2. Grundlagen und Begriffe        FACHHOCHSCHUL-DIPLOMSTUDIENGANG             ÖKOENERGIETECHNIK WELS     Fernüberwachung u...
Fachhochschul-Diplomstudiengang   Ökoenergietechnik WelsIch erkläre ehrenwörtlich, dass ich dievorliegende Arbeit selbstst...
KURZFASSUNGDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fernüberwachung und –wartungpumpenbetriebener thermischer Solar...
ABSTRACTThe present work deals with the remote-monitoring and -maintenance of pumpedsolar thermal systems and was created ...
KURZFASSUNG ................................................................................................ IIABSTRACT .....
3   PRAKTISCHE LÖSUNGEN ZUR FERNÜBERWACHUNG UND -    WARTUNG ................................................................
AbkürzungsverzeichnisF&E         Forschung und EntwicklungWMZ         WärmemengenzählerMAG         Membranausdehnungsgefäß...
1. Einleitung1 Einleitung1.1 Problemstellung und Motivation1.1.1 Auftraggeber TiSUNDie TiSUN GmbH ist ein Solarunternehmen...
1. Einleitung1.1.2 Defekte und leistungsschwache Solaranlagen                                                             ...
1. EinleitungAbbildung 2: Zusammenstellung möglicher Störfälle einer Solaranlage, aufgeteilt auf die verschiedenenTeilbere...
1. EinleitungViele Probleme lassen sich aber schwer oder gar nicht über eine Momentan-betrachtung der Solaranlage lösen. D...
1. Einleitung           •    Aufzeichnung von Anlagenparametern           •    Datenauswertung über PC-SoftwareDiese Daten...
1. Einleitungmit hohem zeitlichem und personellem Aufwand durchgeführt. Daher werdenAuswertungen häufig eingespart, Anlage...
1. Einleitung1.2 ZielsetzungDie Zielsetzung ist, Lösungen für die Fernüberwachung und -wartung thermischerSolaranlagen zu ...
1. Einleitung1.3 Definierung von SystemgrenzenDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit pumpenbetriebenen thermischenSol...
2. Grundlagen und Begriffe2 Grundlagen und Begriffe2.1 Funktionsweise                und       Bestandteile           eine...
2. Grundlagen und Begriffe(siehe Abbildung 6). Sobald die Temperaturdifferenz zwischen Kollektorfühler(Tk)und Speicherfühl...
2. Grundlagen und Begriffesich dann in Stagnation und heizt sich auf, bis die Wärmeverluste über dasKollektorgehäuse mit d...
2. Grundlagen und Begriffesogenannten Solarstationen vormontiert und mit einer passenden Isolierschaleversehen.Im Bezug au...
2. Grundlagen und Begriffe2.2 Vorhandene Messtechnik bei thermischen SolaranlagenUm eine Fernüberwachung und -wartung von ...
2. Grundlagen und BegriffeDatenquellen                 Einheit    VerwendungTemperatursensoren             °C       Differ...
2. Grundlagen und BegriffeEin in Abbildung 8 ersichtlicher Genauigkeitsvergleich zwischen - in derHeizungsbrache teils ver...
2. Grundlagen und BegriffeAbbildung 9: Platin-Widerstandsfühler Typ Pt1000 mit Silikon(links) und PVC(rechts) KabelmantelF...
2. Grundlagen und BegriffeAbbildung 10: Platzierung des Kollektortemperaturfühlers über eine Tauchhülse im oberen Sammelro...
2. Grundlagen und Begriffe2.2.2 Durchflussmessung und WärmemengenerfassungUm die gewonnene Wärmemenge einer Solaranlage mi...
2. Grundlagen und Begriffe2.2.3 ImpulsdurchflussmesserEin Impulsdurchflussmesser, welcher den Volumenstrom mittels Flügelr...
2. Grundlagen und BegriffeAbbildung 12: Fehlerkurven von Flügelradzählern bei der Messung von Wasser-Glykol-Gemischen [13]...
2. Grundlagen und Begriffe2.2.4 Wirbelzähler zur DurchflussmessungFür eine Volumenstromerfassung mit einem Wirbelzähler be...
2. Grundlagen und BegriffeAbbildung 14: Querschnittdarstellung eines Grundfos Vortex Durchflussmesser von Grundfos:Strömun...
2. Grundlagen und Begriffe2.2.5 Wärmemengenerfassung                  .Die Wärmeleistung Q [kW] des Kollektorkreises einer...
2. Grundlagen und BegriffeBei Verwendung eines Grundfos Vortex-Durchflusssensors (siehe Abbildung 15) alsWMZ, kann der im ...
2. Grundlagen und Begriffe2.2.6 DruckAbbildung 16: Prinzipdarstellung der Druckmessung mit einem Grundfos RPS-Sensor und d...
2. Grundlagen und Begriffe                                    Grundfos Drucksensor                                    mit ...
2. Grundlagen und Begriffe2.2.7 EinstrahlungAbbildung 18: Ein günstiger Einstrahlungssensor welcher teils bei Solaranlagen...
2. Grundlagen und Begriffe2.3 Fernüberwachung und -wartungDie Daten der Messtechnik von Solaranlagen gilt es aufzuzeichnen...
2. Grundlagen und Begriffe                                       Solarregler:                                             ...
2. Grundlagen und Begriffe2.3.1 Messdatenerfassung und DatenloggerWie   in   Kapitel    2.2    beschrieben,   werden     v...
2. Grundlagen und BegriffeEin externes Zusatzmodul als Datenlogger setzt voraus, dass der Solarregler übereinen Anschluss ...
2. Grundlagen und BegriffeVerfügt der Anlagenbetreiber über einen Solarregler mit Datenlogger, kann von einerhalbautomatis...
2. Grundlagen und BegriffeAktuelle Breitbandmodems, wie in Abbildung 22 ersichtlich, verfügen meist übermehrere integriert...
2. Grundlagen und BegriffeIm einfachsten Fall liegen die aufgezeichneten Daten als kommagetrennte Werte ineiner Textdatei ...
2. Grundlagen und Begriffeweiteren Komponenten der Anlage können nur vor Ort manipuliert werden und fallensomit nicht mehr...
3. Praktische Lösungen zur                                                                      Fernüberwachung und -wartu...
3. Praktische Lösungen zur                                                                   Fernüberwachung und -wartung3...
3. Praktische Lösungen zur                                                                 Fernüberwachung und -wartungUm ...
3. Praktische Lösungen zur                                                                 Fernüberwachung und -wartung   ...
3. Praktische Lösungen zur                                                                       Fernüberwachung und -wart...
3. Praktische Lösungen zur                                                                      Fernüberwachung und -wartu...
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3. Praktische Lösungen zur                                                                        Fernüberwachung und -war...
3. Praktische Lösungen zur                                                                   Fernüberwachung und -wartungW...
3. Praktische Lösungen zur                                                                 Fernüberwachung und -wartungSys...
3. Praktische Lösungen zur                                                           Fernüberwachung und -wartungdiskutier...
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ABSTRACT (note, the work is written in german)

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.

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  1. 1. 2. Grundlagen und Begriffe FACHHOCHSCHUL-DIPLOMSTUDIENGANG ÖKOENERGIETECHNIK WELS Fernüberwachung und -wartung thermischer Solaranlagen ALS DIPLOMARBEIT EINGEREICHT zur Erlangung des akademischen GradesDiplom-Ingenieur (FH) für technisch wissenschaftliche Berufe von Martin Meingassner September 2010 Betreuung der Diplomarbeit durch: DI Hannes Zannantoni
  2. 2. Fachhochschul-Diplomstudiengang Ökoenergietechnik WelsIch erkläre ehrenwörtlich, dass ich dievorliegende Arbeit selbstständig und ohnefremde Hilfe verfasst, andere als dieangegebenen Quellen nicht benutzt, dieden benutzten Quellen entnommenenStellen als solche kenntlich gemacht habeund dass diese Arbeit mit der vomBegutachter beurteilten Arbeit über-einstimmt.Die Arbeit wurde bisher in gleicher oderähnlicher Form keiner anderenPrüfungsbehörde vorgelegt und auch nichtveröffentlicht.....................................................................Martin MeingassnerBad Häring, September 2010 I
  3. 3. KURZFASSUNGDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fernüberwachung und –wartungpumpenbetriebener thermischer Solaranlagen und wurde in Zusammenarbeit mit derFirma TiSUN GmbH erstellt. Hauptmotivation ist die Problematik, dass ein Ausfalloder Minderertrag einer Solaranlage vom Anlagenbetreiber oft gar nicht bemerktwird. Grund dafür ist das vorhandene Nachheizsystem, welches dieWarmwasserbereitung meist automatisch übernimmt.Um den Aufwand und zusätzliche Kosten für die Fernüberwachung und –wartung inGrenzen zu halten gilt es, die bereits vorhandene Mess- und Regelungstechnik vonSolaranlagen zu nutzen. Dazu wird der aktuelle Stand an gebräuchlichenTemperatur-, Durchfluss-, Druck- und Einstrahlungssensoren bei Solaranlagenuntersucht. Der Solarregler ist dabei die zentrale Schnittsstelle für Sensoreingänge,Betriebsdatenaufzeichnung und die jeweilige Übertragungsart der Daten auf eineexterne Anzeige. Für die Fernwartung ist ein Zugang auf die Einstellungen desSolarreglers erforderlich.Zur Schaffung eines praxisnahen Bezuges, werden drei am Markt verfügbareSolarregler hinsichtlich ihrer Eignung zur Fernüberwachung und –wartunguntersucht. Dabei stellt sich heraus, dass die Thematik sehr unterschiedlich gelöstwerden kann: von der einfachen Datenaufzeichnung und Übertragung mitSpeicherkarten, über Zusatzmodule mit Webserver und Netzwerkanbindung, bis hinzur 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 werdendigital erfasst, jedoch wird gezeigt, dass bereits wenige Temperaturverläufe zurgroben Funktionsbeschreibung einer Anlage ausreichen. Abschließend wird noch einAusblick auf die weiteren Entwicklungen, der auf dem Markt noch relativ jungenLösungen zur Fernüberwachung und –wartung thermischer Solaranlagen, gegeben. II
  4. 4. ABSTRACTThe present work deals with the remote-monitoring and -maintenance of pumpedsolar thermal systems and was created in cooperation with TiSUN GmbH. Mainmotivation is the problem that a failure or shortfall of a solar system is often notnoticed by the operator. The reason for this is the existing backup heater, whichtakes over the water heating mostly automatically.To keep the effort and additional costs for remote-monitoring and maintenance withinreasonable limits, the existing measurement- and control-technology of the solarsystem has to be used. Therefore the status quo of customary temperature-, flow-,pressure- and irradiation-sensors in solar systems is described. The solar controlleris the central gateway for sensor inputs, the operating data recording andtransmission of data to an external display. For remote maintenance, access to thesettings of the solar controller is required.As a practical reference, three on the market available solar controllers are examinedregarding their suitability for remote-monitoring and -maintenance. It turns out thatthe subject can be solved very differently: from simple data acquisition andtransmission with memory cards, via additional modules with web servers andnetwork connectivity, up to the data transfer to external web server or digital pictureW-LAN frames.Furthermore the data analysis of solar systems for fault detection, control andfunction 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 roughfunctional description of a plant. Finally an outlook on future developments of therelatively new solutions for remote-monitoring and -maintenance of solar thermalsystems is given. III
  5. 5. KURZFASSUNG ................................................................................................ IIABSTRACT ....................................................................................................... IIIINHALTSVERZEICHNIS .................................................................................. IVABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ........................................................................ VIINHALTSVERZEICHNIS1 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 ............................................................ 142 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 IV
  6. 6. 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 .................................................................................. 614 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 ............................ 735 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 ............................ 816 ZUSAMMENFASSUNG .............................................................................827 QUELLENVERZEICHNIS ..........................................................................848 ABBILDUNGSVERZEICHNIS....................................................................889 ANHANG ....................................................................................................93 9.1 Wartungsprotokoll für eine thermische Solaranlage ............................ 93 V
  7. 7. AbkürzungsverzeichnisF&E Forschung und EntwicklungWMZ WärmemengenzählerMAG MembranausdehnungsgefäßBAFA Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (DE)DFÜ DatenfernübertragungLAN Lokales NetzwerkEthernet Technik für ein kabelgebundenes DatennetzEU Europäische UnionPC Personal ComputerSD-Karte Secure Digital – SpeicherkarteGDS Grundfos Direct SensorsVFS Vortex Flow Sensor (Grundfos)RPS Relative Pressure Sensor (Grundfos)PWM PulsweitenmodulationIP InternetprotokollRS-232 Standard für eine serielle SchnittstelleW-LAN drahtloses lokales NetzwerkIFA InternetfernanzeigeISFH Institut für Solarenergieforschung in HamelnIOC Input/Output ControlVDI Verein Deutscher Ingenieure VI
  8. 8. 1. Einleitung1 Einleitung1.1 Problemstellung und Motivation1.1.1 Auftraggeber TiSUNDie TiSUN GmbH ist ein Solarunternehmen, welches sich seit über zwanzig Jahrenauf die Produktion und den Vertrieb thermischer Solaranlagen spezialisiert hat. MitStand 2010 beschäftigt das Unternehmen ca. 120 Mitarbeiten am Hauptsitz in Söllund hat eine Vielzahl von Vertriebspartnern in mittlerweile 36 Ländern weltweit.Der Verfasser war bereits in der Ferienzeit des FH-Ökoenergietechnikstudiums beiTiSUN tätig und ist mittlerweile Vollzeit-Angestellter im Bereich Produktmanagementund F&E.TiSUN benötigt benutzerfreundliche Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungthermischer Solaranlagen, welche direkt am Solarregler integriert bzw. erweitertwerden 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 GemeinschaftssolaranlageThermische Solaranlagen gibt es mit Kollektorflächen zwischen 2 m² bis mehrere100 m², wobei das Wärmespeichersystem, die Ausrichtung der Kollektorfelder oderauch die verwendete Regelungstechnik unterschiedlich ausgeführt werden. Aufgrunddieser Komplexität und dem unterschiedlichen Preisniveau der Anlagen, ist es nichtmöglich eine Fernüberwachung und Wartungslösung zu erstellen, welche alle zuerwartenden Fälle in der Solarthermie abdeckt. Hier gilt es angepassteFernüberwachungs- und Wartungslösungen für die jeweiligen Anwendungsbereichezu finden und zu beschreiben. 7
  9. 9. 1. Einleitung1.1.2 Defekte und leistungsschwache Solaranlagen Nachheizung €Abbildung 1: Eine defekte Solaranlage wird vom Verbraucher nicht bemerkt, die Warmwasserbereitungübernimmt die Nachheizung [1] (Grafik vom Autor erweitert)Hauptgründe für Kunden in eine Solaranlage zu investieren sind Kostenersparnissebei der Trink- und Heizwassererwärmung, eine unabhängigere Energieversorgungsowie der Gedanke etwas Gutes für die Umwelt zu tun.Ist die Solaranlage aber einmal defekt oder bringt nur wenig Leistung, bemerkt diesder Nutzer nicht sofort, siehe Abbildung 1. Das Nachheizsystem übernimmt dann dieWarmwasserbereitung, was - wenn überhaupt - erst bei der nächsten Heiz- bzw.Stromkostenrechnung auffällt.Für den Endverbraucher zählt nur die Energiedienstleistung „Warmes Wasser“. Obdieses nun durch Sonnenenergie oder einen Heizkessel erwärmt wurde ist für ihnnicht spürbar. Somit kann ein Defekt auch über mehrere Jahre unentdeckt bleiben. 8
  10. 10. 1. EinleitungAbbildung 2: Zusammenstellung möglicher Störfälle einer Solaranlage, aufgeteilt auf die verschiedenenTeilbereiche der Anlage [2]Abbildung 2 zeigt eine Übersicht möglicher Störfälle einer Solaranlage. Bei derAnlagenüberprüfung durch einen Fachmann steht diesem nur der gegenwärtigeZustand der Anlage zur Verfügung, welchen er anhand einer Wartungschecklistebeurteilen kann. Ein Totalausfall der Anlage kann dabei mit hoher Wahrscheinlichkeitentdeckt werden durch: • Manuellen Testlauf der Pumpen • Plausibilitätsprüfung und Platzierung der Temperatursensoren • Beurteilung des Anlagendrucks • Sichtkontrolle der InstallationenDer gesamte Umfang eines Wartungsprotokolls ist im Anhang unter Punkt 9.1ersichtlich. 9
  11. 11. 1. EinleitungViele 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 HeizungDurch Analyse von Betriebsdatenaufzeichnungen können diese Probleme identifiziertwerden. Hierbei sind alle Betriebsdaten der Solaranlage in einem definiertemMessintervall tabellarisch festzuhalten. Außerdem ist eine Energiebilanzierungkontinuierlich durchzuführen.Bisher gab es dafür nur zwei Möglichkeiten. Zum einen gibt es interessierteSolaranlagenbetreiber, welche sowohl im privaten als auch im industriellen Bereichein schriftliches Protokoll über Temperaturverläufe der Kollektor- und Speicherfühlerführen und diese nach bestem Wissen auf Plausibilität prüfen. Zum anderen bestehtdie Möglichkeit Solaranlagen mit separater, komplexer und teils kostenintensiverMess- und Datenaufzeichungstechnik aufzurüsten und zu analysieren.Inzwischen ist dies nicht mehr notwendig. Durch die kontinuierlicheWeiterentwicklung der Solarregler werden diese Funktionalitäten direkt in dieElektronik integriert und umfassen mittlerweile: • Temperaturverläufe aller angeschlossenen Sensoren • Pumpenlaufzeiten mit Drehzahlregelung • Energiebilanzierung über kostengünstige Durchflussmessgeräte • Diagrammdarstellung auf Grafikdisplays • Interne oder Externe Datenspeicher, Speicherkarteneinschübe 10
  12. 12. 1. Einleitung • Aufzeichnung von Anlagenparametern • Datenauswertung über PC-SoftwareDiese Daten sind noch immer an den Solarregler gebunden. Als nächsten Schritt giltes, diese Daten über Fernüberwachung und -wartung zu nutzen um die Effizienz undStabilität von Solaranlagen weiter zu steigern.Die Notwendigkeit einer Betriebsdatenaufzeichnung und einer Auswertung vonthermischen Solaranlagen ist in den folgenden zitierten Projekterfahrungendargestellt:„Im Programm Solarthermie 2000 (Teilprogramm 2) wurden solche Systemedetailliert vermessen und untersucht. Dabei wurden an einer Vielzahl von AnlagenMängel gefunden, die den Systemertrag stark negativ beeinflussen können. Weiterswurde festgestellt, dass viele dieser Mängel ohne intensive Vermessung undzeitaufwändige 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 Reglerso zu „verkomplizieren“, dass sich niemand an eine Einstellungsänderungheranwagt, vielmehr unterstreicht diese Erfahrung die Notwendigkeit einerkontinuierlichen Überwachung.“[3]„Der garantierte Ertrag wurde erreicht, obwohl noch einzelne Schwachstellen derAnlage optimiert werden müssen. Diese konnten durch das projektbegleitendeMonitoring und Messprogramm erkannt werden. Die Erfahrungen belegen: GroßeSolaranlagen benötigen, auch wenn sie nicht der Forschung dienen, einehinreichende Basisausstattung an Messtechnik für die Optimierung undBetriebskontrolle.“[4]„Nur durch eine laufende Messdatenauswertung, Betriebskontrolle undErtragsüberwachung können dauerhaft hohe Solarerträge erzielt werden. Wennüberhaupt, werden solche Auswertungen derzeit nur durch geschultes Fachpersonal 11
  13. 13. 1. Einleitungmit hohem zeitlichem und personellem Aufwand durchgeführt. Daher werdenAuswertungen häufig eingespart, Anlagenfehler bleiben lange Zeit unentdeckt.Dadurch entsteht wirtschaftlicher Schaden, das Vertrauen in Solarfirmen undallgemein in die Solartechnik sinkt.“[5]„Als auffallend konnte festgestellt werden, dass Störungen z. T. erheblicheErtragseinbußen nach sich zogen, aber häufig nicht zu einem dauerhaften totalenSystemausfall führten. Dabei sind besonders Störungen, die nur in bestimmtenBetriebszuständen auftreten, ohne (automatisierte) Funktionskontrolle kaum oder garnicht detektierbar. Für eine breite Anwendung sollte anstelle des PC-Systems alsDatenlogger (Mess-PC in Abb. 1) eine für das Problem angepasste Lösung gefundenwerden.“[6]Abbildung 3 zeigt eine Häufigkeitsverteilung von Defekten bei Solaranlagen, welcheüber das Zukunftsinvestitionsprogramm (ZIP) erfasst wurden. Wird eine Solaranlagekontinuierlich überwacht, können Störungen schneller entdeckt und behoben werden.Abbildung 3: Häufigkeitsverteilung von Defekten bei thermischen Solaranlagen [7] 12
  14. 14. 1. Einleitung1.2 ZielsetzungDie Zielsetzung ist, Lösungen für die Fernüberwachung und -wartung thermischerSolaranlagen zu beschreiben und zu analysieren.Dabei sollten aus Solaranlagen keine Forschungsprojekte mit komplexer,kostspieliger Messdatenerfassung und Auswertung werden, wie in Abbildung 4 zusehen ist. Viel mehr müssen die Lösungen für Solaranlagenbetreiber begreifbar undleistbar sein. Bis eine Solaranlage installiert ist, sind eine ganze Reihe von Personenbeteiligt. Vom Vertrieb, über Planer und Installateure, Elektriker bis hin zumEndkunden darf eine Solaranlage nicht durch zu hohe Komplexität oder Kostenabschrecken. Für die Datenerfassung ist die bereits vorhandene Mess- undRegelungstechnik der Anlagen zu verwenden.Die Lösungen müssen für unterschiedliche Solaranlagentypen geeignet sein. Vonder Brauchwasserbereitung, über Kombisysteme mit Heizungsunterstützung undGroßanlagen mit mehreren 100 m² Kollektorfläche sollten die beschriebenenLösungen zur Fernüberwachung und -wartung von Nutzen sein.Abbildung 4: Analyse einer thermischen Solaranlage für Forschungszwecke mit einer kostspieligen undkomplexen Messtechnik - so nicht! 13
  15. 15. 1. Einleitung1.3 Definierung von SystemgrenzenDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit pumpenbetriebenen thermischenSolaranlagen mit Zwangsumlauf, welche über einen oder mehrere Regelkreisebetrieben werden. Thermosiphon oder drucklose Anlagen werden nicht behandelt.Das zu erfassende und überwachende System wird durch die in Abbildung 5ersichtliche Standard Solaranlage dargestellt, wobei je nach verwendetemSolarregler auch komplexere Systemschemen mit mehreren Kollektorfeldern,Plattenwärmetauschern und Speichern erfasst werden können.Abbildung 5: Standard Solaranlage Abgrenzung [1] 14
  16. 16. 2. Grundlagen und Begriffe2 Grundlagen und Begriffe2.1 Funktionsweise und Bestandteile einer thermischer Solaranlage Warmwasserzapfung Solarkollektor Solarregler Nachheizung Solarspeicher Solarstation Oberes Speicherregister VorlaufMAG Unteres Speicherregister Rücklauf Durchflussmesser für WMZ KaltwasserzulaufAbbildung 6: Thermische Solaranlage mit Differenztemperaturregelung und Wärmemengenerfassung [8](Bezeichnungen vom Autor hinzugefügt)Thermische Solaranlagen dienen grundsätzlich der Erwärmung von Wasser mittelsSonnenenergie. Auf den Solarkollektor auftreffende Sonnenstrahlung erhitzt einhochselektiv beschichtetes Absorberblech. Die Wärme wird über die - auf derAbsorberrückseite aufgebrachten Kupferrohre - an das Wärmeträgermediumübertragen, welches aufgrund der Frostgefahr meist aus einer zu 60 Teilen Wasserund 40 Teilen Glykol Mischung besteht. Die Temperatur des Wärmeträgermediumswird über einen Temperatursensor(Tk) im oberen Bereich des Kollektors gemessen 15
  17. 17. 2. Grundlagen und Begriffe(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 denAbsorber in den Kupferleitungen erwärmt. Das erhitzte Fluid gelangt dann über diewarme Solarvorlaufverrohrung zum Wärmespeicher, in welchem es über einenWärmetauscher abgekühlt wird und dabei das Brauch- bzw. Heizungswassererwärmt.[1]Wurde die Solaranlage richtig ausgelegt und installiert, die Temperatursensorenaussagekräftig platziert und der Solarregler korrekt eingestellt, wird die sogenannteBeladung des Speichers bei ausreichender Sonneneinstrahlung über mehrereStunden fortgesetzt. Im Regelfall wird die Beladung entweder durch dieUnterschreitung der Ausschalttemperaturdifferenz oder die Erreichung derSpeichermaximaltemperatur unterbrochen. Ersteres erfolgt bei zu geringerSonneneinstrahlung - dabei kann die Temperaturspreizung zwischen demSolarkollektor und dem Wärmespeicher nicht aufrechterhalten werden. Sobald dieKollektortemperatur minus der Speichertemperatur kleiner der gewähltenAusschalttemperaturdifferenz ist, deaktiviert der Solarregler die Kollektorkreispumpe.Im anderen Fall, also bei genügend Sonneneinstrahlung, wird der Wärmespeicherbis zur gewählten Speichermaximaltemperatur durchgeladen und der Solarreglerschaltet den Solarkreislauf ab.[7]Der Kollektorkreis wird beim Befüllen der Anlage je nach statischemHöhenunterschied zwischen Kollektorfeld und Speicher auf einen gewissenAnlagendruck gebracht. Das in Abbildung 6 ersichtliche MAG (Membran-ausdehnungsgefäß), hat zwei wichtige Aufgaben um die Eigensicherheit vonSolaranlagen zu gewährleisten. Zum einen muss es die thermische Ausdehnung beiErwärmung des Solarfluides aufnehmen, zum anderen wird das verdrängteFluidvolumen bei Verdampfung im Kollektor im Falle einer Stagnation derSolaranlage aufgenommen. Die Sonne scheint bei einer Abschaltung desSolarkreislaufs aufgrund der Erreichung der Speichermaximaltemperatur trotzdemweiter, wodurch sich die Kollektoren weiter erwärmen. Der Solarkollektor befindet 16
  18. 18. 2. Grundlagen und Begriffesich dann in Stagnation und heizt sich auf, bis die Wärmeverluste über dasKollektorgehäuse mit den Wärmegewinnen am Absorber im Gleichgewicht sind. DieStagnationstemperaturen können bei gut gedämmten Flachkollektoren bis zu 250 °Cerreichen.[1] Je nach Fülldruck der Solaranlage und dem Mischungsverhältnis derSolarflüssigkeit startet die Verdampfung im oberen Bereich des Solarkollektorszwischen 120 °C und 150 °C. Für ein gutes Entleerungsverhalten sindAbsorberkonstruktion, Kollektorverschaltung und Solarverrohrung so auszuführen,dass der Dampf die Solarflüssigkeit komplett aus den Kollektoren drückt. Dasverdrängte Fluidvolumen wird vom Membranausdehnungsgefäß aufgenommen, bisdie Temperaturen unter den Siedepunkt fallen, der Dampf kondensiert und dasWasser-Glykol-Gemisch wieder in die Kupferrohre des Kollektors gepresst wird. Demist hinzuzufügen, dass über den gesamten Zeitraum der Stagnation dieKollektorkreispumpe nicht mehr aktiviert werden darf, selbst wenn derSpeichertemperaturfühler unter die Speichermaximaltemperatur abkühlt. Grund dafürsind der im Kollektor befindliche Dampf und die heißen Vorlauftemperaturen, welchedie Armaturen der Solaranlage beschädigen können. Am Solarregler wird dies miteiner Überhitzungsschutzfunktion sichergestellt, welche ab 120 ° (meist frei Ceinstellbar) Kollektorfühlertemperatur die Umwälzpumpe deaktiviert. [9]Sollte der Anlagenbetriebsdruck aufgrund eines unter Umständen falsch ausgelegtenMembranausdehnungsgefäßes über einen maximalen Wert von meist 6 bar steigen,öffnet sich ein Sicherheitsventil um Solarflüssigkeit abzulassen. Kondensiert derDampf bei sinkenden Temperaturen, kann der Anlagendruck zu tief sinken und dieverlorene Flüssigkeit muss über die Spülanschlüsse mit Druck ersetzt werden.Freut sich ein Anlagenbetreiber über Kollektortemperaturen, welche selbst in derNacht noch über der Außentemperatur liegt, ist oft eine defekte oder nichtvorhandene Schwerkraftbremse dafür verantwortlich. Dieses verhindert einungewolltes aufsteigen von warmen Solarfluid durch die Vorlaufleitung zum Kollektor.Durch den Dichteunterschied von warmen zu kaltem Fluid, steigt warme Flüssigkeitvom Speicher zum Kollektor auf und kühlt dort ab, was mit einer Schwerkraftbremseoder einem Rückschlagventil zu verhindern ist.Umwälzpumpe, Spülanschlüsse, Vor- und Rücklaufanschlüsse mit Thermometer undAbsperrfunktion, Manometer, Solarregler und oft auch Luftabscheider sind meist in 17
  19. 19. 2. Grundlagen und Begriffesogenannten Solarstationen vormontiert und mit einer passenden Isolierschaleversehen.Im Bezug auf die Fernüberwachung und -wartung gilt es die Betriebsdatenthermischer Solaranlagen zu erfassen und auszuwerten. Bei den dazu zur Verfügungstehenden Sensoren hat sich über die vergangenen Jahre einiges getan, was unteranderem eine Wärmemengenerfassung (siehe Abbildung 6) im Kollektorkreisermöglicht. Auf diese Entwicklungen wird im nächsten Kapitel genauer eingegangen. 18
  20. 20. 2. Grundlagen und Begriffe2.2 Vorhandene Messtechnik bei thermischen SolaranlagenUm eine Fernüberwachung und -wartung von Solaranlagen durchführen zu können,ist eine digitale Betriebsdatenerfassung notwendig. Es gilt die Solaranlage mit einemMinimum an Messtechnik zufriedenstellend zu regeln und zu überwachen. Jederzusätzliche Sensor erhöht die Komplexität, Fehleranfälligkeit der Messtechnik unddie Kosten der Anlage.Prinzipiell sind mindestens zwei Temperatursensoren - ein Kollektorfühler und einSpeicherfühler - notwendig, um eine Solaranlage über eine Temperaturdifferenz-regelung zu betreiben. Um umfassendere Systemschemen zu regeln, werdenweitere Temperatursensoren hinzugefügt. Alle Temperaturmesspunkte die zurRegelung verwendet werden, stehen auch für eine Fernüberwachung zur Verfügung.Zusätzlich zu den Temperatursensoren wurden bei Solaranlagen in die letztenJahren weitere Messgeräte mit Auswertungsmöglichkeiten über den Solarreglerhinzugefügt. Mittlerweile gibt es Durchfluss- und Drucksensoren mit für Solaranlagenakzeptable Kosten auf dem Markt, welche oft direkt in die Solarstation verbautwerden. Die Wärmemengenerfassung über Durchflusssensoren wurde insbesonderedurch neue Förderbedingungen, wie beispielsweise in Oberösterreich [10]vorangetrieben und ist mittlerweile fixer Bestandteil vielen Solarstationen geworden.Eine weitere Datenquelle stellen die Ausgangsbetriebsvorgänge des Solarreglersdar. Beginnend mit aufsummierten Pumpenlaufzeiten, bis hin zu zyklisch geloggtenTabellen aller Ausgangszustände, können auch diese zur Beurteilung derAnlagenfunktion herangezogen werden. 19
  21. 21. 2. Grundlagen und BegriffeDatenquellen Einheit VerwendungTemperatursensoren °C Differenztemperaturregelung, ÜberwachungDurchflusssensoren l/min. Wärmemengenerfassung, FunktionskontrolleDrucksensoren bar Systemdrucküberwachung, StagnationsverhaltenEinstrahlungssensoren W/m2 Regelung, ErtragsbewertungAusgangszustände - Steuerung der Pumpen und VentileAbbildung 7: Datenquellen für die Fernüberwachung aus dem Stand der Solaranlagentechnik ohnezusätzliche SensorenAbbildung 7 zeigt eine Übersicht von Datenquellen bei thermischen Solaranlagen,welche direkt über die Regelungseinheit erfasst werden können. Beschreibungenvon vielfach eingesetzten Messsensoren für Solaranlagen finden sich in denPunkten 2.2.1 bis 2.2.7.2.2.1 TemperaturFür die Temperaturermessung bei thermischen Solaranlagen werden durchgehendWiderstandtemperaturfühler verwendet. Durchgesetzt haben sich Platin-Widerstands-Temperatursensoren, welche über die Zweileitertechnik mit denSolarreglern verbunden werden. Grund dafür ist das einfache Messprinzip für denEinsatzbereich in Solaranlagen zur Differenztemperaturregelung und dieausreichende Messgenauigkeit ohne aufwendige Vierleiter-Messleitungen zumSolarregler. Am Markt verbreitete Solarregler von Firmen wie RESOL, STECA oderSorel sind durchgehend mit Pt1000 Sensoren zur Temperaturmessung ausgestattet.Die Bezeichnung Pt1000 weist auf einen Widerstand von 1000 bei 0 ° hin. Mit Chöherer Temperatur erhöht sich der Widerstand weitgehend linear über den positivenTemperaturkoeffizienten des Kaltleiters. 20
  22. 22. 2. Grundlagen und BegriffeEin in Abbildung 8 ersichtlicher Genauigkeitsvergleich zwischen - in derHeizungsbrache teils verwendeten - KTY-Halbleiterfühlern und Pt1000 Sensorenwurde im Rahmen des Forschungsprojektes „Langzeitüberwachung undBetriebsoptimierung großer solarintegrierter Wärmeversorgungsanlagen“ an derUniversität Kassel durchgeführt. Sie kamen zum Schluss, dass die absoluteAbweichung der KTY-Sensoren deutlich über den getesteten Pt1000 Sensoren liegtund für eine Funktionskontrolle über die Messtechnik von Solaranlagen nur letzterein Frage kommen. [2]Abbildung 8: Vergleich zwischen KTY-Halbleiterfühlern und Pt1000-Platin-Widerstandstemperatur-sensoren zur Solaranlagenüberwachung [2]Als Kollektortemperaturfühler müssen aufgrund der hohen Stagnationstemperaturenvon über 200 ° temperaturbeständige Silikonkabelmäntel verwendet werden. Die CMessung von Speicher- oder Plattenwärmetauschertemperaturen lässt auch dieNutzung von günstigeren PVC-Kabelmänteln zu. Beide Sensorausführungen sind inAbbildung 9 ersichtlich. In jedem Fall müssen die Temperatursensoren vorFeuchtigkeit und Korrosion geschützt werden, dies wird mit einer rollierten oderaufgepressten Edelstahlhülse sichergestellt. Zur Verlängerung der Sensorleitungenkönnen zweiadrige Kupferkabel verwendet werden. Diese Sensorverlängerung ist fürden Kollektorfühler meist direkt an der flexiblen Solarverrohrung integriert. 21
  23. 23. 2. Grundlagen und BegriffeAbbildung 9: Platin-Widerstandsfühler Typ Pt1000 mit Silikon(links) und PVC(rechts) KabelmantelFür eine aussagekräftige Temperaturmessung ist die Platzierung derTemperatursensoren zu beachten. Speziell die Messung der Kollektortemperatur istmit Anlegefühlern am Absorberblech verhältnismäßig ungenau. Für dieDifferenztemperaturregelung ist die Vorlauftemperatur der Solarflüssigkeitausschlaggebend. Daher sollte der Kollektortemperaturfühler möglichst in einer direktvom Fluid umströmten Tauchhülse platziert sein. Die in Abbildung 10 ersichtlicheFühlerplatzierung befindet sich direkt neben dem Mäanderrohrausgang im oberenSammelrohr eines Solarabsorbers. 22
  24. 24. 2. Grundlagen und BegriffeAbbildung 10: Platzierung des Kollektortemperaturfühlers über eine Tauchhülse im oberen Sammelrohran der Mäanderrohrverbindung (Foto zeigt die Rückseite eines Mäanderabsorbers)Erhitzt die Sonneneinstrahlung das Absorberblech, wird die Wärmeträgerflüssigkeitin den am Absorberblech angebrachten Kupferrohren erwärmt und steigt aufgrunddes Dichteunterschiedes in das Sammelrohr auf. Erst wenn das Fluid im Sammelrohrden Temperatursensor bis zur Einschalttemperaturdifferenz im Vergleich zurSpeichertemperatur erhitzt hat, aktiviert der Solarregler die Kollektorkreispumpe. Jenach Volumenstrom und verfügbarer Sonneneinstrahlung ändert sich die Temperaturder Wärmeträgerflüssigkeit. Ein direkt umströmter Temperatursensor reagiert aufdiese Temperaturänderungen genauer wie ein Anlegefühler am Absorberblech, somitwerden Fehlbeladungen des Speichers vermieden und das Regelverhalten derSolaranlage verbessert. 23
  25. 25. 2. Grundlagen und Begriffe2.2.2 Durchflussmessung und WärmemengenerfassungUm die gewonnene Wärmemenge einer Solaranlage mit einem WMZ zu erfassen,muss neben zwei Temperaturwerten auch der Volumenstrom mit einemDurchflusssensor gemessen werden. Bei Solaranlagen kommen nur kostengünstigeDurchflusssensoren in Frage, welche den Kostenanteil der Messtechnik an derGesamtinvestition gering halten.Bei Solaranlagen ohne Durchflusssensor ermöglichen Solarregler oft einesogenannte „theoretische Wärmemengenberechnung“, welche aber nur sehrungenaue Ergebnisse liefert. Dabei wird zur Berechnung der Wärmemenge ein meistam Schauglas des Strangregulierventils abgelesener fixer Durchflusswert in denSolarregler eingegeben. Dieser Durchflusswert wird während derKollektorkreispumpenlaufzeit in Kombination mit der Temperaturdifferenz zwischenKollektor- und Speicherfühler als WMZ verwendet. Die spezifische Wärmekapazitätfür die Berechnung ist meist reglerintern festgelegt und kann vom Nutzer nichtgeändert werden. Durch die temperaturabhängige Viskosität der verwendetenWasser-Glykol-Wärmeträgerflüssigkeiten ändert sich der Durchfluss während demBetrieb einer Solaranlage, was neben den schlecht gewähltenTemperaturmesspunkten zu einer erheblichen Abweichung dieserWärmemengenerfassung führt. Für einen aussagekräftigen Ertragswert derSolaranlage ist diese Methode folglich nicht geeignet. Selbst bei einemPumpendefekt errechnet der Solarregler bei aktiviertem Pumpenausgang über die„theoretische Wärmemengenberechnung“ einen Leistungswert, welcher demunerfahrenen Anlagenbetreiber die korrekte Funktionsweise seiner Solaranlagefälschlicherweise anzeigen kann.Daher ist der Einsatz von „echten“ Durchflussmessern für eine aussagekräftigeWärmemengenerfassung bei Solaranlagen notwendig. Zwei verbreitete günstigeDurchflusssensortypen, welche teils schon in Solarstationen vormontiert sind,werden in dieser Arbeit beschrieben. Zum einen werden seit JahrenImpulsdurchflussmesser mit Flügelrädern in Solaranlagen verwendet, zum anderenfindet man seit 2009 verbreitet Wirbelzähler in Solarstationen. Siehe Punkte 2.2.3 bis2.2.5. 24
  26. 26. 2. Grundlagen und Begriffe2.2.3 ImpulsdurchflussmesserEin Impulsdurchflussmesser, welcher den Volumenstrom mittels Flügelrädern erfasstist in Abbildung 11 ersichtlich.Abbildung 11: Impulsdurchflussmesser „RESOL Volumenmessteil V40“ (Quelle: RESOL)Impulsdurchflussmesser geben beim Durchströmen eines definierten Volumenseinen Impuls an den Solarregler. Die durchströmende Flüssigkeit wird überFlügelräder und ein Zählwerk erfasst. Das Durchflussvolumen pro Impuls muss amRegler eingestellt werden. Zu beachten ist, dass der Impulsdurchflussmesser für dieMessung des Wasser-Glykol-Gemisches im Kollektorkreis geeignet sein muss. [11]Die Durchflussmessung mit Flügelrädern wird durch die Viskosität derWärmeträgerflüssigkeit beeinflusst, welche wiederum vom Mischungsverhältnis, derGlykolart und der Temperatur abhängig ist. Beim verwendeten Solarregler müssendaher Glykolart und Mischungsverhältnis eingestellt werden können. Weiters mussder Regler intern die temperaturabhängige Viskositätsänderung, über den meist fürden WMZ integrierten Temperaturfühler, der Flüssigkeit berücksichtigen. Ansonstenkann 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 dieUmdrehungen des Flügelrades über einen Hall-Sensor erfasst. 25
  27. 27. 2. Grundlagen und BegriffeAbbildung 12: Fehlerkurven von Flügelradzählern bei der Messung von Wasser-Glykol-Gemischen [13]Die problematische Durchflussmessung des Wasser-Glykol-Gemisches imKollektorkreis kann bei Verwendung eines Plattenwärmetauschers zur Übergabe aufden Speicherbeladekreis vermieden werden. In diesem Fall wird derDurchflusssensor zur Wärmemengenerfassung im Speicherbeladekreis installiert, inwelchem sich Wasser als Wärmeträgermedium befindet, da im Heizkeller keineFrostgefahr besteht. Der Durchfluss von Wasser lässt sich einfach über verbreiteteImpulsdurchflussmesser aus der Heizungsbranche bestimmen. 26
  28. 28. 2. Grundlagen und Begriffe2.2.4 Wirbelzähler zur DurchflussmessungFür eine Volumenstromerfassung mit einem Wirbelzähler befindet sich einPrallkörper in einer Messstrecke, welcher Wirbelablösungen hinter derAnströmungsrichtung verursacht. Die entstehende Wirbelfrequenz verhält sich direktproportional zur Strömungsgeschwindigkeit bzw. - bei einem definierten Mess-streckenquerschnitt - zum Durchfluss. Dieser Effekt wird als „KármánscheWirbelstraße“ bezeichnet. Zur Erfassung der Wirbelfrequenz können die, mit denWirbelauslösungen verbundenen, Druckschwankungen genutzt werden. [13]Abbildung 13: Vortex-Durchflussmesser von Grundfos für einen Messbereich von 2-40 l/min, links dieMessstrecke, unten der Sensor, oben die Steckverbindung zum SolarreglerAbbildung 13 zeigt einen Vortex-Durchflussmesser des Herstellers Grundfos, welchereine Volumenstromerfassung über das oben beschriebene Messprinzip ermöglicht.Der Sensor erfasst die von den Wirbeln erzeugten Druckschwankungen über einenPiezodrucksensor. Dieser ist in der Mitte des Sensors beidseitig umströmt platziert.(siehe Querschnittsdarstellung in Abbildung 14). [14] 27
  29. 29. 2. Grundlagen und BegriffeAbbildung 14: Querschnittdarstellung eines Grundfos Vortex Durchflussmesser von Grundfos:Strömungsrichtung, Prallkörper, Sensor und Verwirbelungen (Quelle: Grundfos)Die Durchflusssensoren von Grundfos werden in verschieden Baureihen zurAbdeckung eines größeren Messbereichs hergestellt, welche sich hauptsächlichdurch den Querschnitt der Messstrecke unterscheiden. Die kleinstenDurchflusssensoren eigenen sich für einen Messbereich von 1 - 12 l/min, die größtenfür einen Messbereich von 20 – 400 l/min. Hinsichtlich der Genauigkeit gibt derHersteller auf seinen Datenblättern eine mögliche prozentuelle Abweichung von 5 %bei den kleinen Sensoren und 1,5 % bei den größeren Sensoren ab 5 l/minMessbereich an. Diese gelten für einen Temperaturbereich von 0 bis 100 ° bei Ceiner Auflösung zwischen 0,2 und 1,0 l/min. Hinsichtlich der Eignung für Wasser-Glykol-Gemische im Kollektorkreis wird diese Genauigkeit über den Messbereich füreine Mischung mit 42 % Glykolanteil bei 30 ° in der „QT“ Baureihe angegeben. Die CSensoren müssen vom Solarregler mit 5V Gleichstrom versorgt werden undübermitteln die Messwerte mit einem 0,5 bis 3,5 V Spannungssignal direktproportional zum Durchfluss. Ein ebenfalls im Sensorkopf befindlicherTemperatursensor wird über die gleiche Methode gemessen. [15]Für die Nutzung in thermischen Solaranlagen ist der geringe Druckverlust desVortex-Sensors im Vergleich zu Impulsdurchflussmessern vorteilhaft. Weitersbenötigt der Sensor keine beweglichen Teile zur Durchflussmessung und kann soüber die Betriebsjahre einer Solaranlage weitgehend verschleißfrei eingesetztwerden. Auch der Messfehler soll laut Angaben von Grundfos über dieNutzungsdauer nicht ansteigen, was auf die Silicoat® Beschichtung desPiezodrucksensor zurückzuführen ist, welche den Sensor vor aggressiven Medienschützt. Weiters verfügen die Grundfos Vortex-Sensoren über eine BAFA Zulassung,welche in Deutschland für die staatliche Förderung von thermischen Solaranlagen ab30m² Flachkollektorfläche einen WMZ im Kollektorkreis erfordert. [14] [16] 28
  30. 30. 2. Grundlagen und Begriffe2.2.5 Wärmemengenerfassung .Die Wärmeleistung Q [kW] des Kollektorkreises einer Solaranlage kann von einemSolarregler errechnet werden, wenn folgende Messwerte der Wärmeträgerflüssigkeitbekannt 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] derWasser-Glykol-Mischung bekannt sein. Die Werte werden dann in folgende Formeleingesetzt: . . Q [kW] = V [l/s] * ρ [kg/l] * cp [kJ/(kg*K)] * ( TVL [° - TRL [° ) C] C]Die Wärmeleistung im Solarkreis ergibt sich aus dem Volumenstrom derWärmeträgerflüssigkeit multipliziert mit der Dichte und der spezifischenWärmekapazität des Wasser-Glykol-Gemisches und mit der Temperaturdifferenzzwischen Solarvorlauftemperatur und Solarrücklauftemperatur. .Um über die Wärmeleistung Q [kW] eine Wärmemenge Q [kWh] zu berechnen, wird .die Wärmeleistung Q [kW] über die Zeit integriert. 29
  31. 31. 2. Grundlagen und BegriffeBei Verwendung eines Grundfos Vortex-Durchflusssensors (siehe Abbildung 15) alsWMZ, kann der im Sensorkopf integrierte Temperatursensor genutzt werden. [14]Dieser misst die Solarrücklauftemperatur, wobei der Temperatursensor durch dendirekten Kontakt zum Wärmeträgerfluid einen exakten Messwert liefert. DieSolarvorlauftemperatur wird meist über den Kollektorfühler erfasst. In diesem Fallwird auch der Wärmeverlust über die Solarvorlaufverrohrung miterfasst. Aus denMesswerten berechnet der Solarregler über die eingebenen Wärmeträger-zusammensetzungen die aktuelle Leistung, welche zur Wärmemengenerfassungüber die Zeit integriert wird.Sollte nur die an den Speicher über ein Wärmetauscherregister übergebeneSolarwärme erfasst werden, ist ein zusätzlicher Temperatursensor zur Messung derSolarvorlauftemperatur in der Solarstation notwendig. Hier bietet es sich an, einenDrucksensor mit Temperaturmessung an der Vorlaufleitung in der Solarstation zuplatzieren, wie in Abbildung 17 ersichtlich.Die Genauigkeit der Wärmemengenerfassung im Kollektorkreis ist abhängig von denMessfehlern der verwendeten Sensoren, der internen Berechnung im Solarregler undkorrekten Platzierung der Sensoren. Solarkollektoren SpeicherAbbildung 15: Vortex-Durchflusssensor für WMZ in der Rücklaufverrohrung der Solarstation 30
  32. 32. 2. Grundlagen und Begriffe2.2.6 DruckAbbildung 16: Prinzipdarstellung der Druckmessung mit einem Grundfos RPS-Sensor und dem Einbau ineiner Solarstation (Quellen: Grundfos, RESOL)Sensoren zur Erfassung des Systemsdrucks am Solarregler finden sich erst seit2009 als fixer Bestandteil in Solarstationen. Der in Abbildung 16 ersichtlicheDrucksensor von Grundfos dient zur Erfassung des Relativdrucks im Kollektorkreisund ist unter anderem in der Solarstation „FlowCon D“ von RESOL zu finden. Erverfügt, ähnlich wie der in Punkt 2.2.4 beschriebene Vortex-Durchflusssensor, übereinen Piezodrucksensor. Dieser ist aber im Gegensatz zum Durchflusssensor nur aufeiner Seite dem Druck der Wärmeträgerflüssigkeit ausgesetzt, auf der anderen Seiteliegt der Umgebungsdruck an. Der Relativdruck wird über die Verformung desPiezodrucksensors gemessen und wie schon beim Vortex- Durchflusssensor überein 0,5 bis 3,5 V Spannungssignal an den Solarregler übermittelt. Auch eineTemperaturmessung ist im Sensorkopf mit integriert. Die Grundfos Vortex-Durchflusssensoren (VFS) und Drucksensoren (RPS) können hierbei dieselbenSteckplätze an den kompatiblen Solarregler verwenden, was mitunter auch einGrund für die verbreitete Verwendung dieser Sensoren in der Solarthermie ist. 31
  33. 33. 2. Grundlagen und Begriffe Grundfos Drucksensor mit integriertem Vorlauf-Temperatursensor „FlowRotor“ zur Durchflussmessung Rücklauf-TemperatursensorAbbildung 17: RPS Drucksensor in der Vorlaufleitung einer Solarstation (Quelle: PAW) (Bezeichnungenvom Autor hinzugefügt)Durch die Überwachung der Drucksensoren am Regler kann ein Leck imKollektorkreis gemeldet und schneller entdeckt werden. Auch ein schleichenderDruckverlust wird bei Aufzeichnung und Auswertung der Messdaten sichtbar. Ebensokann der Druckverlauf der Solaranlage im Falle einer Stagnation aufgezeichnet undbeurteilt werden. 32
  34. 34. 2. Grundlagen und Begriffe2.2.7 EinstrahlungAbbildung 18: Ein günstiger Einstrahlungssensor welcher teils bei Solaranlagen eingesetzt wird (Quelle:STECA)Günstige Einstrahlungssensoren, wie in Abbildung 18 zu sehen, finden sich teilweisebei Solaranlagen zur Verwendung als Strahlungsschwellenschalter, welche je nachSonneneinstrahlung die Kollektorkreispumpe ein- oder ausschalten. Voraussetzungdafür ist ein kompatibler Solarregler mit passendem Messsignaleingang. Weiterskann die Einstrahlungsintensität in [W/m²] erfasst werden. Auf dem Datenblatt desoben ersichtlichen Photovoltaikzellensensors ist die Genauigkeit im Jahresmittel mit±5 % angegeben. [17] Wird die Einstrahlung über einen Datenlogger erfasst, kanndiese für eine grobe Ertragsabschätzung der Solaranlage über einen Vergleich zurim Kollektorkreis gewonnenen Wärmemenge herangezogen werden. Bei derVerwendung von Einstrahlungssensoren sollten der zusätzliche Aufwand für dieerforderliche Messleitung zum Kollektorfeld und die mögliche Verfälschung desEinstrahlungswertes durch Verschmutzung oder Verschattung beachtet werden.Genaue Pyranometer zur Einstrahlungsmessung werden aufgrund dervergleichsweise hohen Kosten bei Solaranlageninstallationen kaum verwendet. Auchsind passende Messeingänge und interne Auswertungen der Einstrahlungswerte beiSolarreglern noch selten zu finden. 33
  35. 35. 2. Grundlagen und Begriffe2.3 Fernüberwachung und -wartungDie Daten der Messtechnik von Solaranlagen gilt es aufzuzeichnen und fürFernüberwachung 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 ander Universität Kassel zur „Langzeitüberwachung und Optimierung großersolarintegrierter Wärmeversorgungsanlagen“ genutzt. Ziel war es, für großeSolaranlagen 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 SolarreglerWichtige Erkenntnisse des Projektes waren unter anderem die Nutzung der bereitsvorhandenen Messtechnik von Solaranlagen und das Finden einer angepasstenLösung für den verwendeten Mess PC. [6] Einige Solarregler wurden über die letztenJahre in dieser Richtung weiterentwickelt, eine Übersicht dazu zeigt Abbildung 20. 34
  36. 36. 2. Grundlagen und Begriffe Solarregler: DFÜ: Visualisierung:Sensoren: PC/Laptop, Smartphone, Eingänge Datenlogger: digitaler Bilderrahmen • Temperatur • Durchfluss für WMZ • intern Datenauswertung: • Speicherkarte Fernüberwachung • Druck • Plausibilitäts- • Zusatzmodul • manuell • Einstrahlung kontrolle • Notizen vom • halbautomatisch • RegelverhaltenAktoren: Ausgänge Anlagenbetreiber • vollautomatisch • Auslegungs- • Umwälzpumpen beurteilung • Ventile Konfigurations- und Parametereinstellungen Wartung und Fernwartung Optimierung 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. 35
  37. 37. 2. Grundlagen und Begriffe2.3.1 Messdatenerfassung und DatenloggerWie in Kapitel 2.2 beschrieben, werden von aktuellen Solarreglern dieTemperaturwerte, die Durchflussmessung für WMZ und der Systemdruck erfasst.Weiters können die Schaltvorgänge von Ventilen und Pumpenregelung über dieAusgänge des Solarreglers aufgezeichnet werden.Dazu ist ein Datenlogger notwendig, welcher bei aktuellen Solarreglern vonbekannten Firmen wie der „STECA Elektronik GmbH“ oder „RESOL - ElektronischeRegelungen GmbH“ direkt in die Elektronik integriert ist. Es können vierunterschiedliche Lösungen zur Aufzeichnung von Solaranlagenbetriebsdatenunterschieden werden: • intern auf dem Mikrocontrollers • über einen Steckplatz für Speicherkarten • mit einem externen Zusatzmodul • durch Notizen vom AnlagenbetreiberErstere Lösung ist nur begrenzt für die Datenaufzeichnung nutzbar, da der interneDatenspeicher auf gängigen Mikrocontrollern nur etwa 32 Bytes bis 48 kByte [18]umfasst. Damit können nur Datensätze für wenige Tage und Wochen gespeichertund abgerufen werden. Dies wird zum Beispiel beim Solarregler „TiSUN Duplexbasic“ zur direkten Anzeige von einzelnen Temperaturverläufen am grafischenDisplay genutzt. Die geringe Auflösung der Displays lässt jedoch keineGesamtübersicht mit Pumpenlaufzeiten und weiteren Datensätzen zu. Daher sinddiese Diagramme zur Beurteilung der Anlagenfunktion nur begrenzt hilfreich.Die Erweiterung von Solarreglern mit Steckplätzen für Speicherkarten zurDatenaufzeichnung ist unter anderem beim „STECA TR 0603mc“ [19] zu finden.Speicherkarten sind besonders durch die Verwendung in Digitalkameras zu einemgünstigen und bekannten Massenprodukt geworden. Für den Endkunden ist dieseLösung einfach zu verstehen, da viele den Umgang mit Speicherkarten bereitsgewohnt sind. 36
  38. 38. 2. Grundlagen und BegriffeEin externes Zusatzmodul als Datenlogger setzt voraus, dass der Solarregler übereinen Anschluss für eine serielle Schnittstelle verfügt. Bekannt ist der RESOLVBus®, mit welchem die Daten auf das Zusatzmodul „Datalogger DL2“ übertragenwerden. Je nach Komplexität der zu überwachenden Anlage können laut RESOLzwischen 30 und 120 Monate auf dem verfügbaren Speicherplatz aufgezeichnetwerden. [20]Zur Vollständigkeit wird auch die Datenerfassung bei Problemanlagen ohneautomatischen Datenlogger beschrieben. Dabei werden vom Anlagenbetreiberselbst in regelmäßigen Abständen der für ihn ersichtliche Betriebszustand und dieTemperaturwerte der Solaranlage notiert. Diese Aufzeichnungen dienen dann alsGrundlage für Diskussionen mit dem Kundendienst des Herstellers, der beauftragtenFirma oder in diversen Internetforen. [21] [22]2.3.2 Fernüberwachung und DFÜFür die Fernüberwachung thermischer Solaranlagen gilt es die, über den Solarreglerauf dem Datenlogger aufgezeichneten Daten, mit einer DFÜ zur Auswertung zuübertragen. Je nach gefordertem Umfang, Verfügbarkeit der Daten und technischerAusstattung der Solaranlage kann die Fernüberwachung unterschiedlich ausfallen: • manuell • halbautomatisch • vollautomatischBei der manuellen Fernüberwachung muss der Anlagenbetreiber sowohl dieDatenaufzeichnung, als auch Datenübertragung selbst durchführen. DieseVorgangsweise wird vom TiSUN Kundendienst besonders bei komplexeren Fehlernoder Fragestellungen von Kunden genutzt. Das Finden von Lösungen und Antwortenper Telefon und E-Mail ist auf dieser Datenbasis oft ein schwieriges undzeitaufwendiges Unterfangen. [21] 37
  39. 39. 2. Grundlagen und BegriffeVerfügt der Anlagenbetreiber über einen Solarregler mit Datenlogger, kann von einerhalbautomatischen Fernüberwachung gesprochen werden. Befinden sich dieaufgezeichneten Daten auf einer Speicherkarte, wird die DFÜ vom Kunden übereinem verfügbaren PC per Internet bzw. E-Mail-Anhang durchgeführt.Für eine vollwertige Fernüberwachung müssen die Daten einer Solaranlagevollautomatisch in Echtzeit der Auswertung zur Verfügung gestellt werden. Diessetzt eine dauerhafte Datenverbindung zwischen der Schnittstelle des Datenloggersund dem Auswertungsgerät voraus. Um möglichst unabhängig auf die Datenzugreifen zu können, sollte die Anlage mit dem Internet verbunden werden. Hier giltes möglichst auf bereits vorhandene Strukturen im Gebäude zurückzugreifen. Einbereits bestehender Internet Breitbandanschluss mit Ethernet-LAN-Anbindung isthierfür geeignet, da sich diverse Solarregler (siehe Kapitel 3) direkt mit dem lokalenNetzwerk über LAN-Schnittstellenadapter verbinden lassen. Abbildung 21 zeigt, dass2009 im EU-Schnitt bereits mehr als jeder zweite Haushalt über eineBreitbandverbindung verfügt [23], bei Unternehmen sind es 2009 bereits 82 %. [24]Abbildung 21: Verbreitung von Breitbandverbindungen, welche zur Fernüberwachung und -wartungthermischer Solaranlagen genützt werden können [23] 38
  40. 40. 2. Grundlagen und BegriffeAktuelle Breitbandmodems, wie in Abbildung 22 ersichtlich, verfügen meist übermehrere integrierte Netzwerkanschlüsse, welche direkt über ein passendesNetzwerkkabel mit der Ethernet Schnittstelle des Solarregler verbunden werdenkönnen.Abbildung 22: Breitbandmodem mit integrierten Ethernet Netzwerkanschlüssen (gelb)Ist eine Internet Fernüberwachung der Solaranlage gefordert, aber im Gebäude nochkein Anschluss vorhanden, muss dieser zusätzlich installiert werden. Die dadurchentstehenden zusätzlichen Kosten für Installation und laufenden Betrieb, sowie dieWartung bei Defekten und Erhöhung der Systemkomplexität sind dabei zu beachten.Sollte die Fernüberwachung nur im lokalen Netzwerk benötigt werden, ist einEthernet-Switch [25] für die Verbindung der Netzwerkteilnehmer ausreichend.2.3.3 Visualisierung und AuswertungDie Visualisierung und Auswertung der geloggten digitalen Anlagendaten kann aufverschiedene Arten erfolgen. In jedem Fall ist dafür ein PC oder ein ähnlichesElektrogerät mit Bildschirm und Betriebssystem notwendig. 39
  41. 41. 2. Grundlagen und BegriffeIm einfachsten Fall liegen die aufgezeichneten Daten als kommagetrennte Werte ineiner Textdatei vor und können in ein Tabellenkalkulationsprogramm wie MicrosoftExcel [26] importiert werden. In diesem Fall müssen Diagramme mit Auswertungenselbst erstellt und beurteilt werden.Meist wird aber vom Solarreglerhersteller eine eigene Software zur Auswertung derDaten zur Verfügung gestellt oder verkauft. Über diese werden dann automatischTemperaturverläufe und Kennzahlen - wie Pumpenlaufzeiten - aus den Messdatengeneriert. Diese können direkt zur Funktionsbeurteilung und Anlagenkontrolleherangezogen werden. Nachteilig wirkt sich hierbei die oft plattformabhängigeSoftware, welche nur unter Microsoft Windows lauffähig ist, aus. Weiters muss dieSoftware vom Nutzer installiert werden, was für ungeübte PC Nutzer oft schon eingroßes Problem darstellt.Um dies zu umgehen, können auch plattformunabhängige Webbrowser wie MozillaFirefox für die Datenauswertung verwendet werden. Dazu werden die Daten übereinen Webserver ausgewertet und zur Verfügung gestellt. Dieser kann direkt in dieElektronik des Solarreglers oder in ein Zusatzmodul integriert werden. EineMöglichkeit ist auch die Nutzung eines externen Webservers, auf welchem dieLogdaten geladen und über ein Webinterface zur Verfügung gestellt werden. ImFotovoltaikbereich ist dies weit verbreitet, zum Beispiel www.sunnyportal.com vonSMA. Im Solarthermiebereich kann www.solarthermalweb.de von STECA genanntwerden – diese Plattform befindet sich aber erst im Aufbau. WeiterführendeInformationen dazu sind im Kapitel 3 ersichtlich, wo unter anderem in Punkt 3.3 eineFernüberwachungslösung mit einem digitalen Bilderrahmen behandelt wird.2.3.4 FernwartungDie Fernwartung thermischer Solaranlagen wird separat zur Fernüberwachungbehandelt, da nicht jeder Regler, der zur Fernüberwachung geeignet ist, auch füreine Fernwartung ausgestattet ist.Grundsätzlich kann die Fernwartung thermischer Solaranlagen nur auf dieKonfigurations- und Parametereinstellungen von Solarreglern zugreifen. Alle 40
  42. 42. 2. Grundlagen und Begriffeweiteren Komponenten der Anlage können nur vor Ort manipuliert werden und fallensomit nicht mehr in den Begriff Fernwartung.Der Zugriff auf die Einstellungen von Solarreglern kann elektronisch über eineSchnittstelle, wie dem RESOL VBus®, oder mit einer Parameterdatei auf einerSpeicherkarte erfolgen. Siehe dazu die Punkte 3.1 und 3.2.Anwendung findet die Fernwartung von Solaranlagen in der Fehlerbehebung falscherEinstellungen am Regler. Des Weiteren kann eine Parameteroptimierung aufgrundder Auswertung von Logdaten oder bei geänderten Betriebsbedingungendurchgeführt werden, um das Regelverhalten anzupassen und den Solarertrag zuoptimieren. 41
  43. 43. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartung3 Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungIn diesem Kapitel werden drei am Markt verfügbare Solarregler beschrieben, welchesich zur Fernüberwachung und teils auch zur Fernwartung eignen. Alle Regler lösendiese Aufgaben auf unterschiedliche Art und Weise, die jeweilige Funktionsweisekann in der Übersichtsdarstellung auf Seite 35 in Abbildung 20 wiedergefundenwerden.Abbildung 23: Drei Solarregler die sich zur Fernüberwachung und teils auch Fernwartung eignenAbbildung 23 zeigt die drei Solarregler, welche im Rahmen der Diplomarbeit zumVergleich bei TiSUN herangezogen wurden: • TiSUN DUPLEX basic • RESOL DeltaSol BX • STECA TR 0603 mcDie Regler wurden aufgrund der breiten Verfügbarkeit am Solarthermiemarkt, demvergleichbaren Funktionsumfang und den dafür verfügbaren Möglichkeiten zurFernüberwachung und –wartung ausgewählt. 42
  44. 44. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartung3.1 TiSUN DUPLEX basicAbbildung 24: Solarregler TiSUN „DUPLEX basic“ mit Anschlussdetailbild und „MULTIPLEX advanced“Erweiterungsmodul auf einem RegelungstestaufbauDer in Abbildung 24 ersichtliche „DUPLEX basic“ Solarregler wird seit 2009 vonTiSUN vertrieben. Eine Besonderheit des Reglers ist das Erweiterungsmodul„MULTIPLEX advanced“.Der Basisregler verfügt über 8 Systemschemen zur Regelung verschiedenerSolaranlagen, welche über zwei Regelkreise mit TRIAC Ausgängen geregelt werden.Zwei Hocheffizienzpumpen können über passende PWM Ausgänge drehzahlgeregeltwerden. Ein dritter Relaisausgang kann für Zusatzfunktionen wie eineSpeichernachheizung über eine Thermostatfunktion verwendet werden. Neben fünf ThermostatfunktionPt1000 Temperatureingängen verfügt der Regler über zwei GDS-Eingänge fürGrundfos VFS und RPS Sensoren und über eine Anschlussmöglichkeit für einenImpulsdurchflussmesser. Damit ist der Platz für die Anschlussmöglichkeiten in demverhältnismäßig kleinen „DUPLEX basic“ Solarregler auch voll ausgenutzt. 43
  45. 45. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungUm die Regelung komplexerer Solaranlagenschemen zu ermöglichen, kann dasErweiterungsmodul „MULTIPLEX advanced“ angeschlossen werden. Damit erhöhtsich 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) 44
  46. 46. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartung SD-Speicherkarten SteckplatzAbbildung 26: SD-Speicherkarten Einschub direkt am SolarreglerÄhnlich wie bei bekannten Digitalkameras befindet sich am Solarregler einSpeicherkartensteckplatz (siehe Abbildung 26). Als Speichermedium kommen SD-Speicherkarten zum Einsatz, welche im Elektronikfachhandel günstig erworbenwerden können. Es sind jedoch keine Speicherkarten der neueren SDHC Baureihemit höherer Übertragungsgeschwindigkeit oder Karten mit mehr als 2 GigabyteSpeicherplatz mit dem Solarregler kompatibel. Der Regler wird meist in einerSolarstation 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 Spezifikationenverwendet werden. Sobald die Speicherkarten-Datenaufzeichnung am Solarregleraktiviert ist, wird über ein fixes Messintervall alle 10 Minuten eine Datenzeile mit denaktuellen Sensorwerten und Ausgangsstellungen in eine Datei auf der SD-Kartegeschrieben. Zusätzlich werden die Konfigurationseinstellungen des Solarreglers ineiner Parameterdatei abgespeichert. In Abbildung 27 sind diese Dateien in einerroten Box markiert dargestellt. Für jeden Monat wird eine eigene Datenlogdateierstellt. Dies dient zum einen der besseren Übersicht, zum anderen lassen sich so 45
  47. 47. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungbestimmte Monate einfach verschieben oder archivieren. Im unwahrscheinlichen Fallvon beschädigten Dateien lassen sich so auch Daten leichter retten. „WE1002.dat“bezieht sich beispielsweise auf 10=2010, 02=Februar. Die „WE****.dat“ Dateienbeinhalten kommagetrennte Textwerte, welche in ein Tabellenkalkulationsprogrammimportiert werden können. Weitere Bezeichnungen der Datensätze und Einheitenwerden dabei aber nicht dargestellt. In der „WEPARA.INI“ Parameterdatei ist diejeweils aktuelle Anlagenkonfiguration in einem verschlüsselten Dateiformatabgespeichert.Zur benutzerfreundlichen Auswertung dieser Daten wird eine Software benötigt,welche als Zubehörteil von TiSUN verkauft wird. Dabei erhält der Kunde die Softwaredirekt vorinstalliert auf der passenden SD-Speicherkarte. Eine zusätzliche Installationam Windows-PC ist daher nicht notwendig. In Abbildung 27 ist die Datenstruktur aufSD-Speicherkarte ersichtlich, wobei sich die Software über „DataViewer.exe“ startenlässt bzw. automatisch über die Windows-Autostartfunktion bei Erkennung desWechseldatenträgers gestartet wird.Ist der Datenlogvorgang am Regler aktiviert, erzeugt ein voller Monat über das fixe10 Minuten Messintervall eine bis zu 500 Kilobyte große Datenlogdatei. Auf einemGigabyte (1048576 Kilobyte) Speicherplatz einer SD-Karte lassen sich also über 150Jahre lang Anlagedaten erfassen.Abbildung 27: Die Auswertungs- und Parameterisierunssoftware befindet sich bereits vorinstalliert aufder Speicherkarte 46
  48. 48. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungWird die Software von der Speicherkarte gestartet, werden die im gleichenOrdnerverzeichnis befindlichen Log- und Parameterdaten automatisch eingelesen.Abbildung 28 zeigt den Anfangszustand der Software, welcher automatisch dengesamten aufgezeichneten Zeitraum darstellt. In vier Kategorien sindTemperaturverläufe, Durchfluss und Druck, Schaltzustände der Ausgänge,Wärmemengenerfassung und Laufzeit direkt zueinander ersichtlich. Zur besserenÜbersicht lassen sich die einzelnen Diagrammteile und Inhalte ein- und ausblenden,um zum Beispiel den Zusammenhang zwischen einzelnen Temperaturkurven überdie Pumpenansteuerung direkter zu erfassen.Die Ansicht über einen Zoomfaktor von mehreren Monaten eignet sich besonders umfolgende Punkte zu analysieren: • Langfristige Auswirkungen von Parameteränderungen • Beurteilung von Über- bzw. Unterdimensionierung der Anlage • Schleichender Druckverlust im Kollektorkreis • Monatsvergleiche der Wärmemengenerfassung und PumpenlaufzeitenAbbildung 28: Darstellung von geloggten Anlagendaten eines Hauses in Griechenland über mehrererMonate mit der TiSUN Auswertungssoftware 47
  49. 49. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungMit dem Mauszeiger lassen sich einzelne Tage im Programm markieren unddarstellen, siehe Abbildung 29. Dabei passen sich alle vier Kategorien demeingestellten Zeitraum an. Auch die Anzeige von erfasster Energiemenge undPumpenlaufzeit zeigt dann nur die über den Diagrammverlauf summierten Werte an.Gut ersichtlich ist der Einfluss der Drehzahlregelung der Kollektorkreispumpe, welcheje nach Temperaturspreizung zwischen Kollektor- und Speichertemperatur diepassende Durchflussmenge einstellt. Dadurch wird ein Takten der Pumpenregelungvermieden, was sich über ein dauerndes aus- und abschalten der Pumpen erkennenlässt. Die Kollektoren werden bei zu hohem Volumenstrom zu schnell abgekühlt unddie Ausschaltdifferenz dabei immer wieder unterschritten. Unnötige Überhitzung derSolarkollektoren wird durch höhere Durchflüsse vermieden, was zu einem besserenAusnutzen des Kollektorwirkungsgrades führt. Am vierten Tag in Abbildung 29 ist derEinfluss von weniger Einstrahlstrahlung am Kollektor ersichtlich, wo dieDrehzahlregelung am Vormittag den Durchfluss nach unten anpasst und damit füreinen unterbrechungsfreien Lauf der Kollektorkreispumpe sorgt.Abbildung 29: Darstellung von geloggten Anlagendaten einzelner Tage mit der TiSUNAuswertungssoftware 48
  50. 50. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungAbbildung 30: Übersicht aller Konfigurations- und Parametereinstellungen am Solarregler über dieAuswertungssoftwareDie auf den beiden Seiten zuvor beschriebenen Diagrammverläufe sind direktabhängig von den Einstellungen am Solarregler. Sich diese auswendig zu merkenoder umständlich vom kleinen Reglerdisplay zu notieren, stellt keinebenutzerfreundliche Lösung dar. Die auf der SD-Speicherkarte gespeicherteParameterdatei umfasst die gesamten Konfigurationseinstellungen des Solarreglers,wie in Abbildung 30 dargestellt. Mit einer derartig strukturierten Übersicht lassen sichschnell falsche Einstellungen am Regler finden oder Optimierungen durchführen.Auch die Erstkonfiguration für die Inbetriebnahme eines Solarreglers ist über dieseOberfläche möglich. Anstatt direkt am Regler die Einstellungen in vielen Untermenüsvorzunehmen, wo schnell eine Einstellung übersehen werden kann, bietet dieSoftware am Computerbildschirm alles auf einen Blick. Durch einen Mausklick aufdas Bedienungsfeld „Schreiben“, wird eine Parameterdatei auf die Speicherkartegeschrieben. 49
  51. 51. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungWird die SD-Karte dann in den Solarregler gesteckt und aktiviert, erkennt dieser dieneue Parameterdatei und fragt den Nutzer ob er die bestehenden Einstellungenüberschreiben will. Bei einer Bestätigung wird der Regler über die Parameterdateineu konfiguriert. Erfolgt keine Bestätigung, wird die auf der Speicherkarte befindlicheParameterdatei mit den bestehenden Reglereinstellungen überschrieben.Werden mehrere ähnliche Solaranlagen installiert, wie die von vielen Herstellernangebotenen Set-Lösungen, bietet sich die Möglichkeit bereits korrekt eingestellteRegler über SD-Karten zu klonen.Abbildung 31: Konfigurationsansicht des "MULTIPLEX advanced" Erweiterungsmoduls in derAuswertungssoftwareReicht 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 50
  52. 52. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungSystemschemen, können dann für jeden Ausgang eigene Funktionsblöcke wieThermostat- oder Differenzfunktionen eingestellt werden. Auch zwei Heizkreiselassen sich dadurch zusätzlich konfigurieren. Hier werden auch wieder die Vorteileder Auswertungssoftware bei der Konfiguration deutlich (siehe Abbildung 31). Derartumfangreiche Einstellungsmöglichkeiten lassen sich auf einem kleinen Display kaumnoch überblicken. Für den ersteinstellenden Fachmann mag die Logik noch klar sein,muss aber eine weitere Person ohne umfassende Dokumentation zu denReglereinstellungen einen Fehler finden, Optimierungen oder eine Wartungdurchführen, ist dies ohne übersichtliche Betrachtungsmöglichkeit der Einstellungenam Computer eine schwierige Angelegenheit.Abbildung 32: Manuelle Fernüberwachung und Wartung per E-Mail-AnhangBenötigt 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 bestehtdie Möglichkeit direkt ein E-Mail mit den Daten als Anhang zu erstellen, zum anderenlässt sich auch eine komprimierte Datei zum Verschicken generieren (sieheAbbildung 32). Der Experte kopiert die Daten in den Dateiordner seinerAuswertungssoftware, kann diese dann analysieren und mit dem Anlagenbetreiber 51
  53. 53. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungdiskutieren. Diese Vorgangsweise kann als halbautomatische Fernüberwachung derSolaranlage bezeichnet werden, siehe auch Punkt 2.3.2. .Sollte die Reglerkonfiguration angepasst werden, erstellt der Experte mit derAuswertungssoftware eine neue Parameterdatei. Diese schickt er elektronisch anden Anlagenbetreiber, welcher sie auf seine SD-Karte kopiert und die bestehendeDatei überschreibt. Damit können die neuen Einstellungen wie bereits beschrieben inden Solarregler mit Hilfe der Speicherkarte übernommen werden. Mit den neuenEinstellparametern wird die Anlage dann wieder einige Tage und Wochen betrieben.Die währenddessen aufgezeichneten Anlagenbetriebsdaten lassen sich dann wiedermit der Auswertungssoftware anzeigen. Die Veränderungen durch die angepasstenReglereinstellungen werden durch einen Vorher-nachher-Vergleich ersichtlich, beiBedarf 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 wenigercomputerversierten Anlagenbetreibern zugetraut werden, da diese meist durch dieVerwendung von Digitalkameras bekannt ist. Dank der vorinstallierten Software aufder SD-Karte stellt auch eine normalerweise notwendige Softwareinstallation keinHindernis zum Betrachten der Daten dar. Die Auswertungssoftware selbst istübersichtlich aufgebaut und kann großteils selbsterklärend verwendet werden. Überdie E-Mail Funktion steht dem Anlagenbetreiber eine halbautomatischeFernüberwachung zur Verfügung, mit welcher die Daten über einen bereitsvorhandenen Internetanschluss einfach und kostenlos übertragen werden können.Mit der Parameterdatei ist nach demselben Prinzip die halbautomatischeFernwartung möglich. 52
  54. 54. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungEntwicklungspotential besteht insbesondere bei der Auswertungssoftware,beginnend mit der Implementierung von einfachen Auswertungsalgorithmen zurautomatischen Fehlererkennung und Anlagenoptimierung. Aktuell befindet sich einZusatzmodul zur vollautomatischen Fernüberwachung in Kooperation mit einemElektronikpartner bei TiSUN in der Entwicklung, siehe Abbildung 33. ImWesentlichen werden dafür die Funktionalitäten der aktuellen Auswertungssoftwareüber einen Webserver realisiert. Dieser wird über Ethernet mit einem lokalenNetzwerk verbunden. Der Zugriff auf den Webserver erfolgt plattformunabhängig mitWebbrowsern. Mit einem Router im lokalen Netzwerk und freigegeben Ports wird dieKommunikation 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) 53
  55. 55. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartung3.2 RESOL DeltaSol BXAbbildung 34: Solarregler RESOL DeltaSol® BXDer in Abbildung 34 ersichtliche RESOL DeltaSol BX Solarregler ist seit Mitte 2010am Markt erhältlich. Wichtige Neuerung im Vergleich zu den DetaSolVorgängermodellen sind die Ansteuerungsmöglichkeit von zweiHocheffizienzpumpen, als auch die Anschlussmöglichkeit von Grundfos VFS undRPS 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 Speicherkartegeschrieben. Für jeden Tag wird eine CSV-Textdatei mit einer Datumsbenennungerzeugt, in welcher die kommagetrennten Werte erfasst werden. 54
  56. 56. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungAbbildung 35: Übersicht einer Loggzeile der Betriebsdatenerfassung auf der SD-SpeicherkarteDie CSV-Textdateien können zur Analyse in ein Tabellenkalkulationsprogrammimportiert werden. Abbildung 35 zeigt alle Spalten eines Datensatzes derBetriebsdatenerfassung. Zur Auswertung der Daten steht zum Zeitpunkt derVerfassung dieser Arbeit keine Auswertungssoftware (vergleiche Abbildung 28) vonRESOL zur Verfügung. Diagramme zur Betrachtung von Messwertverläufen, müssenvom Nutzer manuell im Tabellenkalkulationsprogramm erstellt werden. DieKonfigurationseinstellungen des Solarreglers werden auf der SD-Karte nicht erfasstund können über diese folglich auch nicht verändert werden.Abbildung 36: Anschlüsse des DeltaSol® BX Solarreglers mit gelb markierter VBus® Schnittstelle 55
  57. 57. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungDie Fernüberwachung und -wartung von Solaranlagen wird über die RESOL VBus®Schnittstelle ermöglicht, siehe Abbildung 36. Über diese lassen sich Zusatzmodulemit dem Solarregler verbinden.[27]Einfache Fernanzeigen können über zweiadrige Kabel mit dem Regler verbundenwerden und in Echtzeit Sensorwerte und Wärmemengenerfassung darstellen. Diesermöglicht dem Anlagenbetreiber eine schnelle Plausibilitätskontrolle der aktuellenMesswerte 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 öffentlichenGebäuden um auf die Solaranlage aufmerksam zu machen und ein Bewusstsein fürdie erzeugte Wärmemenge zu schaffen. Für einen Informationspunkt in Häuserneignen sich die beiden weiteren kleineren Fernanzeigen, wobei der „DFA comfort“mehr als nur Kollektor-, Speichertemperatur und Wärmemengenzählung anzeigenkann. So können neben den Temperatursensorwerten des Solarreglers auch dieaktuellen Zustände der Reglerausgänge, wie zum Beispiel die Drehzahlregelung derKollektorkreispumpe, betrachtet werden. Sind Durchfluss- and Drucksensoren amSolarregler angeschlossen, werden auch deren Messwerte angezeigt. Smart Display SD3 DFA comfort Großanzeige GA3Abbildung 37: RESOL Vbus® Zusatzmodule zur Fernanzeige des aktuellen Zustands der SolaranlageFür eine grobe Funktionskontrolle genügen bereits Grundkenntnisse über thermischeSolaranlagen und der Blick auf Kollektor und Speichertemperatur. Auf eineFehlfunktion der Speicherbeladung würde beispielsweise eine zu hoheTemperaturdifferenz zwischen einem Kollektortemperaturfühler mit 92 ° bei einem C 56
  58. 58. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungkonstant niederem Speichertemperaturwert von 34 ° hinweisen. Auch ein CFühlerbruch würde durch die nicht plausiblen Sensorwerte an der Anzeige sofortauffallen. Hauptgrund für die Installation einer Fernanzeige wird aber meist dasInteresse des Anlagenbetreibers an der klar sichtbaren Anzeige derEnergiegewinnung mit einer Solaranlage sein.Abbildung 38: Der RESOL "Datalogger DL2" ermöglicht eine Fernüberwachung und -wartung derSolaranlage (Quelle: RESOL)Für eine Fernüberwachung des DeltaSol® BX Solarreglers kann über die VBus®Schnittstelle ein „Datalogger DL2“(siehe Abbildung 38) verbunden werden. [28] DasZusatzmodul verfügt über einen integrierten Webserver, welcher nach korrekterKonfiguration und Einbindung in ein lokales Netzwerk, eineEchtzeitbetriebsüberwachung der Solaranlage systemunabhängig per Webbrowserermöglicht. Die Schemendarstellung einer fernüberwachten Anlage über eineWebsite ist in Abbildung 39 ersichtlich.Um einen Internetzugriff auf den Webserver zu ermöglichen, muss das lokaleNetzwerk über einer Internet-Router verbunden sein. Über die Router-Internet-IP-Adresse wird per Portweiterleitung auf den „Datalogger DL2“ eine Verbindunghergestellt. Sollte der Internetanschluss über keine fixe IP-Adresse verfügen, wird dieVerwendung eines dynamischen Domain Name Servers (DynDNS) empfohlen. Damitlässt sich mit einer gleichbleibenden URL auf den Webserver zugreifen.[28] 57
  59. 59. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungAbbildung 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“ Softwareerstellt werden. Abbildung 40 zeigt das genannte Programm, bei dem gerade derKollektortemperatursensor des ausgewählten Solarregler als VBus® Datenfeldausgewählt ist. Die Schemadarstellung der Solaranlage muss vom Nutzer selbst alsBilddatei in das Programm geladen werden, auf eine Schemenbibliotek kann nichtzurückgegriffen werden. Das fertig erstellte Anlagenschema wird von der Softwareüber das lokale Netzwerk auf den „Datalogger DL2“ geladen. Der Betrieb desWebservers erspart den Dauerbetrieb eines eigenen Webservercomputers für dieFernüberwachung. 58
  60. 60. 3. Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und -wartungAbbildung 40: Erstellung einer Solaranlagenschemadarstellung mit VBus® Datenfeldern des SolarreglersEine Fernwartung der Reglereinstellungen ist nicht über den „Datalogger DL2“Webserver möglich - dafür muss die „RESOL ServiceCenter“ Software verwendetwerden. In der, in Abbildung 40 ersichtlichen, Registerkarte „Parametrisierung“lassen sich die Einstellungen des Solarreglers auslesen und ändern. DieÜbertragung der Parameteränderungen erfolgt vom PC über das lokale Netzwerkzum „Datalogger DL2“ und von dort per VBus® in den Regler. Alternativ zum„Datalogger DL2“ kann für diese Art der Fernwartung auch der „SchnittstellenadapterVBus®/LAN“ genutzt werden, siehe Abbildung 41. [29] 59

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