Solarregelung

Die Aktivierung der Solaranlage wird über die Funktion Solarregelung der UVR1611 gesteuert. Da wir mit unserer Anlage sowohl Wasser für die Warmwasserbereitung als auch für die Heizungsunterstützung erzeugen, benötigen wir zwei Instanzen des Funktionsmoduls, SolarWW und SolarHzg. Beide prüfen, ob die Kollektortemperatur S 1 größer als die jeweilige Referenztemperatur ist (S 7 bzw. THeizungsunterstützung).

Regelung Solaranlage Teil 1
Regelung Solaranlage Teil 2

Zusätzlich verwenden wir noch die Startfunktion SOLSTART der UVR1611, um unsere Solaranlage so früh wie möglich in Betrieb zu setzen. Auf einen Strahlungssensor haben wir dabei verzichtet. Zur Priorisierung der beiden Solarregelungen verwenden wir die Solarvorrang SOLVORR-Funktion der UVR1611, so dass zu jedem Zeitpunkt nur eine der beiden Solarregelungen aktiv ist. Dabei hat die Warmwasserbereitung Priorität vor der Heizungsunterstützung, so dass Warmwasser erzeugt wird, wenn die Leistung der Solaranlage dafür ausreicht.

Regelung Solaranlage Teil 3
Regelung Solaranlage Teil 4

Die Einschaltbedingungen aktivieren die Solaranlage, sobald die Einspeisung in den Puffer möglich ist. Sie steuern darüber hinaus die Umschaltung zwischen Warmwassermodus und Heizungsunterstützung. Allerdings ist es nicht sinnvoll, die Anlage länger als nötig im Warmwassermodus zu betreiben. Wenn bereits eine ausreichende Menge Warmwasser zur Verfügung steht, dann sollte die darüber hinaus zur Verfügung stehende Sonnenenergie in die Heizungsunterstützung investiert werden. Ansonsten würde sehr viel Warmwasser im oberen Teil des Puffers erzeugt, die Heizung müsste im ungünstigen Fall dennoch mit der Gastherme betrieben werden, weil der untere Teil des Puffers nicht geladen würde. Erst wenn sowohl genügend Warmwasser als auch genügend Wasser für den Heizungsbetrieb erzeugt wurde, dann soll wieder auf den Warmwassermodus zurückgeschaltet werden.

Um dies zu erreichen, übersteuern wir die Vorrangfunktion der UVR1611 durch diese Logik:

Regelung Solaranlage Teil 5

Die Solarregelung SolarWW gibt dabei nicht unmittelbar den Solarkreis frei, sondern aktiviert die beiden Vergleiche VERGL2 und VERGL3. VERGL2 prüft, ob der Puffer unten (S 5) bereits die TVorlauf-FBH-Soll überschritten hat. In diesem Fall ist der gesamte untere Teil des Puffers bereits mit Warmwasser für den Heizungsbetrieb gefüllt, so dass nun wieder zur Warmwassererzeugung gewechselt werden kann. VERGL3 prüft, ob der Puffer im oberen Bereich (S 7) bereits TWW-Soll, die Solltemperatur für Warmwasserbereitung erreicht hat. Wenn das noch nicht der Fall ist, also noch nicht genügend Warmwasser erzeugt wurde, dann wird über den inversen Ausgang ebenfalls in den Warmwassermodus geschaltet. Die Logikfunktion ODER2 kombiniert die beiden Bedingungen für den Warmwassermodus und schaltet die Höhe der Einspeisung in den Puffer über das Ventil A 4 so, dass die Schichtung im Puffer erhalten bleibt.

Die Logikfunktionen ODER1, ODER3 und ODER4 steuern die Freigabe von Primär- und Sekundärkreis:

  • ODER1 kombiniert die Einschaltsignale der Solarregelungen SolarWW und SolarHzg. Wenn die UVR1611 eine der beiden Regelungen aktiviert, dann bedeutet das eine Freigabe zur Aktivierung der Gesamtanlage, d.h. Primär- und Sekundärkreis müssen aktiviert werden. Der Ausgang von ODER1 wirkt daher auf die nachgeschalteten Funktionen entsprechend.
  • ODER3 aktiviert seinen Ausgang nur dann, wenn die Anlage im Heizungsbetrieb arbeiten soll, also entweder die Solarregelung SolarHzg aktiv ist oder die Solarregelung SolarWW aktiv ist, die vorstehend beschriebene Logik aber den Betrieb im Heizungsmodus erzwingt.
  • ODER4 aktiviert den Primärkreis durch Einschalten der Kollektorpumpe. Dies erfolgt, wenn die Anlage über eine der beiden Solarregelungen aktiviert wurde oder die Startfunktion oder der Solarvorrang einen Spülvorgang anfordern.

Das so realisierte Puffermanagement wird somit durch die folgende Tabelle beschrieben, wobei sich voll und leer auf die jeweiligen Referenztemperaturen der beiden Solarregelungen beziehen:

Pufferzustand Solarleistung ausreichend für
Heizungsmodus Warmwassermodus
WW-Bereich leer
HZG-Bereich leer
HZG-Bereich laden WW-Bereich laden
WW-Bereich voll
HZG-Bereich leer
HZG-Bereich laden HZG-Bereich laden
WW-Bereich leer
HZG-Bereich voll
Laden nicht möglich WW-Bereich laden
WW-Bereich voll
HZG-Bereich voll
Laden nicht möglich erst HZG-Bereich laden
dann gesamten Puffer laden
(siehe folgender Abschnitt)

Nachdem der Betriebszustand in Abhängigkeit der verfügbaren Solarleistung und der vorhandenen Pufferladung festgelegt ist und das Ventil A4 entsprechend geschaltet wurde, muss im nächsten Schritt die Drehzahl der Ladepumpe A2 im Sekundärkreis berechnet werden. Die Kollektorpumpe A1 hingegen arbeitet mit konstanter Drehzahl und transportiert die gesammelte thermische Leistung zum Wärmetauscher. Je nach Leistung der Ladepumpe A2 kann dann die Temperatur der Einspeisung stufenlos zwischen der tiefsten Temperatur im Puffer (Ansaugung der Ladepumpe) und der maximalen Temperatur geregelt werden, die vom Kollektor aktuell geliefert wird. Der Wärmetauscher wirkt gleichsam wie ein Untersetzungsgetriebe, das die Temperatur des Primärkreislaufs in die gerade benötigte Temperatur im Sekundärkreislauf umsetzt.

Die Regelung der Drehzahl erfolgt mit zwei PID-Reglern, von denen der Regler SolarWW die Pumpenleistung im Warmwassermodus und Regler SolarHzg die Pumpenleistung im Heizungsmodus steuert:

Regelung Solaranlage Teil 6
Regelung Solaranlage Teil 7

Im PID-Regler SolarWW sind sowohl die Absolutwertregelung als auch die Differenzregelung aktiviert. Regelgröße ist in beiden Fällen TSolar-VL, die Temperatur am Ausgang des Wärmetauschers, die über Umschaltventil A4 in den Puffer eingespeist wird. Für die Absolutwertregelung wird hierfür als Sollwert die Warmwasser-Solltemperatur herangezogen. Für die Differenzregelung wird der kleinere Wert der Differenz durch die Temperatur unten im Puffer gesetzt und die Differenz auf etwa 3°C fixiert. Beide Regler arbeiten positiv, so dass die Pumpendrehzahl am Ausgang steigt, wenn die Einspeisetemperatur über den jeweiligen Sollwert steigt. Dadurch steigt der Durchfluss kühleren Wassers, die vom Wärmetauscher eingebrachte Leistung wird auf ein größeres Wasservolumen verteilt und die Einspeisetemperatur sinkt wieder.

Bei gleichzeitig aktiviertem Absolut- und Differenzregler wird am Ausgang des PID-Reglers die kleinere Drehzahl ausgegeben. Solange die Anlage im Warmwassermodus arbeitet, entsteht dadurch folgender Regeleffekt:

  • Solange das Wasser für den Heizungsbetrieb im unteren Teil kälter als das Wasser im oberen Warmwasserbereich ist, wird der Puffer von oben her mit der konstanten Warmwassertemperatur geladen, so dass zunächst so viel Warmwasser wie möglich produziert wird.
  • Mit der Zeit entsteht so im oberen Bereich eine Zone, in der das Wasser konstante Temperatur (Warmwassertemperatur) besitzt.
  • Darunter befindet sich das kühlere Wasser für den Heizungsbetrieb, die Zonengrenze wandert bei Fortsetzung des Ladevorgangs immer weiter nach unten.
  • Wenn die Zonengrenze unten im Puffer ankommt, dann steigt dort die Temperatur bis auf die Warmwassertemperatur an.
  • Jetzt gewinnt der Differenzregler die Oberhand und senkt die Drehzahl am Ausgang so weit, dass die Einspeisetemperatur immer 3°C über der Temperatur unten im Puffer liegt.
  • Weil die Einspeisung von oben erfolgt, wandert die jetzt höhere Einspeisetemperatur ebenfalls langsam von oben nach unten durch den Puffer.
  • Kommt die höhere Temperatur unten an, so erhöht sich wiederum die Einspeisetemperatur und der Zyklus beginnt von vorne. Auf diese Weise gelingt es, den gesamten Puffer zu nutzen und komplett durchzuladen.

Dabei ist es wichtig, als Bezugstemperatur stets die untere Temperatur (S 5) des Puffers zu wählen. Wählt man dagegen die obere Temperatur, so entsteht ein Selbstblockade-Effekt. Da sich eingespeistes warmes Wasser oben im Puffer sammelt, würde sich dort die Temperatur erhöhen, was wiederum eine Erhöhung der Einspeisetemperatur zur Folge hätte. Da die von den Kollekturen gelieferte Temperatur und Leistung begrenzt ist, wird es zunehmend schwerer, die steigende Einspeisetemperatur noch zu erreichen, bis schliesslich keine Einspeisung mehr möglich ist, obwohl im unteren Bereich des Puffers noch ausreichend Speicherkapazität vorhanden wäre.

Der PID-Regler SolarHzg zur Regelung der Einspeisetemperatur im Heizungsmodus arbeitet dagegen als reiner Differenzregler. Als Referenz dient die Heizungsunterstützungstemperatur THeizungsunterstützung, deren Berechnung hier erläutert wird. Die Einspeisung erfolgt direkt in die Mitte des Puffers, so dass die Schichtung nicht gestört wird. Auch hier ist die Einspeisetemperatur keine feste Größe, sondern erhöht sich ähnlich wie oben, sobald der untere Bereich des Puffers durchgeladen wurde und eine höhere Temperatur unten im Puffer ankommt, so dass auch hier eine optimale Einlagerung der eingestrahlten Sonnenwärme erfolgt.

Zuletzt werden die Drehzahlen der beiden PID-Regler noch durch die Analogfunktion MAX(An)1 zusammengefasst. Die beschriebene Logik sorgt dafür, dass immer nur einer der beiden Regler in Betrieb ist, so dass das Regelsignal von MAX(An)1 an die Ladepumpe A2 immer eindeutig ist.

Hydraulikschema Solaranlage

A 1 A 2 A 4 S 1 S 2 S 4 S 5 S 6 S 7 S 16 S 8
updated 15.03.2016 Sitemap