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Solare Speicherbeladung

Zum Thema Speicherbeladung werden folgende Themen behandelt:

Allgemeines zur solaren Speicherbeladung

Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Tipps ist es hilfreich, die Zusammenhänge zwischen Pumpendrehzahlen, Temperaturen und Leistung zu verstehen.

Im Primärkreis zirkuliert eine Wärmeträgerflüssigkeit (Sole), die die Wärme von den Kollektoren zum Wärmetauscher transportiert, wo sie an das Heizungswasser übergeben wird. Der Primärkreis wird von der Pumpe A4 angetrieben, die mit konstanter Drehzahl (d.h. ungeregelt) läuft. Die Drehzahl der Primärpumpe und damit der Volumenstrom (Durchfluss in Litern pro Stunde) kann lediglich über den dreistufigen Schalter variiert werden, der sich direkt an der Pumpe befindet. BUSO empfiehlt einen Volumenstrom von 10-20 Litern pro m² und Stunde. Meine 14-m²-Anlage läuft normalerweise auf Stufe 1 der Pumpe mit 220-250 l/h, was einem Durchfluss von etwa 15-18 l/m²h entspricht. Ist der Volumenstrom zu hoch, können sich keine ausreichenden Temperaturen im Kollektor bilden, ist er zu niedrig, sinkt der Ertrag, weil der Kollektor bei hohen Temperaturen mit einem schlechteren Wirkungsgrad arbeitet. Außerdem wird bei unnötig hohem Volumenstrom mehr elektrische Energie für die Primärpumpe verbraucht.

Im Sekundärkreis wird von der Pumpe A1 Heizungswasser von unten aus dem Puffer - dem kältesten Bereich - zum Wärmetauscher gepumpt. Dort entzieht das kältere Heizungswasser dem wärmeren Primärkreis Wärme. Das erwärmte Heizungswasser wird dann, je nach Temperatur, in der Mitte oder in der Spitze des Speichers eingeschichtet.

Aus der Abkühlung des Primärkreises, also der Differenztemperatur zwischen Primär-Vorlauf und -Rücklauf, multipliziert mit dem Volumenstrom und der spezifischen Wärmekapazität der Sole, errechnet der Wärmemengenzähler im UVR1611 die Momentanleistung der Anlage. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf ist, desto höher ist die Momentanleistung.

Die Sekundärkreispumpe A1 wird vom UVR1611 drehzahlgeregelt, normalerweise im Bereich 10 bis 30, dies entspricht 30-100% der Maximaldrehzahl. Der Drehzahlschalter an der Pumpe (sofern vorhanden) sollte auf der höchsten Stufe stehen.

Bei der Regelung gilt generell:

Je langsamer A1 dreht, desto länger verbleibt das Heizungswasser zur Erwärmung im Wärmetauscher. Daher wird die Temperatur des Sekundärvorlaufs (die Ladetemperatur) höher.

Je schneller A1 dreht, desto kälter ist das sekundärseitige Wasser im Wärmetauscher und kann daher der Primärseite mehr Wärme entziehen. Die Temperaturdifferenz auf der Primärseite wird größer und die Momentanleistung steigt. Die Temperatur des Sekundärvorlaufs ist dafür niedriger.

Damit wird deutlich, dass die Wahl der richtigen Ladestrategie (=Sekundärkreisregelung) immer ein Kompromiss zwischen Temperatur und Ertrag ist. Bei Versuchen an durchgehend sonnigen Tagen habe ich aber festgestellt, dass sich der Gesamtertrag am Ende des Tages nicht wesentlich unterscheidet, egal, ob temperatur- oder leistungsoptimiert beladen wurde. Dafür unterscheidet sich aber das erreichte Temperaturniveau: 55° im Puffer oben bei 1,5 kWh weniger Gesamtertrag sind oft besser als 48° bei höherem Ertrag. Gibt es an einem Tag nur zeitweise Sonne, können die Unterschiede noch deutlicher ausfallen.

Optimierung der alten Sekundärkreisregelung (bis Mitte 2005)

Mit der bei meiner Anlage mitgelieferten Sekundärkreisregelung war ich überhaupt nicht zufrieden. Mittlerweile hat BUSO die Sekundärkreisregelung geändert und entscheidend verbessert (siehe nächstes Thema). Die hier vorgeschlagene Optimierung setze ich nicht mehr ein, sondern die neue BUSO-Regelung.

Bei der alten originalen Regelung wurde A1 so geregelt, dass Solar-RL (Rücklauf Primärkreis) eine Differenz von 10 K zu Puffer.unten hat. Außerdem wurde die Mindestdrehzahl von A1 auf 20 gesetzt. Diese Ladestrategie war zwar stark leistungsorientiert, es kamen aber keine vernünftigen Ladetemperaturen zustande. Außerdem floss das nur mäßig erwärmte Wasser aus dem Sekundärkreis aufgrund der hohen A1-Drehzahl so schnell in den Speicher, dass regelmäßig die Schichtung zerstört wurde. Eigentlich lief A1 immer auf Stufe 20, da wegen der hohen Differenztemperatur von 10 K die Regelung so gut wie nie einen Anlass hatte, die Drehzahl zu verändern. Interessanterweise entsprach die Regelung nicht dem Regelschema, das der Anlage beilag: Dort war eine Differenz von 5 K bei einer Mindestdrehzahl von 10 angegeben. Diese Werte hätten brauchbar funktioniert.

Nach wenigen Tagen Betrieb habe ich die Regelung wie folgt geändert (neue Werte in rot):

Damit wird der primäre Rücklauf nahe an Puffer.unten gehalten, was für gute Erträge bei brauchbaren Temperaturen sorgte.

Neue Sekundärkreisregelung von BUSO (ab Mitte 2005)

Mitte 2005 hat BUSO die Regelung der Pumpe A1 geändert. Die Ladung erfolgt jetzt temperaturoptimiert, bis der Sekundärvorlauf Puffer.oben erreicht hat und Puffer.oben ein gewisses Niveau im Vergleich zur Warmwasser-Solltemperatur hat, und anschließend leistungsoptimiert. Dies ist bei einer niedrigen WW-Solltemperatur besonders wirkungsvoll. Dieser Abstand zur WW -Solltemperatur beträgt normalerweise 15 K (in der folgenden Abbildung ist dies der Wert DIFF.SOLL). In den Monaten, in denen sowieso täglich geheizt werden muss, habe ich diesen Wert auf 8 K reduziert, damit die leistungsoptimierte Beladung früher einsetzt.

Leider erhalten BUSO-Kunden mit älteren Anlagen nicht automatisch Updates der Regelungs-Software. Falls Sie die neue Regelung einsetzen möchten, programmieren Sie folgende PID -Regelung in den UVR1611. Sie können entweder die vorhandene PID-Regelung verändern oder, wie ich es gemacht habe, eine neue PID-Regelung programmieren und die Freigabe der alten Regelung auf “Benutzer: AUS” stellen. Damit können Sie durch Ändern der Freigabe zu Testzwecken zwischen beiden Regelungen wechseln. Achten Sie aber darauf, dass nie beide Regelungen gleichzeitig freigegeben sind und dass die richtige Freigabebedingung eingestellt wird!

Welche Ladestrategie ist die richtige?

Zum Thema Ladestrategien habe ich mittlerweile einige Mails von anderen Anlagenbetreibern bekommen. Die mitgeteilten Erfahrungen können gegensätzlicher nicht sein. Es kommt erheblich auf den Randbedingungen (z.B. Speichergröße, Art der Heizung) an, welche Strategie am besten funktioniert.

Ein Betreiber ist mit der alten BUSO-Originalregelung (Sekundärpumpe minimal auf 20) am zufriedensten. Damit holt er dem maximalen Ertrag heraus, den er trotz relativ niedriger Ladetemperaturen mit seiner Fußbodenheizung gut verwerten kann. Ein anderer Betreiber hat die Mindestdrehzahl der Sekundärpumpe noch weiter gesenkt als bei meiner angepassten Originalregelung (Primär-Rücklauf nahe an Puffer.unten), um möglichst hohe Temperaturen zu erreichen.

Ich war mir nicht sicher, ob meine Anlage auch im Winter mit der neuen BUSO-Regelung, die erst temperatur-, dann leistungsoptimiert arbeitet, am besten funktioniert, da aufgrund der niedrigen Ladetemperaturen im Winter die leistungsoptimierte Phase nie erreicht wird. Daher habe ich zwei Mal an jeweils zwei aufeinanderfolgenden Tagen im Dezember 2005 und Januar 2006 die verschiedenen Strategien getestet. Die Tage waren jeweils fast gleich kalt und wolkenlos, so dass die Ergebnisse vergleichbar sind. Mit der angepassten Originalregelung war der Ertrag jeweils knapp 10 Prozent höher als mit der neuen BUSO-Regelung, dafür war die Ladetemperatur (Vorlauf sekundär) zu den Spitzenzeiten 10 K niedriger: 45° bei der angepassten Original-Regelung, 55° bei der neuen Regelung, jeweils bei einer Außentemperatur zwischen -5° und +2°. Der Heizkreis lief mit einem Vorlauf von etwa 42°. Die wichtigste Erkenntnis bei beiden Versuchen war jedoch: Trotz geringerer Tageserträge bei der neuen BUSO-Regelung hatte der Heizungsbrenner längere Pausen. Und darauf kommt es schließlich an, nicht auf die Erträge. Ich werde also auch im Winter bei den neuen BUSO-Regelung bleiben. Mit einer Fußbodenheizung hätte das Ergebnis vielleicht anders ausgesehen.

Fazit: Probieren Sie die verschiedenen Strategien aus. Bei ausschließlicher Nutzung einer Fußbodenheizung könnte die angepasste Originalregelung zumindest während der Heizperiode besser funktionieren, vor allem bei großen Anlagen, die an sonnigen Wintertagen die Heizlast locker abdecken können. Im Sommer und während der Übergangszeit ist die neue BUSO-Regelung möglicherweise bei allen Anlagenarten am besten, da schnell der WW-Speicher aufgefüllt wird und somit Brennerstarts vermieden werden.

Deaktivierung der Zwangstopladung

In der Originalregelung von BUSO wird eine Funktion verwendet, die ich als “Zwangstopladung” bezeichne. Es gibt mindestens zwei Varianten dieser Funktion:

Beiden ist gemeinsam, dass ab einer bestimmten Temperatur des Sekundärvorlaufs (Ladetemperatur) die Topladung aktiviert wird, der Puffer also oben beladen wird, unabhängig davon, wie warm der Puffer oben zu dieser Zeit ist. Bei Variante 1 erfolgt dies, wenn der Sekundärvorlauf 60° C erreicht hat, bei Variante 2, wenn er 13 K über der WW-Solltemperatur liegt.

In Solstat sind die Auswirkungen dieser Funktion in Solstat gut zu sehen:

Nachdem die Zwangstopladung bei 60° C im Sekundärvorlauf eingeschaltet wurde, brach die Temperatur Puffer.oben zusammen. Zwar hat Puffer.oben nach 2 Stunden das alte Niveau erreicht, es gab aber durchaus etliche Tage, wo die verbleibende Sonnenscheindauer dafür nicht ausgereicht hat. Im ungünstigsten Fall hat man den Tag beispielsweise mit 75° oben begonnen und mit 62° beendet. Bei Variante 2 der Zwangstopladung tritt dieser Effekt, je nach WW -Temperatur, sogar noch früher auf.

 

Da ich den Sinn dieser Funktion nicht nachvollziehen konnte, empfahl ich in früheren Tipps, die Zwangstopladung abzuschalten. Mittlerweile habe ich von Herrn Jörg Buschbeck eine Erläuterung dieser Funktion erhalten, die Sie hier lesen können. Kurz gesagt: Ab Juli 2006 wurde die Technik verändert. Bei diesen neuen Anlagen sollte die Zwangstopladung nicht abgeschaltet werden, insbesondere bei Anlagen mit mehreren Speichern. Bei älteren kann, je nach Nutzungsprofil, eine Abschaltung Vorteile bringen oder auch nicht.

Nachfolgend sind meine älteren Hinweise zur Abschaltung weiterhin aufgeführt. Entscheiden und probieren Sie bei älteren Anlagen (vor Juli 2006) selbst, was bei Ihnen besser funktioniert. Bei neueren Anlagen sollten Sie die Zwangstopladung beibehalten und bei Einbrüchen der Puffertemperatur oben darauf vertrauen, dass BUSO sich dabei etwas gedacht hat ;-)

Die Abschaltung ist schnell gemacht: Einfach die Freigabe der jeweiligen Funktion auf “Benutzer: AUS” setzen. Danach erfolgt die Topladung nur dann, wenn der Sekundärvorlauf wärmer als Puffer .oben ist, und die Temperaturkurven sind jetzt auch ohne Dellen.

Ergänzung 17.09.2006: Bei deaktivierter Zwangstopladung wird ja bekanntlich die Topladung nur dann aktiviert, wenn der Sekundärvorlauf etwas wärmer als Puffer.oben ist. Dies beißt sich etwas mit der neuen Solarregelung, bei der ab einem gewissen Pufferniveau versucht wird, den Sekundärvorlauf auf Puffer.oben einzuregeln. Der Sekundärvorlauf pendelt dadurch um Puffer.oben herum und erreicht nicht immer die Schwelle, um die Topladung zu aktivieren. Ist die Topladung dann endlich aktiviert, wird sie relativ häufig wieder deaktiviert, wenn der Sekundärvorlauf kurzzeitig geringfügig kühler wurde.

Um diesen Effekt zu verhindern, habe ich in der Funktion, die die Topladung einschaltet (DIFFUNKT.1 bei mir) die Einschaltschwelle DIFF.EIN auf 0,5 K und die Ausschaltschwelle DIFF.AUS auf -0,5 K geändert. Damit wird jetzt häufiger die Topladung aktiviert und deutlich länger beibehalten.

Ergänzung 11.02.2007: Vor einiger Zeit hatte ich Gelegenheit, mir ein relativ neues BUSO-Programm anzusehen (Datum: Sommer 2006). In diesem Programm erfolgt die Zwangstopladung noch schneller. Die Topladung wird immer aktiviert, wenn der Sekundärvorlauf 3 K wärmer als das Maximum aus Heizungsvorlauftemperatur und Warmwassertemperatur+5 ist, unabhängig davon, wie warm Puffer.oben ist. Beispiel: Läuft keine Heizung und ist das WW auf 43° eingestellt, erfolgt die Topladung, wenn 43+5+3=51° überschritten sind. Im konkreten Fall vom Oktober 2006 hatte Puffer .oben anfänglich solar erzeugte 86°, ab 52° erfolgte die Topladung, am Ende des Tages wurde Puffer.oben dadurch auf 72° abgekühlt.