Viessmann Vitodens 200-W optimieren
Nachdem ich meine Viessmann Vitodens 200-W bereits per OptoLink integriert und damit steuerbar gemacht hatte, ergaben sich jetzt natürlich jede Menge weitere Möglichkeiten das Heizverhalten zu optimieren.
Das bisherige Heizverhalten führte dazu das entlang der eingestellten Komforttemperatur Schwankungen von bis zu 1 Grad auftraten. Weiterhin heizt die Herstellerseitige Steuerung nur aufgrund von Daten der Vergangenheit. d.h. bei starken Außentemperaturschwankungen wie im Herbst oder Frühling lag sie fast immer daneben. Weiterhin werden keine Faktoren wie geöffnete Fenster, Sonnenstand oder die baulichen Gegebenheiten des Hausen berücksichtigt.
All diese Unzulänglichkeiten galt es mit einer neuen Logik zu beheben.
Brennersteuerung
Zuerst habe ich erst mal überlegt wie man den Heizungsbrenner zuverlässig ein und ausschalten kann ohne in die Hardware der Heizung eingreifen zu müssen. Generell sollte man an solchen Dingen nicht herumfummeln. Gefunden habe ich sie über den Umweg des reduzierten Betriebes.
Normalerweise springt der Brenner ab einer bestimmten Temperaturschwelle an und schaltet sich wieder aus sobald die Heizung merkt das die erzeugte Energie nicht schnell genug abtransportiert wird. Das funktioniert leider nur bei einer zu 100% richtig eingestellten Fußbodenheizung. In meinem Falle war das Resultat das der Brenner immer wieder und wieder versuchte zu starten um kurz danach wieder auszugehen. Dies führte zu einigen 1000 Brennerstarts am Tag.
Wenn man hingegen die Heizung in den Reduzierten Betrieb versetzt und nach einiger Zeit wieder in den normalen Betrieb führt das dazu das die Heizung kurzzeitig “übersteuert” und somit der Fußbodenheizung genug Zeit lässt sich “einzupendeln” mit dem Resultat das die Brennerstarts jetzt bei ca. 5 bis 10 am Tag liegen und wesentlich gleichmäßiger laufen. Außerdem lässt sich auf diese Weise selbst kontrollieren wann der Brenner an und aus sein soll.
Reduzierter Betrieb bedeutet quasi “aus” und der normale Modus “an”.
Heizbedarfsberechnung
Bei meiner Bedarfsberechnung sehe ich das Haus quasi als großen Wärmespeicher an der durch Heizen und Sonneneinstrahlung gefüllt und durch Wärmeverluste durch Wände und Fenster wieder geleert wird.
Hierbei werden folgende Daten berücksichtigt.
- Baumaterial der einzelnen Räume mit deren Wärmeleitfähigkeit nach außen und der Wärmespeicherfähigkeit
- Temperaturdifferenz zwischen jedem einzelnen Raum und der Außentemperatur
- Sonnenstand und ob der entsprechende Raum Sonne abbekommt. Dabei wird auch der Bewölkungsgrad berücksichtigt und ob Rollläden geöffnet oder geschlossen sind.
- Geöffnete Fenster der jeweiligen Räume
Jetzt gibt es 2 openHAB Regeln welche alle 2 Minuten laufen und dabei den Stand des Wärmespeichers berechnen als auch die Entscheidung ob geheizt werden muss oder nicht.
1. Regel - Berechnung des Wärmespeichers
Dies ist noch die einfachere der beiden Regeln. Hier werden zwei Werte berechnet. Ersten die Energiezufuhr und zweitens der Energieabfluss.
Energiezufuhr
Die Energiezufuhr berechnet sich aus der Temperaturdifferenz der Zuleitung und des Rückflusses der Fußbodenheizung. Hierzu habe ich zwei Temperatursensoren an die entsprechenden Kupferrohre angebracht. Zusätzlich lässt sich aus der Heizung die Drehzahl der Umlaufpumpe und damit die Fließgeschwindigkeit auslesen. Auf diese Art kann man zeitlich genau die Energiemenge in Watt berechnen die dem Haus in jeder Minute zugeführt wird. Zusätzlich wird mit eingerechnet wie stark die Sonne anhand des Sonnenstandes auf jedes einzelne Fenster scheint und ob die Rollläden unten oder oben sind.
Energieabfluss
Der Energieabfluss wiederum berechnet sich aus der Wärmeleitfähigkeit und der Fläche der Außenwände und der Temperaturdifferenz zwischen den Räumen und der Außenluft. Auf diese Art kann man berechnen wie viel Watt Energie dem Raum pro Minute verloren geht. Zusätzlich wird berücksichtigt ob ein Fenster im entsprechendem Raum geöffnet oder geschlossen ist und wie viel Energie dadurch entweicht.
Zum berechnen der Temperaturdifferenz habe ich alle Räume mit Temperatursensoren ausgestattet. Details hierzu findet man im Bereich Arduino Umweltsensoren.
Erwärmungskorrektur
Ein dritter Faktor ist die benötigte Menge Energie die man braucht um das Haus anhand seiner baulichen Beschaffung um 0.1 Grad zu erwärmen. Hierbei spielt die Speicherfähigkeit der Baumaterialien eine entscheidende Rolle. Jedes Mal wenn sich das Haus um 0.1 Grad erwärmt hat ziehe ich diesen Energiebedarf vom Wärmespeicher ab.
Somit ergibt sich der Füllstand des Wärmespeichers aus folgender Formel:
Neue gespeicherte Energiemenge = Alte gespeicherte Energiemenge + Energiezufuhr - Energieabfluss - Energiebedarf bei erfolgter Hauserwärmung
Als Informationsquellen waren folgende Links sehr hilfreich
- https://www.ubakus.de/u-wert-rechner/
- http://www.luftdicht.de/Paul-Luftvolumenstrom_durch_Undichtheiten.pdf
- http://www.shodor.org/os411/courses/_master/tools/calculators/solarrad/
- http://scool.larc.nasa.gov/lesson_plans/CloudCoverSolarRadiation.pdf
Besonders sei hier auf den U Wert Rechner hingewiesen der einem dabei hilft die Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherfähigkeit von Baumaterialien zu berechnen. Dabei spielt nicht nur das Mauerwerk selbst eine Rolle sondern auch welche Art von Innenputz, Außenputz und deren Dicke sowie alle Arten von zusätzlichen Isolierungen. Sei es am Mauerwerk selbst, in der Bodenplatte oder auf dem Dach.
2. Regel - Berechnung des Heizbedarfs
Zur Berechnung des Heizbedarfs wird zuerst berechnet wie hoch die Differenz zwischen aktueller Raumtemperatur und eingestellter Komforttemperatur ist. Im Anschluss wird berechnet wie viel Energie man benötigt um diese Erwärmung zu erreichen. Auch hier spielt die Speicherfähigkeit der Baumaterialien eine entscheidende Rolle. Falls die benötigte Energiemenge kleiner ist als die Energiemenge die bereits im Haus gespeichert ist braucht nicht geheizt werden. Dies spiegelt quasi die Trägheit einer Fußbodenheizung wieder.
Bedarfsbestimmung
Falls aber Energie benötigt wird, wird berechnet wie lange geheizt werden muss um diese Energiemenge bereit zu stellen. Für diese Berechnung werden hypothetische Werte angenommen. Das heißt es wird von einer maximalen Heizleistung ausgegangen. Zusätzlich werden Forecast Daten (4 und 8 Stunden) der Außentemperatur, des Sonnenstandes und des Bewölkungsgrades zur Berechnung des Energieabfluss genutzt. Hieraus lässt sich im Voraus berechnen wann die Heizung anspringen muss um in einem bestimmten Zeitfenster eine bestimmte Zieltemperatur zu erreichen.
d.h. auch hier wird der Trägheit einer Fußbodenheizung Rechnung getragen. Sie fängt, egal bei welcher Witterung, zeitig genug in der Nacht an zu heizen damit es morgens wenn man aufsteht warm ist. Genauso hört sie gerade früh genug auf zu heizen damit man von der Nachtabsenkung nichts mitbekommt solange man wach ist.
Bei der Berechnung des Heizbedarfs werden folgende Dinge berücksichtigt
- Zu erwartende Außentemperatur in 4 und 8 Stunden
- Zu erwartender Sonnenstand und Bewölkungsgrad in 4 und 8 Stunden
- Nachtabsenkung mit Unterscheidung zwischen Wochentags und Wochenende
- Eingestellte Komforttemperatur
Fazit und Quellen
Als Ergebnis wird die Temperatur so genau gesteuert das sie nur noch einer Schwankung von 0,1 bis 0,2 Grad unterliegt. Zusätzlich ist mein Gasverbrauch um ca. 30% gesunken.
Die openHAB Regeln zum Berechnen und Steuern der Heizung sind Teil meines Deployment Projektes und können dort runter geladen werden. Alternativ können sie auch direkt aus meinem Github Repository bezogen werden.