässt sich auch eine komprimierte Datei zum Verschicken generieren (siehe
Abbildung 32). Der Experte kopiert die Daten in den Dateiordner seiner
Auswertungssoftware, kann diese dann analysieren und mit dem Anlagenbetreiber
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
52
diskutieren. Diese Vorgangsweise kann als halbautomatische Fernüberwachung der
Solaranlage bezeichnet werden, siehe auch Punkt 2.3.2. .
Sollte die Reglerkonfiguration angepasst werden, erstellt der Experte mit der
Auswertungssoftware eine neue Parameterdatei. Diese schickt er elektronisch an
den Anlagenbetreiber, welcher sie auf seine SD-Karte kopiert und die bestehende
Datei überschreibt. Damit können die neuen Einstellungen wie bereits beschrieben in
den Solarregler mit Hilfe der Speicherkarte übernommen werden. Mit den neuen
Einstellparametern wird die Anlage dann wieder einige Tage und Wochen betrieben.
Die währenddessen aufgezeichneten Anlagenbetriebsdaten lassen sich dann wieder
mit der Auswertungssoftware anzeigen. Die Veränderungen durch die angepassten
Reglereinstellungen werden durch einen Vorher-nachher-Vergleich ersichtlich, bei
Bedarf kann auch der Experte wieder hinzugezogen werden.
Zusammenfassend stellt die Fernüberwachungs- und Wartungslösung des TiSUN
„DUPLEX basic“ Reglers mittels einer Speicherkarte eine einfach zu verstehende,
günstige Lösung dar. Die Handhabung von Speicherkarten kann auch weniger
computerversierten Anlagenbetreibern zugetraut werden, da diese meist durch die
Verwendung von Digitalkameras bekannt ist. Dank der vorinstallierten Software auf
der SD-Karte stellt auch eine normalerweise notwendige Softwareinstallation kein
Hindernis zum Betrachten der Daten dar. Die Auswertungssoftware selbst ist
übersichtlich aufgebaut und kann großteils selbsterklärend verwendet werden. Über
die E-Mail Funktion steht dem Anlagenbetreiber eine halbautomatische
Fernüberwachung zur Verfügung, mit welcher die Daten über einen bereits
vorhandenen Internetanschluss einfach und kostenlos übertragen werden können.
Mit der Parameterdatei ist nach demselben Prinzip die halbautomatische
Fernwartung möglich.
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
53
Entwicklungspotential besteht insbesondere bei der Auswertungssoftware,
beginnend mit der Implementierung von einfachen Auswertungsalgorithmen zur
automatischen Fehlererkennung und Anlagenoptimierung. Aktuell befindet sich ein
Zusatzmodul zur vollautomatischen Fernüberwachung in Kooperation mit einem
Elektronikpartner bei TiSUN in der Entwicklung, siehe Abbildung 33. Im
Wesentlichen werden dafür die Funktionalitäten der aktuellen Auswertungssoftware
über einen Webserver realisiert. Dieser wird über Ethernet mit einem lokalen
Netzwerk verbunden. Der Zugriff auf den Webserver erfolgt plattformunabhängig mit
Webbrowsern. Mit einem Router im lokalen Netzwerk und freigegeben Ports wird die
Kommunikation über das Internet ermöglicht.
Abbildung 33: Funktionsdarstellung des in der Entwicklung befindlichen TiSUN OEM Fernüberwachungs-
und Wartungsmoduls für „DUPLEX basic“ und „MULTIPLEX advanced“ (Quelle: TiSUN)
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
54
3.2 RESOL DeltaSol BX
Abbildung 34: Solarregler RESOL DeltaSol® BX
Der in Abbildung 34 ersichtliche RESOL DeltaSol BX Solarregler ist seit Mitte 2010
am Markt erhältlich. Wichtige Neuerung im Vergleich zu den DetaSol
Vorgängermodellen sind die Ansteuerungsmöglichkeit von zwei
Hocheffizienzpumpen, als auch die Anschlussmöglichkeit von Grundfos VFS und
RPS Sensoren zur Durchfluss und Druckmessung.
Auch ein SD-Speicherkartensteckplatz mit Datenlogfunktion ist im Regler integriert.
Dabei werden die in einem frei einstellbaren Messintervall (1 bis 1200 Sekunden,
Werkseinstellung 60 Sekunden) geloggten Anlagendaten auf eine Speicherkarte
geschrieben. Für jeden Tag wird eine CSV-Textdatei mit einer Datumsbenennung
erzeugt, in welcher die kommagetrennten Werte erfasst werden.
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
55
Abbildung 35: Übersicht einer Loggzeile der Betriebsdatenerfassung auf der SD-Speicherkarte
Die CSV-Textdateien können zur Analyse in ein Tabellenkalkulationsprogramm
importiert werden. Abbildung 35 zeigt alle Spalten eines Datensatzes der
Betriebsdatenerfassung. Zur Auswertung der Daten steht zum Zeitpunkt der
Verfassung dieser Arbeit keine Auswertungssoftware (vergleiche Abbildung 28) von
RESOL zur Verfügung. Diagramme zur Betrachtung von Messwertverläufen, müssen
vom Nutzer manuell im Tabellenkalkulationsprogramm erstellt werden. Die
Konfigurationseinstellungen des Solarreglers werden auf der SD-Karte nicht erfasst
und können über diese folglich auch nicht verändert werden.
Abbildung 36: Anschlüsse des DeltaSol® BX Solarreglers mit gelb markierter VBus® Schnittstelle
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
56
Die Fernüberwachung und -wartung von Solaranlagen wird über die RESOL VBus®
Schnittstelle ermöglicht, siehe Abbildung 36. Über diese lassen sich Zusatzmodule
mit dem Solarregler verbinden.[27]
Einfache Fernanzeigen können über zweiadrige Kabel mit dem Regler verbunden
werden und in Echtzeit Sensorwerte und Wärmemengenerfassung darstellen. Dies
ermöglicht dem Anlagenbetreiber eine schnelle Plausibilitätskontrolle der aktuellen
Messwerte an einem Ort der häufiger wie der Heizungskeller frequentiert wird.
Abbildung 37 zeigt drei Fernanzeigemodule für unterschiedliche Einsatzbereiche. Die
„Großanzeige GA3“ eignet sich beispielsweise zur Montage an öffentlichen
Gebäuden um auf die Solaranlage aufmerksam zu machen und ein Bewusstsein für
die erzeugte Wärmemenge zu schaffen. Für einen Informationspunkt in Häusern
eignen sich die beiden weiteren kleineren Fernanzeigen, wobei der „DFA comfort“
mehr als nur Kollektor-, Speichertemperatur und Wärmemengenzählung anzeigen
kann. So können neben den Temperatursensorwerten des Solarreglers auch die
aktuellen Zustände der Reglerausgänge, wie zum Beispiel die Drehzahlregelung der
Kollektorkreispumpe, betrachtet werden. Sind Durchfluss- and Drucksensoren am
Solarregler angeschlossen, werden auch deren Messwerte angezeigt.
Großanzeige GA3
Smart Display SD3
DFA comfort
Abbildung 37: RESOL Vbus® Zusatzmodule zur Fernanzeige des aktuellen Zustands der Solaranlage
Für eine grobe Funktionskontrolle genügen bereits Grundkenntnisse über thermische
Solaranlagen und der Blick auf Kollektor und Speichertemperatur. Auf eine
Fehlfunktion der Speicherbeladung würde beispielsweise eine zu hohe
Temperaturdifferenz zwischen einem Kollektortemperaturfühler mit 92 °C bei einem
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
57
konstant niederem Speichertemperaturwert von 34 °C hinweisen. Auch ein
Fühlerbruch würde durch die nicht plausiblen Sensorwerte an der Anzeige sofort
auffallen. Hauptgrund für die Installation einer Fernanzeige wird aber meist das
Interesse des Anlagenbetreibers an der klar sichtbaren Anzeige der
Energiegewinnung mit einer Solaranlage sein.
Abbildung 38: Der RESOL "Datalogger DL2" ermöglicht eine Fernüberwachung und -wartung der
Solaranlage (Quelle: RESOL)
Für eine Fernüberwachung des DeltaSol® BX Solarreglers kann über die VBus®
Schnittstelle ein „Datalogger DL2“(siehe Abbildung 38) verbunden werden. [28] Das
Zusatzmodul verfügt über einen integrierten Webserver, welcher nach korrekter
Konfiguration und Einbindung in ein lokales Netzwerk, eine
Echtzeitbetriebsüberwachung der Solaranlage systemunabhängig per Webbrowser
ermöglicht. Die Schemendarstellung einer fernüberwachten Anlage über eine
Website ist in Abbildung 39 ersichtlich.
Um einen Internetzugriff auf den Webserver zu ermöglichen, muss das lokale
Netzwerk über einer Internet-Router verbunden sein. Über die Router-Internet-IP-
Adresse wird per Portweiterleitung auf den „Datalogger DL2“ eine Verbindung
hergestellt. Sollte der Internetanschluss über keine fixe IP-Adresse verfügen, wird die
Verwendung eines dynamischen Domain Name Servers (DynDNS) empfohlen. Damit
lässt sich mit einer gleichbleibenden URL auf den Webserver zugreifen.[28]
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
58
Abbildung 39: Fernüberwachte Solaranlage im Webbrower (Quelle: http://www.luebeck-
solar.de/index.php?option=com_content&task=view&id=22&Itemid=44, Zugriff 18.8.2010)
Um ein - wie in Abbildung 39 ersichtliches - Schema mit dem „Datalogger DL2“
darzustellen, muss es erst mit einem Editor in der „RESOL ServiceCenter“ Software
erstellt werden. Abbildung 40 zeigt das genannte Programm, bei dem gerade der
Kollektortemperatursensor des ausgewählten Solarregler als VBus® Datenfeld
ausgewählt ist. Die Schemadarstellung der Solaranlage muss vom Nutzer selbst als
Bilddatei in das Programm geladen werden, auf eine Schemenbibliotek kann nicht
zurückgegriffen werden. Das fertig erstellte Anlagenschema wird von der Software
über das lokale Netzwerk auf den „Datalogger DL2“ geladen. Der Betrieb des
Webservers erspart den Dauerbetrieb eines eigenen Webservercomputers für die
Fernüberwachung.
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
59
Abbildung 40: Erstellung einer Solaranlagenschemadarstellung mit VBus® Datenfeldern des Solarreglers
Eine Fernwartung der Reglereinstellungen ist nicht über den „Datalogger DL2“
Webserver möglich - dafür muss die „RESOL ServiceCenter“ Software verwendet
werden. In der, in Abbildung 40 ersichtlichen, Registerkarte „Parametrisierung“
lassen sich die Einstellungen des Solarreglers auslesen und ändern. Die
Übertragung der Parameteränderungen erfolgt vom PC über das lokale Netzwerk
zum „Datalogger DL2“ und von dort per VBus® in den Regler. Alternativ zum
„Datalogger DL2“ kann für diese Art der Fernwartung auch der „Schnittstellenadapter
VBus®/LAN“ genutzt werden, siehe Abbildung 41. [29]
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
60
Abbildung 41: Der RESOL „Schnittstellenadapter VBus®/LAN“ kann zur Fernwartung der
Parametereinstellungen des Solarreglers DeltaSol® BX verwendet werden (Quelle: RESOL)
Der "Datalogger DL2" verfügt zwar über einen internen Speicher zur
Datenaufzeichnung, jedoch bietet weder das Webinterface, noch die „RESOL
ServiceCenter“ Software eine Möglichkeit zum Anzeigen und Auswerten der Daten.
Um Diagramme mit Temperaturverläufen oder Ausgangschaltzuständen zu erstellen,
müssen die aufgezeichneten Logdaten über das Webinterface per Download
heruntergeladen werden. Auch ein Exportieren der Daten über einen SD-
Speicherkartensteckplatz am "Datalogger DL2" ist möglich, welcher aber nicht direkt
zur Datenaufzeichnung verwendet werden kann. Die exportierten Daten können
dann manuell mit einem Tabellenkalkulationsprogramm ausgewertet werden. [28]
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
61
3.3 STECA TR 0603 mc
Abbildung 42: Solarregler STECA TR 0603 mc
Auch der „STECA TR 0603 mc“ verfügt über einen Steckplatz für SD-Speicherkarten
zur Betriebsdatenaufzeichnung. Ähnlich wie beim „RESOL DeltaSol® BX“ werden die
Daten täglich als kommagetrennte Werte in eine CSV-Textdatei mit einer
Datumsbenennung geschrieben. Das Messintervall ist auf 5 Minuten fixiert und kann
nicht umgestellt werden. Der Umfang eines Datensatzes ist in Abbildung 43
ersichtlich. Zur Auswertung können die CSV-Dateien in eine Auswertungssoftware
eingelesen werden, dem „STECA TS Analyzer“, siehe Abbildung 44.
Abbildung 43: Umfang eines Datensatzes der SD-Karten Aufzeichnung
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
62
Abbildung 44: Auswertungssoftware "STECA TS Analyzer" zur Analyse des Betriebsverhaltens von
Solaranlagen
Die Auswertungssoftware stellt die geloggten Betriebsdaten des Solarreglers in zwei
Diagrammansichten dar, welche parallel zueinander platziert sind. Die erfassten
Messwerte über die Solarreglereingänge sind im oberen Diagramm ersichtlich,
Schaltzustände der Solarreglerausgänge werden darunter dargestellt. Damit lässt
sich der Verlauf von Reglermesseingangskurven über die Schaltvorgänge an den
Ausgängen analysieren und das Regelungsverhalten beurteilen. Der Solarregler
verfügt über einen Fehlerausgang, welcher bei detektierbaren Störungen wie einem
Sensorbruch aktiviert und auch aufgezeichnet wird (siehe Abbildung 44 „RErr“). Eine
Funktion zum Senden der Logdaten aus dem Programm per E-Mail-Anhang ist nicht
vorhanden.
Weiters ist eine Übersicht über die Konfigurationseinstellungen, ähnlich der TiSUN
Auswertungssoftware auf Abbildung 30, nicht möglich. Weder das Schreiben noch
das Lesen der Reglerparameter ist mit dem „STECA TR 0603 mc“ möglich. Für die
Beurteilung der Anlagendaten mit der Software „STECA TS Analyzer“ müssen die
Reglereinstellungen also bekannt oder händisch dokumentiert sein.
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
63
Abbildung 45: Der „IFA-Router STECA TK RW2“ wird als Zusatzmodul für die Fernüberwachung
verwendet (Quelle: STECA)
Eine Fernüberwachung des „STECA TR 0603 mc“ Solarreglers ermöglicht der, in
Abbildung 47 ersichtliche, „IFA-Router STECA TK RW2“. Dieser wird über einen RS-
232-USB-Wandler mit der RS-232 Schnittstelle (siehe Abbildung 46) des
Solarreglers verbunden. Der Router basiert auf einem „ASUS WL-500gP V2“ und
wird von STECA mit einer speziellen Firmware angepasst, um das Gerät als Basis
für zwei Fernüberwachungslösungen nutzen zu können. [30]
Abbildung 46: Anschlüsse des „STECA TR 0603 mc“ Solarreglers mit gelb markierter RS-232
Schnittstelle
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
64
Abbildung 47: Fernüberwachungsmöglichkeiten mit dem Solarreglers "STECA TR 0603mc" und
Zusatzmodul „IFA-Router STECA TK RW2“ (Quelle: STECA)
Wie in Abbildung 47 ersichtlich können die Betriebsdaten des Solarreglers auf zwei
unterschiedliche Arten überwacht werden:
• W-LAN Übertragung auf einen digitalen W-LAN Bilderrahmen
• Internet Übertragung auf einen Server zur Webbrowser Betrachtung
Die Anzeige auf dem digitalen Bilderrahmen kann nur in Reichweite der W-LAN
Verbindung erfolgen und beschränkt sich daher auf die Verwendung im Gebäude.
Zur Verwendung kommt ein digitaler Bilderrahmen mit WLAN-Schnittstelle „Kodak
EasyShare W820“. Dieser lässt sich direkt am Bildschirm für die Verbindung mit dem
drahtlosen Netzwerk des Routers konfigurieren. Im Netzwerk freigegebene Ordner
können über den Bilderrahmen geöffnet und darin befindliche Bilddateien als
Diashow in einer Endlosschleife angezeigt werden. Der „IFA-Router STECA TK
RW2“ generiert dafür aus den, vom Solarregler empfangenen Daten intern ein
Systembild (siehe Abbildung 48) und ein Tagesdiagramm (siehe Abbildung 51).
Diese beiden Bilder werden im Router in einem freigegeben Ordner abgelegt und
minütlich aktualisiert. [30]
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
65
Abbildung 48: Systembild Darstellung über den „IFA-Router STECA TK RW2“ (Quelle: STECA)
Das in Abbildung 48 veranschaulichte Systembild zeigt die aktuellen Sensorwerte
des Kollektors und Speichers einer Solaranlage. Zusätzlich werden die gegenwärtige
Leistung und die gewonnene Energiemenge über den Tag dargestellt. Eine Übersicht
zu den gewonnenen Wärmemengen über das Jahr und die gesamte Betriebzeit ist
auch ersichtlich. Die eingesparte CO2 Menge errechnet sich über einen
voreingestellten Umrechnungsfaktor von 0,232 kg/kWh multipliziert mit der total
erfassten Wärmemenge. [30] Dieser Wert ist vom Nutzer auch in einer
Konfigurationsdatei auf dem am Router angeschlossenen USB-Speicher
veränderbar. Je nach eingesetztem Brennstoff für die Nachheizung kann der
Umrechnungsfaktor angepasst werden. Bei der Verbrennung von Heizöl eignet sich
ein Umrechnungsfaktor von etwa 0,280 kg/kWh [31] . Der Vollständigkeit halber ist
zu erwähnen, dass auch die solarthermische Wärmegewinnung über den
Strombedarf der Umwälzpumpen, dem Energieaufwand für Produktion und Transport
der Solaranlage, als auch dem Energieverbrauch für die Fernüberwachung, nicht
CO2 neutral ist. Betrachtet man aber die Energieeinsparungen einer fossilen
Nachheizung in Kombination mit einer funktionierenden Solaranlage, relativieren sich
die CO2 Emissionen, welche bei ganzheitlicher Betrachtung entstehen.
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
66
Abbildung 49: Tagesdiagramm Darstellung über den „IFA-Router STECA TK RW2“ (Quelle: STECA)
Das Tagesdiagramm stellt bis zu sechs Temperaturkurven der Solarreglereingänge
gleichzeitig dar. Der in Abbildung 49 erkennbare Tagesverlauf eines
Einfamilienhauses in Memmingen (Deutschland) enthält zwar nur drei
Temperatursensoren, trotzdem lässt sich damit die Funktionsweise der Solaranlage
anschaulich beschreiben:
Am 07.07.2010 wacht der erste Hausbewohner auf und steht um 06:00 unter der
Dusche. Auch um 07:00 und 09:00 wird Warmwasser von Speicher gezapft, dies
lässt sich über die sinkenden Temperaturwerte durch Kalkwassereinfluss am unteren
Speicherfühler (Sp unten) erkennen. Der obere Speicherfühler (Sp oben) wird
aufgrund der Temperaturschichtung nur wenige Grad abgekühlt. Um etwa 09:30 hat
sich der Kollektorsensor (Kollektor) über ausreichend Sonneneinstrahlung so weit
erwärmt, dass die Einschalttemperaturdifferenz zum unteren Speicherfühler erreicht
ist und die Umwälzpumpe aktiviert wird. Darauf folgt die Beladung des Speichers
über das untere Solarwärmetauscherregister mit einer Temperaturdifferenz zwischen
6 bis 10 °C. Um 14:00 ist der untere Bereich des Speichers so weit durchgeladen,
dass das, vom unteren Wärmetauscher aufsteigende erwärmte Wasser nun auch
den oberen Speicherbereich parallel zum unteren Speicherbereich aufheizt. Um etwa
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
67
16:00 ist der Speicher bis zur gewählten Speichermaximaltemperatur von 65 °C
aufgeheizt und die Umwälzpumpe wird deaktiviert. Ab diesem Zeitpunkt befindet sich
der Kollektor in Stagnation und heizt sich bis zu 110 °C auf. Durch den Vordruck der
Anlage und den damit höheren Siedepunkt der Solarflüssigkeit, hat sich an diesem
Tag kein Dampf im Kollektor gebildet. Nach Sonnenuntergang sinkt die
Kollektortemperatur und der Speicher kühlt über die Nacht um 2 bis 4 °C im oberen
und unteren Speicherbereich ab. Um Punkt 06:00 steht der erste Frühaufsteher
wieder unter der Dusche, die untere Speicherfühlertemperatur sinkt und ein neuer
Tag beginnt für die Solaranlage.
Je mehr Sensorwerte zur Verfügung stehen und je besser der Anlagenbetreiber über
die Funktionsweise seiner Solaranlage Bescheid weiß, desto umfassender wird eine
solche Beschreibung. Beeinflusst werden die Kurvenverläufe durch Nutzerverhalten,
Wetterbedingungen, Reglereinstellungen, Anlagendimensionierung und
Fehlfunktionen. Letztere können bei Kenntnis der Randbedingungen und Verständnis
der Funktionsweise einer Solaranlage durch die Fernüberwachung erkannt und
behoben werden.
Die Schaltzustände der Solarreglerausgänge werden über das Tagesdiagramm nicht
dargestellt. Einzig die Leistungsanzeige in der ersten Zeile am Systembild lässt einen
Rückschluss auf den Betrieb der Umwälzpumpe zu.
Eine Fernanzeige des gerade beschriebenen Systembilds und Tagesdiagramms ist
auch über das Internet möglich. Der Login erfolgt dann über eine von STECA
betriebene Website namens www.solarthermalweb.de , siehe Abbildung 50.
Abbildung 50: Webserver Login zur Betrachtung von Systembild und Tagesdiagramm der Solaranlage
3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
68
Abbildung 51: Konfigurationsmenü der Internet Fernüberwachung auf solarthermalweb.de (Quelle:
STECA)
Die Internet Fernüberwachung des Solarreglers „STECA TR 0603 mc“ erfordert eine
Internetverbindung über einen Breitbandanschluss, welcher mit dem „IFA-Router
STECA TK RW2“ verbunden ist (siehe Abbildung 47). Beim Kauf des Zusatzmoduls
erhält der Anlagenbetreiber unter Angabe der MAC Adresse des IFA-Routers
Zugangsdaten zur Plattform www.solarthermalweb.de. Die Anlagendaten des
Solarreglers werden automatisch über den IFA-Router und den Breitbandanschluss
auf den Webserver von www.solarthermalweb.de übertragen. Abbildung 51 zeigt das
Konfigurationsmenü zur Einstellung von Systembild und Tagesdiagramm nach
erfolgreichem Login auf der Plattform. [30]
Um die Betriebsdaten der Ausgänge des Solarreglers zu analysieren, können die
geloggten Messwerte als Monatspakete von der Webseite heruntergeladen und mit
der Auswertungssoftware „STECA TS Analyzer“ (siehe Abbildung 44) ausgewertet
werden.
4. Datenauswertung: Funktionskontrolle,
Fehlerdetektion und Optimierung
69
4 Datenauswertung: Funktionskontrolle, Fehlerdetektion
und Optimierung
Die mit den in Kapitel 3 beschriebenen Solarreglern erfassten Betriebsdaten können
zur Funktionskontrolle, Fehlerdetektion und Optimierung von Solaranlagen
verwendet werden.
Der mögliche Umfang dieser Maßnahmen wird durch folgende Punkte eingegrenzt:
• Verfügbare aufgezeichnete Betriebsdaten der Anlage
• Funktionsumfang der Auswertungssoftware
• Kenntnis über den Aufbau der betrachteten Solaranlage
• Komplexität des Anlagenschemas und Funktionsschemas der Solaranlage
• Korrekte Platzierung der Sensoren
• Generelle Solarthermiekenntnisse der beteiligten Personen
• Einschätzung bzw. messtechnische Erfassung der Umgebungseinflüsse durch
Sonneneinstrahlung, Wind und Wetter
• Nutzerverhalten bei der Warmwasserzapfung des Speichers
• Komplexität welche den ausführenden Personen zugetraut werden kann
• Bereitschaft der involvierten Personen sich intensiver mit der Solaranlage zu
beschäftigen
• Bereitschaft für Mehrkosten und –aufwand, welche durch die zusätzliche
Messtechnik entstehen
Der Umfang der digitalen Datenerfassung thermischer Solaranlagen nimmt
grundsätzlich mit der Größe (Kollektorfläche) von Solaranlagen zu. Die notwendige
Messtechnik wie Einstrahlungssensoren, weitere Wärmemengenerfassungen und
Temperaturmessstellen erhöhen die Anlagenkosten, welche für den Kunden
abhängig von der Gesamtinvestition im Rahmen bleiben müssen. Die Installation,
Konfiguration und Komplexität der Auswertung erfordert dann ausreichend
ausgebildetes Fachpersonal und Solarthermiekenntnisse. Auch die Fehleranfälligkeit
der Messtechnik und die Möglichkeit falscher Interpretationen ist zu beachten. Wie
4. Datenauswertung: Funktionskontrolle,
Fehlerdetektion und Optimierung
70
bereits in der Zielsetzung auf Seite 13 festgelegt, dürften die an der Planung bis hin
zum Betrieb beteiligten Personen nicht von einer zu hohen Komplexität der
Solaranlage abgeschreckt werden.
4.1 Beurteilung und Plausibilitätskontrolle der erfassten
Messdaten
Wie bereits für Abbildung 49 auf Seite 66 f beschrieben, lässt sich bereits mit dem
Tagesdiagramm der Temperaturvorlaufskurven von Kollektor- und Speicherfühler
eine Solaranlage beschreiben. Vorraussetzung dafür sind Kenntnisse über die
Funktionsweise und den Aufbau der Solaranlage. Nicht messtechnisch erfasste
Einflussgrößen wie Sonneneinstrahlung oder Warmwassernutzungsverhalten
müssen für die Analyse abgeschätzt werden können.
Abbildung 52: Faustformeln für die Leistungsüberprüfung von kleinen Solaranlagen [8]
Werden über den Solarregler die Betriebsstunden der Kollektorkreispumpe erfasst,
können diese über Faustformeln, wie in Abbildung 52 ersichtlich, verglichen werden.
Die über den Wärmemengenzähler erfasste jährliche Energiemenge kann, um auf
den Systemnutzungsgrad zu schließen, durch die Kollektorfläche dividiert werden.
Dies ermöglicht eine grobe Einschätzung der Funktionsweise der Solaranlage über
einen Vergleich mit bekannten Systemnutzungsgraden für unterschiedliche
Solaranlagentypen.
4. Datenauswertung: Funktionskontrolle,
Fehlerdetektion und Optimierung
71
Abbildung 53: Automatische Funktionskontrolle über Regleralgorithmen [32]
Die verfügbaren Messwerte können auch zur automatischen Funktionskontrolle über
Regleralgorithmen herangezogen werden. Abbildung 53 zeigt eine Übersicht
mehrerer Möglichkeiten zur Fehlerdetektion. Die zu hohe Temperaturdifferenz
zwischen Kollektor und Speicher während der Beladung kann in einer
Auswertungssoftware automatisch zu einer Fehlermeldung mit Erklärungen und
Lösungsschritten führen. Ein installierter Durchflussmesser lässt auf die Funktion der
im gleichen Kreis befindlichen Pumpe schließen. Zeigt dieser keinen Durchfluss bei
aktivierter Pumpe an liegt ein womöglich ein Pumpendefekt vor oder Luft im Kreislauf
verhindert eine Zirkulation - der Durchflusssensor kann aber auch defekt sein. Die
meisten Solarregler können Sensorfehler direkt erkennen und zeigen dies am
Display oder über ein Warnlicht an. [33]
Die weitere Beurteilung von Messdaten wird anhand von praktischen Beispielen über
die Analyse der Betriebsdaten von zwei TiSUN Kundensolaranlagen in Abbildung 54
und Abbildung 55 beschrieben.
4. Datenauswertung: Funktionskontrolle,
Fehlerdetektion und Optimierung
72
4.2 Beispiel zur Datenauswertung: Stagnationsminimierung einer
Solaranlage
Abbildung 54: Tägliche Stagnation einer Solaranlage in Zypern im September
In Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung wie Zypern können zu groß dimensionierte
Kollektorflächen zu Stagnationszeiten an jedem Sonnentag führen. Abbildung 54
zeigt eine Solaranlage deren Datenlogaufzeichnungen belegen, dass sich die
Kollektoren (T1) täglich auf 160 bis 170 °C in der Stagnationszeit erhitzen. Dabei
verdampft die Flüssigkeit in den Solarkollektoren. Das durch den Dampf entstehende
zusätzliche Volumen im Kollektorkreis wird über das Membranausdehnungsgefäß
aufgenommen.
Am Verlauf des Speicherfühlers (T2) wird deutlich, dass die 65 °C
Speichermaximaltemperatur bereits nach 3 bis 4 Stunden täglicher Laufzeit der
Kollektorkreispumpe beladen sind. Weiters sinkt die Temperatur des Speichers
durch Warmwassernutzung und Speicherwärmeverluste nie unter 50 °C.
4. Datenauswertung: Funktionskontrolle,
Fehlerdetektion und Optimierung
73
Um die Belastung der Solaranlage durch die oft auftretenden Stagnationzeiten zu
verringern, wurde beschlossen die Speichermaximaltemperatur des
Trinkwasserspeichers auf 70 °C zu erhöhen und die Rückkühlfunktion des
Solarreglers zu aktivieren. Die Rückkühlfunktion aktiviert in der Nacht die
Kollektorkreispumpe sobald die Kollektortemperatur 10 °C unter der
Speichertemperatur liegt. Dabei wird der Kollektor als Kühlkörper verwendet um den
Speicher auf eine von definierter Temperatur von 45 °C abzukühlen.
Diese neuen Einstellungen werden dem Kunden als Parameterdatei per E-Mail
gesendet. Der Kunde kopiert die Parameterdatei auf seine SD-Karte und aktualisiert
damit seinen Solarregler. Die Fernwartung ist somit erfolgreich durchgeführt und die
neuen Einstellungen führen zu einer Senkung der Stagnationsbelastung der Anlage,
was der Kunde durch die Betriebsdatenaufzeichnung bestätigen kann.
4.3 Beispiel zur Datenauswertung: Nachheizungsfehler
Abbildung 55: Probleme mit der Nachheizung einer Solaranlage in England
4. Datenauswertung: Funktionskontrolle,
Fehlerdetektion und Optimierung
74
Abbildung 55 zeigt die Betriebsdatenaufzeichnung einer Solaranlage in England. Die
solare Erwärmung des unteren Speicherbereichs funktioniert zufriedenstellend, trotz
der niedrig gewählten Einschalttemperaturdifferenz von 5 °C und
Ausschalttemperaturdifferenz von 3 °C. Ein taktendes Regelverhalten lässt sich nicht
feststellen, wobei bedacht werden muss, dass die Messdaten hier nur im fixen
10 Minuten Takt aufgezeichnet werden. Der konstante Betrieb des Solarkreises wird
über die Drehzahlregelung der PWM Hocheffizienzpumpe sichergestellt, deren
Verlauf (P1) im mittleren Diagramm in Abbildung 55 ersichtlich ist. Der Bereich für die
Pumpendrehzahlregelung ist über den Parameter „dT Fs“ (siehe Abbildung 57)
definiert. Der eingestellte Wert von 40 °C bedeutet, dass die PWM
Hocheffizienzpumpe erst ab dieser Temperaturdifferenz zwischen Kollektor- (T1) und
Speicherfühler (T2) mit voller Geschwindigkeit betrieben wird. Darunter sinkt der
prozentuelle Regelwert über das PWM Signal, proportional zur Temperaturdifferenz
zwischen Kollektor und Speicher, bis zur eingestellten Ausschaltdifferenz. Trotzdem
werden zur Sicherheit die Einschalttemperaturdifferenz auf 10 °C und
Ausschalttemperaturdifferenz auf 5 °C erhöht um Fehlbeladungen des Speichers
aufgrund der langen Solarverrohrung vorzubeugen.
Abbildung 56: Fehlerdetektion eines dauerhaft aktivierten Relaisausgangs (P3)
Das eigentliche Problem im Datenlog ist ein dauerhaft aktivierter Relaisausgang
(P3), siehe Abbildung 56. Dieser Relaisausgang wird zur Ansteuerung der
Nachheizung verwendet und über eine Thermostatfunktion in Verbindung mit dem
Temperatursensor T3 geschalten. Die eingestellte Thermostatfunktion aktiviert den
4. Datenauswertung: Funktionskontrolle,
Fehlerdetektion und Optimierung
75
Relaisausgang bei einer Unterschreitung der Temperatur des T3-Fühlers von 55 °C,
dann sollte die Nachheizung den oberen Bereich des Speichers um eine Hysterese
von 10 °C auf 65 °C aufheizen (siehe Thermostat Reglereinstellungen in Abbildung
57). Abbildung 56 belegt aber, dass die Thermostatfunktion den Relaisausgang (P3)
zwar aktiviert hat, aber das Nachheizsystem es nicht schafft den Speicher auf 65 °C
aufzuheizen, um den Relaisausgang wieder zur deaktivieren. Der so entdeckte
Fehler kann am Nachheizsystem, bei den Reglereinstellungen oder der
Fühlerplatzierung gefunden und behoben werden.
Abbildung 57: Konfigurationseinstellungen einer Solaranlage in England
Einen Überblick über mögliche Störungen, deren Ursachen und die Abhilfe gibt
Abbildung 58. Für die korrekte Auswertung einer Betriebsdatenaufzeichnung zur
Fehlerdetektion müssen Anlagenbetreiber und Wartungspersonal mögliche
Störungsursachen beurteilen können. Abhängig vom Umfang der verfügbaren
Messwerte über die Fernüberwachung können Störungen direkt durch die Analyse
der Betriebsdatenerfassung erkannt und darauf reagiert werden.
4. Datenauswertung: Funktionskontrolle,
Fehlerdetektion und Optimierung
76
Abbildung 58: Checkliste zur Analyse von Störungen bei thermischen Solaranlagen [1]
Auf die oben beschrieben Art und Weise lassen sich auch Betriebsdaten
komplexerer Schemen (siehe Abbildung 25) über eine Fernüberwachung analysieren
und damit eine Funktionskontrolle, Fehlerdetektion und Optimierung durchführen.
5. Ergebnisse und Ausblick
77
5 Ergebnisse und Ausblick
5.1 Vergleich der untersuchten Solarregler hinsichtlich
Fernüberwachung und -wartung
Solarregler Fernüberwachung Fernwartung
TiSUN DUPLEX basic
Der „TiSUN DUPLEX basic“ verfügt über einen SD-Speicherkartensteckplatz zur Aufzeichnung der Betriebsdaten. Die auf einer SD-Speicherkarte erhältlichen Auswertungs-software ermöglicht das direkte Versenden der Messdaten per E-Mail zur halbautomatischen Fernüberwachung. Ein Webservermodul ist in Arbeit.
Auf der SD-Speicherkarte wird vom Solarregler eine Parameterdatei erstellt. Diese kann mit der Auswertungssoftware betrachtet, per E-Mail versendet und verändert werden. Der Solarregler kann die geänderten Einstellungen über die Speicherkarte einlesen.
RESOL DeltaSol BX
Der „RESOL DeltaSol BX“ ist ebenfalls mit einer SD-Speicherkartenaufzeichnung ausgestattet, die Daten-auswertung ist nur über ein Tabellenkalkulationsprogramm möglich. Eine vollautomatische Fernüberwachung ist über ein per VBus® verbundenes Webservermodul möglich. Es werden die aktuellen Betriebsdaten der Anlage dargestellt, jedoch keine Kurvenverläufe.
Eine Fernwartung der Parametereinstellungen des Reglers erfolgt über die VBus® Schnittstelle und einer LAN-Anbindung, unter Verwendung der Software „RESOL ServiceCenter“ auf einem PC im Netzwerk.
STECA TR 0603 mc
Der „STECA TR 0603 mc“ ermöglicht auch einen SD-Speicherkartenaufzeichnung, eine Auswertungssoftware ist auch verfügbar. Zur automatischen Fernüberwachung wird ein modifizierter Router verwendet, welcher aktuelle Anlagendaten und Temperaturverlaufskurven auf einem W-LAN Bilderrahmen oder über einen externen Webserver anzeigen kann.
Die Einstellungen des Reglers können nur direkt mit den Bedientasten verändert werden. Eine Fernwartung ist somit nicht möglich.
Abbildung 59: Gegenüberstellungen von Fernüberwachungs- und –wartungsfunktionen der untersuchten
Solarregler
5. Ergebnisse und Ausblick
78
Die in Abbildung 59 ersichtliche Gegenüberstellungen der untersuchten Solarregler
zeigt die unterschiedlichen Lösungsmöglichkeiten zur Fernüberwachung und
-wartung thermischer Solaranlagen. Bei einer Fernüberwachung kann sich der
Anlagenbetreiber entscheiden, ob er mit der Basislösung einer SD-
Speicherkartenaufzeichnung bereits zufrieden ist oder ob er die Anlagendaten auch
live im Gebäude oder über das Internet betrachten will. Für die Fernwartung steht
ebenso die Entscheidung frei, die Reglereinstellungen über die Parameterdatei auf
einer Speicherkarte zu ändern oder eine direkte Änderung über eine
Netzwerkverbindung und einen PC zu ermöglichen. Bei der Auswahl einer
geeigneten Lösung sollten Faktoren wie Benutzerfreundlichkeit, die Vorstellungen
des Anlagenbetreibers, als auch zusätzlich entstehende Kosten beachtet werden. Je
nach Solaranlagengröße und Komplexität der Installationen gilt es, die bestehende
Messtechnik für die Fernüberwachung zu nutzen um eine hohe Betriebssicherheit
der Anlage sicherzustellen.
5.2 Nutzen der Fernüberwachung und –wartung für die Beteiligten
Beginnend mit dem Vertrieb von Solaranlagen, kann dem Kunden beim
Verkaufsgespräch die einfache Funktionskontrolle und Betriebssicherheit seiner
Solaranlage näher gebracht werden. Die Konfiguration eines Solarreglers kann über
eine verfügbare Fernwartungslösung direkt am PC erfolgen, was besonders bei
umfangreichen Anlagen von Vorteil ist. Die Betrachtung der
Solaranlagenbetriebsdaten ermöglicht dem Anlagenbetreiber die Funktionsweise der
Solaranlage zu verstehen, Optimierungen durchzuführen und Fehler zu erkennen.
Über die Betrachtung der geloggten Kurvenverläufe werden auch
Umgebungseinflüsse wie Sonneneinstrahlung und das eigene Nutzerverhalten
deutlich, wodurch das Energiebewusstsein gesteigert wird. Sollte die Anlage nicht
wie gewohnt funktionieren, steht dem Anlagenbetreiber eine Datenbasis zur
Diskussion mit Fachleuten zur Verfügung. Falsch eingestellte Solarreglerparameter
können dann direkt per Fernwartung ohne großen Zeitaufwand und hohe
Servicepersonalkosten korrigiert werden.
5. Ergebnisse und Ausblick
79
5.3 Ausblick
5.3.1 Exakte Ertragsbewertung und Funktionskontrolle
Sobald ausreichend günstige und genaue Einstrahlungssensoren in die Messtechnik
von Solaranlagen integriert werden, können exakte Ertragsbewertungen und
Funktionskontrollen durchgeführt werden. Das vom ISFH patentierte Input/Output-
Verfahren zur Ertragskontrolle von Solarthermischen Systemen (kurz IOC) eignet
sich dafür. [34] Es ermöglicht einen täglichen Vergleich des gemessenen
Solarertrages mit dem errechneten Wert über die Messdaten des
Einstrahlungssensors, wie in Abbildung 60 ersichtlich. Ein derartiges Diagramm
würde sich auch zur Fernüberwachung und -wartung eignen. Ein Solarregler von
RESOL wurde bereits 2007 mit den IOC Funktionen auf den Markt gebracht. [34] In
den 2010 neu auf den Markt gebrachten RESOL Solarreglern DeltaSol® BX und MX
fehlen die IOC Funktionen. Dies kann an den vergleichsweise hohen Kosten für den
IOC Regler von etwa 1000 € inklusive Messtechnik oder dem Zusatzaufwand für
Installation und Datenauswertung liegen. [34] Aktuell befindet sich die VDI Richtlinie
2169 „Funktionskontrolle und Ertragsbewertung an solarthermischen Anlagen“ in
Ausarbeitung [35], welche für die weitere Entwicklung in dieser Richtung beachtet
werden sollte.
Abbildung 60: Input-Output-Diagramm, der Vergleich lässt auf Anlage "OK" oder "Störung" schließen [34]
5. Ergebnisse und Ausblick
80
5.3.2 Fernüberwachung und -wartung als Dienstleistung
Besonders bei größeren Solaranlagen für Wohnanlagen oder öffentlichen Gebäuden
ist ein störungsfreier Betrieb zu gewährleisten. Die Investitionskosten sollten sich
über die eingesparten Nachheizungskosten amortisieren, was natürlich nur bei einer
korrekten Funktionsweise der Anlage der Fall ist. Oft werden solche Solaranlage
über ein Anlagen- oder Einsparcontracting realisiert. Der Contractor ist dann
vertraglich an eine garantierte Energieeinsparung gebunden oder stellt die über
einen definierten Wärmezähler gemessene solar gewonnene Wärmemenge in
Rechnung. [36] Störungen oder ein zu geringer Ertrag solcher Solaranlagen
verursachen finanzielle Einbußen, welche durch eine laufende Überwachung der
Anlage minimiert werden können.
Fachpersonal für eine zeitaufwändige dauerhafte Funktionskontrolle der Anlage zu
beschäftigen führt zu hohen Kosten. Hier bietet es sich an, diese Tätigkeit an einen
Dienstleister zu vergeben, welcher die Solaranlage per Fernüberwachung und
–wartung im Blick behält und im Fehlerfall die Störung analysiert und behebt. Ein
laufendes Projekt, welches sich umfassend mit dieser Thematik beschäftigt, ist „IP-
Solar“. Der Projektfortschritt kann auf der Website www.ip-solar.com verfolgt werden.
Eine grobe Übersicht über den geplanten Umfang der web-basierenden
Solaranlagen Monitoring-Dienstleitung ist in Abbildung 61 ersichtlich. [37]
Abbildung 61: Solaranlagen Monitoring-Gesamtlösung als Dienstleistung von "IP-Solar"
5. Ergebnisse und Ausblick
81
5.3.3 Wetterprognosen und numerische Optimierung
Weitere zukünftige Betätigungsfelder für die Fernüberwachung und –wartung
thermischer Solaranlagen finden sich in der Nutzung von Wetterprognosen und
numerischen Optimierung für eine kontinuierliche Anpassung der Solarregelung.
Die durch Fernüberwachung gewonnen Messdaten von Solaranlagen können auf
einem Rechner als Datenbasis für die numerische Optimierung (siehe Abbildung 62)
von Solaranlagenparametererstellungen verwendet werden. Ebenso kann das
Betriebsverhalten von Solaranlagen über Wetterprognosen (siehe Abbildung 63)
optimiert werden, um beispielsweise den Nachheizbedarf zu minimieren oder eine
Stagnation von Solaranlagen zu vermeiden. Die Übertragung der ermittelten
Einstellungsänderungen zum Solarregler erfolgt per Fernwartung.
Abbildung 62: Numerische Optimierung von Solaranlagenparametern [38]
Abbildung 63: Nutzung von Wetterprognosen zur Solaranlagenregelung und Betriebsüberwachung [38]
6. Zusammenfassung
82
6 Zusammenfassung
Ein Totalausfall oder Minderertrag von thermischen Solaranlagen wird meist nicht
bemerkt. Grund dafür ist das vorhandene Nachheizsystem, welches den Ausfall einer
Solaranlage automatisch ausgleicht. Für den Nutzer ist nicht fühlbar, ob das
verwendete Warmwasser von den Solarkollektoren oder der Nachheizung erhitzt
wurde. Dies führt im Störfall der Solaranlage zu höheren Kosten für die Nachheizung
und einem unnötigen Schadstoffausstoß.
Selbst für einen Fachmann ist es mitunter nicht einfach zu bewerten ob eine
Solaranlage korrekt funktioniert, da er nur den Ist-Zustand beurteilen kann. Werden
die Betriebsdaten einer Solaranlage aber aufgezeichnet, so können diese für die
Funktionskontrolle und Fehlerdetektion herangezogen werden. Um den Aufwand
dafür in Grenzen zu halten, gilt es die vorhandene Messtechnik und den Solarregler
für eine Betriebsdatenaufzeichnung zu nutzen.
Moderne Solarregler verfügen neben mehreren Temperaturmesseingängen über die
Anschlussmöglichkeiten von Durchflusssensoren zur Wärmemengenerfassung,
Drucksensoren und teils auch Einstrahlungssensoren. Diese werden inklusive der
Ausgangszustände des Reglers zyklisch auf einer Speicherkarte oder einem
Zusatzmodul aufgezeichnet. Mit Hilfe einer Auswertungssoftware oder eines
Tabellenkalkulationsprogramms werden diese Daten zur Analyse einer Solaranlage
herangezogen.
Für die Fernüberwachung einer Solaranlage werden der Ist-Zustand, Wärme-
mengenerfassung und Verlaufwerte der Betriebsdatensaufzeichnung auf einem
externen Bildschirm dargestellt. Im einfachsten Fall können die Betriebsdaten von
einer Speicherkarte über einen PC per E-Mail-Anhang manuell versendet werden.
Um die Daten im gleichen Gebäude in Echtzeit zu betrachten, wird der Solarregler
über ein lokales Netzwerk oder eine Busschnittstelle mit Fernanzeigen wie PCs,
speziellen Digitalanzeigen oder W-LAN Bilderrahmen verbunden. Der Weg ins
Internet führt über verbreitet verfügbare Breitbandmodems, wo die Solaranlage dann
in plattformunabhängigen Webbrowsern überwacht werden kann.
6. Zusammenfassung
83
Die Fernwartung von Solaranlagen beschränkt sich wiederum auf die Anpassungen
der Konfigurationseinstellungen von Solarreglern. Ermöglicht ein Solarregler das ein-
und auslesen von Parameterdateien auf Speicherkarten, so können diese meist über
eine Auswertungssoftware voreingestellt, verändert und digital zur externen
Beurteilung verschickt werden. Eine Änderung erfolgt aufgrund von Erkenntnissen
aus der Betriebsdatenanalyse oder bei falschen Einstellungen. Weiters besteht bei
manchen Solarreglern die Möglichkeit auf die Parameter per Busverbindung über
einen PC im Netzwerk mit eigener Software zuzugreifen.
Im Bereich Fernüberwachung und –wartung thermischer Solaranlagen sind in den
kommenden Jahren noch viele Entwicklungen unter der Verwendung neuer und
bestehender Technologien zu erwarten. Weiters können aus Forschungsprojekten
bekannte automatische Algorithmen zur Fehlerdetektion und Funktionskontrolle in
marktreife Produkte integriert werden. Hierbei ist zu beachten, dass die Lösungen für
die Anlagenbetreiber benutzerfreundlich und begreifbar sein müssen, da eine zu
hohe Komplexität die Nutzer eher abschreckt und frustriert. Aus diesem Grund gilt es
je nach Solaranlagengröße angepasste Lösungen auszuwählen und im Gebäude
bereits vorhandene Strukturen - wie lokale Netzwerke, Internetverbindung oder
Bildschirme - zu nutzen. Ziel ist es, das Vertrauen in die Nutzung von thermischer
Solarenergie zu stärken und über die Betrachtung der Betriebsdaten ein Bewusstsein
für die Energienutzung zu schaffen.
7. Abbildungsverzeichnis
84
7 Quellenverzeichnis
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8. Abbildungsverzeichnis
88
8 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Eine defekte Solaranlage wird vom Verbraucher nicht
bemerkt, die Warmwasserbereitung übernimmt die
Nachheizung [1] (Grafik vom Autor erweitert) ...................................... 8
Abbildung 2: Zusammenstellung möglicher Störfälle einer Solaranlage,
aufgeteilt auf die verschiedenen Teilbereiche der Anlage [2] .............. 9
Abbildung 3: Häufigkeitsverteilung von Defekten bei thermischen
Solaranlagen [7] ................................................................................. 12
Abbildung 4: Analyse einer thermischen Solaranlage für Forschungszwecke
mit einer kostspieligen und komplexen Messtechnik - so nicht! ......... 13
Abbildung 5: Standard Solaranlage Abgrenzung [1] ............................................... 14
Abbildung 6: Thermische Solaranlage mit Differenztemperaturregelung und
Wärmemengenerfassung [8] (Bezeichnungen vom Autor
hinzugefügt) ....................................................................................... 15
Abbildung 7: Datenquellen für die Fernüberwachung aus dem Stand der
Solaranlagentechnik ohne zusätzliche Sensoren .............................. 20
Abbildung 8: Vergleich zwischen KTY-Halbleiterfühlern und Pt1000-Platin-
Widerstandstemperatur-sensoren zur
Solaranlagenüberwachung [2] ........................................................... 21
Abbildung 9: Platin-Widerstandsfühler Typ Pt1000 mit Silikon(links) und
PVC(rechts) Kabelmantel .................................................................. 22
Abbildung 10: Platzierung des Kollektortemperaturfühlers über eine
Tauchhülse im oberen Sammelrohr an der
Mäanderrohrverbindung (Foto zeigt die Rückseite eines
Mäanderabsorbers) ........................................................................... 23
Abbildung 11: Impulsdurchflussmesser „RESOL Volumenmessteil V40“
(Quelle: RESOL) ................................................................................ 25
Abbildung 12: Fehlerkurven von Flügelradzählern bei der Messung von
Wasser-Glykol-Gemischen [13] ......................................................... 26
8. Abbildungsverzeichnis
89
Abbildung 13: Vortex-Durchflussmesser von Grundfos für einen Messbereich
von 2-40 l/min, links die Messstrecke, unten der Sensor, oben
die Steckverbindung zum Solarregler ................................................ 27
Abbildung 14: Querschnittdarstellung eines Grundfos Vortex
Durchflussmesser von Grundfos: Strömungsrichtung,
Prallkörper, Sensor und Verwirbelungen (Quelle: Grundfos) ............. 28
Abbildung 15: Vortex-Durchflusssensor für WMZ in der Rücklaufverrohrung
der Solarstation .................................................................................. 30
Abbildung 16: Prinzipdarstellung der Druckmessung mit einem Grundfos
RPS-Sensor und dem Einbau in einer Solarstation (Quellen:
Grundfos, RESOL) ............................................................................. 31
Abbildung 17: RPS Drucksensor in der Vorlaufleitung einer Solarstation
(Quelle: PAW) (Bezeichnungen vom Autor hinzugefügt) ................... 32
Abbildung 18: Ein günstiger Einstrahlungssensor welcher teils bei
Solaranlagen eingesetzt wird (Quelle: STECA) ................................. 33
Abbildung 19: Typischer Messaufbau zur Fernüberwachung mit PC und
Modem [6] .......................................................................................... 34
Abbildung 20: Übersichtsdarstellung der Fernüberwachung und -wartung
thermischer Solaranlagen über den Solarregler ................................ 35
Abbildung 21: Verbreitung von Breitbandverbindungen, welche zur
Fernüberwachung und -wartung thermischer Solaranlagen
genützt werden können [23] .............................................................. 38
Abbildung 22: Breitbandmodem mit integrierten Ethernet
Netzwerkanschlüssen (gelb) .............................................................. 39
Abbildung 23: Drei Solarregler die sich zur Fernüberwachung und teils auch
Fernwartung eignen ........................................................................... 42
Abbildung 24: Solarregler TiSUN „DUPLEX basic“ mit Anschlussdetailbild
und „MULTIPLEX advanced“ Erweiterungsmodul auf einem
Regelungstestaufbau ......................................................................... 43
Abbildung 25: Schemenübersicht des Solarreglers TiSUN „DUPLEX basic“
mit „MULTIPLEX advanced“ Erweiterungsmoduls (Quelle:
TiSUN) ............................................................................................... 44
Abbildung 26: SD-Speicherkarten Einschub direkt am Solarregler ........................... 45
8. Abbildungsverzeichnis
90
Abbildung 27: Die Auswertungs- und Parameterisierunssoftware befindet
sich bereits vorinstalliert auf der Speicherkarte ................................. 46
Abbildung 28: Darstellung von geloggten Anlagendaten eines Hauses in
Griechenland über mehrerer Monate mit der TiSUN
Auswertungssoftware ........................................................................ 47
Abbildung 29: Darstellung von geloggten Anlagendaten einzelner Tage mit
der TiSUN Auswertungssoftware ....................................................... 48
Abbildung 30: Übersicht aller Konfigurations- und Parametereinstellungen am
Solarregler über die Auswertungssoftware ........................................ 49
Abbildung 31: Konfigurationsansicht des "MULTIPLEX advanced"
Erweiterungsmoduls in der Auswertungssoftware ............................. 50
Abbildung 32: Manuelle Fernüberwachung und Wartung per E-Mail-Anhang .......... 51
Abbildung 33: Funktionsdarstellung des in der Entwicklung befindlichen
TiSUN OEM Fernüberwachungs- und Wartungsmoduls für
„DUPLEX basic“ und „MULTIPLEX advanced“ (Quelle: TiSUN) ........ 53
Abbildung 34: Solarregler RESOL DeltaSol® BX...................................................... 54
Abbildung 35: Übersicht einer Loggzeile der Betriebsdatenerfassung auf der
SD-Speicherkarte .............................................................................. 55
Abbildung 36: Anschlüsse des DeltaSol® BX Solarreglers mit gelb markierter
VBus® Schnittstelle ........................................................................... 55
Abbildung 37: RESOL Vbus® Zusatzmodule zur Fernanzeige des aktuellen
Zustands der Solaranlage .................................................................. 56
Abbildung 38: Der RESOL "Datalogger DL2" ermöglicht eine
Fernüberwachung und -wartung der Solaranlage (Quelle:
RESOL) ............................................................................................. 57
Abbildung 39: Fernüberwachte Solaranlage im Webbrower (Quelle:
http://www.luebeck-
solar.de/index.php?option=com_content&task=view&id=22&It
emid=44, Zugriff 18.8.2010) ............................................................... 58
Abbildung 40: Erstellung einer Solaranlagenschemadarstellung mit VBus®
Datenfeldern des Solarreglers ........................................................... 59
8. Abbildungsverzeichnis
91
Abbildung 41: Der RESOL „Schnittstellenadapter VBus®/LAN“ kann zur
Fernwartung der Parametereinstellungen des Solarreglers
DeltaSol® BX verwendet werden (Quelle: RESOL) ........................... 60
Abbildung 42: Solarregler STECA TR 0603 mc ........................................................ 61
Abbildung 43: Umfang eines Datensatzes der SD-Karten Aufzeichnung .................. 61
Abbildung 44: Auswertungssoftware "STECA TS Analyzer" zur Analyse des
Betriebsverhaltens von Solaranlagen ................................................ 62
Abbildung 45: Der „IFA-Router STECA TK RW2“ wird als Zusatzmodul für die
Fernüberwachung verwendet (Quelle: STECA) ................................. 63
Abbildung 46: Anschlüsse des „STECA TR 0603 mc“ Solarreglers mit gelb
markierter RS-232 Schnittstelle ........................................................ 63
Abbildung 47: Fernüberwachungsmöglichkeiten mit dem Solarreglers
"STECA TR 0603mc" und Zusatzmodul „IFA-Router STECA
TK RW2“ (Quelle: STECA) ................................................................ 64
Abbildung 48: Systembild Darstellung über den „IFA-Router STECA TK
RW2“ (Quelle: STECA) ...................................................................... 65
Abbildung 49: Tagesdiagramm Darstellung über den „IFA-Router STECA TK
RW2“ (Quelle: STECA) ...................................................................... 66
Abbildung 50: Webserver Login zur Betrachtung von Systembild und
Tagesdiagramm der Solaranlage ....................................................... 67
Abbildung 51: Konfigurationsmenü der Internet Fernüberwachung auf
solarthermalweb.de (Quelle: STECA) ................................................ 68
Abbildung 52: Faustformeln für die Leistungsüberprüfung von kleinen
Solaranlagen [8] ................................................................................. 70
Abbildung 53: Automatische Funktionskontrolle über Regleralgorithmen [32] .......... 71
Abbildung 54: Tägliche Stagnation einer Solaranlage in Zypern im
September ......................................................................................... 72
Abbildung 55: Probleme mit der Nachheizung einer Solaranlage in England ........... 73
Abbildung 56: Fehlerdetektion eines dauerhaft aktivierten
Relaisausgangs (P3) ......................................................................... 74
Abbildung 57: Konfigurationseinstellungen einer Solaranlage in England ................ 75
Abbildung 58: Checkliste zur Analyse von Störungen bei thermischen
Solaranlagen [1] ................................................................................. 76
8. Abbildungsverzeichnis
92
Abbildung 59: Gegenüberstellungen von Fernüberwachungs- und –
wartungsfunktionen der untersuchten Solarregler ............................. 77
Abbildung 60: Input-Output-Diagramm, der Vergleich lässt auf Anlage "OK"
oder "Störung" schließen [34] ............................................................ 79
Abbildung 61: Solaranlagen Monitoring-Gesamtlösung als Dienstleistung von
"IP-Solar" ........................................................................................... 80
Abbildung 62: Numerische Optimierung von Solaranlagenparametern [38] ............. 81
Abbildung 63: Nutzung von Wetterprognosen zur Solaranlagenregelung und
Betriebsüberwachung [38] ................................................................. 81
2. Grundlagen und Begriffe
93
9 Anhang
9.1 Wartungsprotokoll für eine thermische Solaranlage
(Quelle: http://www.solarwaerme.at/docs/390.pdf Zugriff am 22.7.2010)
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