Die folgenden Abschnitte erklären Details der Regelalgorithmen. Man kann sie leichter nachvollziehen, wenn man sich das Hydraulikschema und die Gesamtübersicht des Steuerprogramms daneben legt (PDF oder TAPPS2).
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).
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.
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:
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:
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:
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:
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.