1. 2. Grundlagen und Begriffe
FACHHOCHSCHUL-DIPLOMSTUDIENGANG
ÖKOENERGIETECHNIK WELS
Fernüberwachung und -wartung
thermischer Solaranlagen
ALS DIPLOMARBEIT EINGEREICHT
zur Erlangung des akademischen Grades
Diplom-Ingenieur (FH) für technisch wissenschaftliche Berufe
von
Martin Meingassner
September 2010
Betreuung der Diplomarbeit durch:
DI Hannes Zannantoni

2. Fachhochschul-Diplomstudiengang
Ökoenergietechnik Wels
Ich erkläre ehrenwörtlich, dass ich die
vorliegende Arbeit selbstständig und ohne
fremde Hilfe verfasst, andere als die
angegebenen Quellen nicht benutzt, die
den benutzten Quellen entnommenen
Stellen als solche kenntlich gemacht habe
und dass diese Arbeit mit der vom
Begutachter beurteilten Arbeit über-
einstimmt.
Die Arbeit wurde bisher in gleicher oder
ähnlicher Form keiner anderen
Prüfungsbehörde vorgelegt und auch nicht
veröffentlicht.
....................................................................
Martin Meingassner
Bad Häring, September 2010
I

3. KURZFASSUNG
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fernüberwachung und –wartung
pumpenbetriebener thermischer Solaranlagen und wurde in Zusammenarbeit mit der
Firma TiSUN GmbH erstellt. Hauptmotivation ist die Problematik, dass ein Ausfall
oder Minderertrag einer Solaranlage vom Anlagenbetreiber oft gar nicht bemerkt
wird. Grund dafür ist das vorhandene Nachheizsystem, welches die
Warmwasserbereitung meist automatisch übernimmt.
Um den Aufwand und zusätzliche Kosten für die Fernüberwachung und –wartung in
Grenzen zu halten gilt es, die bereits vorhandene Mess- und Regelungstechnik von
Solaranlagen zu nutzen. Dazu wird der aktuelle Stand an gebräuchlichen
Temperatur-, Durchfluss-, Druck- und Einstrahlungssensoren bei Solaranlagen
untersucht. Der Solarregler ist dabei die zentrale Schnittsstelle für Sensoreingänge,
Betriebsdatenaufzeichnung und die jeweilige Übertragungsart der Daten auf eine
externe Anzeige. Für die Fernwartung ist ein Zugang auf die Einstellungen des
Solarreglers erforderlich.
Zur Schaffung eines praxisnahen Bezuges, werden drei am Markt verfügbare
Solarregler hinsichtlich ihrer Eignung zur Fernüberwachung und –wartung
untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass die Thematik sehr unterschiedlich gelöst
werden kann: von der einfachen Datenaufzeichnung und Übertragung mit
Speicherkarten, über Zusatzmodule mit Webserver und Netzwerkanbindung, bis hin
zur 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 werden
digital erfasst, jedoch wird gezeigt, dass bereits wenige Temperaturverläufe zur
groben Funktionsbeschreibung einer Anlage ausreichen. Abschließend wird noch ein
Ausblick auf die weiteren Entwicklungen, der auf dem Markt noch relativ jungen
Lösungen zur Fernüberwachung und –wartung thermischer Solaranlagen, gegeben.
II

4. ABSTRACT
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.
III

5. KURZFASSUNG ................................................................................................ II
ABSTRACT ....................................................................................................... III
INHALTSVERZEICHNIS .................................................................................. IV
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ........................................................................ VI
INHALTSVERZEICHNIS
1 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 ............................................................ 14
2 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. 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 .................................................................................. 61
4 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 ............................ 73
5 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 ............................ 81
6 ZUSAMMENFASSUNG .............................................................................82
7 QUELLENVERZEICHNIS ..........................................................................84
8 ABBILDUNGSVERZEICHNIS....................................................................88
9 ANHANG ....................................................................................................93
9.1 Wartungsprotokoll für eine thermische Solaranlage ............................ 93
V

7. Abkürzungsverzeichnis
F&E Forschung und Entwicklung
WMZ Wärmemengenzähler
MAG Membranausdehnungsgefäß
BAFA Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (DE)
DFÜ Datenfernübertragung
LAN Lokales Netzwerk
Ethernet Technik für ein kabelgebundenes Datennetz
EU Europäische Union
PC Personal Computer
SD-Karte Secure Digital – Speicherkarte
GDS Grundfos Direct Sensors
VFS Vortex Flow Sensor (Grundfos)
RPS Relative Pressure Sensor (Grundfos)
PWM Pulsweitenmodulation
IP Internetprotokoll
RS-232 Standard für eine serielle Schnittstelle
W-LAN drahtloses lokales Netzwerk
IFA Internetfernanzeige
ISFH Institut für Solarenergieforschung in Hameln
IOC Input/Output Control
VDI Verein Deutscher Ingenieure
VI

8. 1. Einleitung
1 Einleitung
1.1 Problemstellung und Motivation
1.1.1 Auftraggeber TiSUN
Die TiSUN GmbH ist ein Solarunternehmen, welches sich seit über zwanzig Jahren
auf die Produktion und den Vertrieb thermischer Solaranlagen spezialisiert hat. Mit
Stand 2010 beschäftigt das Unternehmen ca. 120 Mitarbeiten am Hauptsitz in Söll
und hat eine Vielzahl von Vertriebspartnern in mittlerweile 36 Ländern weltweit.
Der Verfasser war bereits in der Ferienzeit des FH-Ökoenergietechnikstudiums bei
TiSUN tätig und ist mittlerweile Vollzeit-Angestellter im Bereich Produktmanagement
und F&E.
TiSUN benötigt benutzerfreundliche Lösungen zur Fernüberwachung und -wartung
thermischer Solaranlagen, welche direkt am Solarregler integriert bzw. erweitert
werden 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 Gemeinschaftssolaranlage
Thermische Solaranlagen gibt es mit Kollektorflächen zwischen 2 m² bis mehrere
100 m², wobei das Wärmespeichersystem, die Ausrichtung der Kollektorfelder oder
auch die verwendete Regelungstechnik unterschiedlich ausgeführt werden. Aufgrund
dieser Komplexität und dem unterschiedlichen Preisniveau der Anlagen, ist es nicht
möglich eine Fernüberwachung und Wartungslösung zu erstellen, welche alle zu
erwartenden Fälle in der Solarthermie abdeckt. Hier gilt es angepasste
Fernüberwachungs- und Wartungslösungen für die jeweiligen Anwendungsbereiche
zu finden und zu beschreiben.
7

9. 1. Einleitung
1.1.2 Defekte und leistungsschwache Solaranlagen
Nachheizung €
Abbildung 1: Eine defekte Solaranlage wird vom Verbraucher nicht bemerkt, die Warmwasserbereitung
übernimmt die Nachheizung [1] (Grafik vom Autor erweitert)
Hauptgründe für Kunden in eine Solaranlage zu investieren sind Kostenersparnisse
bei der Trink- und Heizwassererwärmung, eine unabhängigere Energieversorgung
sowie der Gedanke etwas Gutes für die Umwelt zu tun.
Ist die Solaranlage aber einmal defekt oder bringt nur wenig Leistung, bemerkt dies
der Nutzer nicht sofort, siehe Abbildung 1. Das Nachheizsystem übernimmt dann die
Warmwasserbereitung, was - wenn überhaupt - erst bei der nächsten Heiz- bzw.
Stromkostenrechnung auffällt.
Für den Endverbraucher zählt nur die Energiedienstleistung „Warmes Wasser“. Ob
dieses nun durch Sonnenenergie oder einen Heizkessel erwärmt wurde ist für ihn
nicht spürbar. Somit kann ein Defekt auch über mehrere Jahre unentdeckt bleiben.
8

10. 1. Einleitung
Abbildung 2: Zusammenstellung möglicher Störfälle einer Solaranlage, aufgeteilt auf die verschiedenen
Teilbereiche der Anlage [2]
Abbildung 2 zeigt eine Übersicht möglicher Störfälle einer Solaranlage. Bei der
Anlagenüberprüfung durch einen Fachmann steht diesem nur der gegenwärtige
Zustand der Anlage zur Verfügung, welchen er anhand einer Wartungscheckliste
beurteilen kann. Ein Totalausfall der Anlage kann dabei mit hoher Wahrscheinlichkeit
entdeckt werden durch:
• Manuellen Testlauf der Pumpen
• Plausibilitätsprüfung und Platzierung der Temperatursensoren
• Beurteilung des Anlagendrucks
• Sichtkontrolle der Installationen
Der gesamte Umfang eines Wartungsprotokolls ist im Anhang unter Punkt 9.1
ersichtlich.
9

11. 1. Einleitung
Viele 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
Heizung
Durch Analyse von Betriebsdatenaufzeichnungen können diese Probleme identifiziert
werden. Hierbei sind alle Betriebsdaten der Solaranlage in einem definiertem
Messintervall tabellarisch festzuhalten. Außerdem ist eine Energiebilanzierung
kontinuierlich durchzuführen.
Bisher gab es dafür nur zwei Möglichkeiten. Zum einen gibt es interessierte
Solaranlagenbetreiber, welche sowohl im privaten als auch im industriellen Bereich
ein schriftliches Protokoll über Temperaturverläufe der Kollektor- und Speicherfühler
führen und diese nach bestem Wissen auf Plausibilität prüfen. Zum anderen besteht
die Möglichkeit Solaranlagen mit separater, komplexer und teils kostenintensiver
Mess- und Datenaufzeichungstechnik aufzurüsten und zu analysieren.
Inzwischen ist dies nicht mehr notwendig. Durch die kontinuierliche
Weiterentwicklung der Solarregler werden diese Funktionalitäten direkt in die
Elektronik 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. 1. Einleitung
• Aufzeichnung von Anlagenparametern
• Datenauswertung über PC-Software
Diese Daten sind noch immer an den Solarregler gebunden. Als nächsten Schritt gilt
es, diese Daten über Fernüberwachung und -wartung zu nutzen um die Effizienz und
Stabilität von Solaranlagen weiter zu steigern.
Die Notwendigkeit einer Betriebsdatenaufzeichnung und einer Auswertung von
thermischen Solaranlagen ist in den folgenden zitierten Projekterfahrungen
dargestellt:
„Im Programm Solarthermie 2000 (Teilprogramm 2) wurden solche Systeme
detailliert vermessen und untersucht. Dabei wurden an einer Vielzahl von Anlagen
Mängel gefunden, die den Systemertrag stark negativ beeinflussen können. Weiters
wurde festgestellt, dass viele dieser Mängel ohne intensive Vermessung und
zeitaufwändige 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 Regler
so zu „verkomplizieren“, dass sich niemand an eine Einstellungsänderung
heranwagt, vielmehr unterstreicht diese Erfahrung die Notwendigkeit einer
kontinuierlichen Überwachung.“[3]
„Der garantierte Ertrag wurde erreicht, obwohl noch einzelne Schwachstellen der
Anlage optimiert werden müssen. Diese konnten durch das projektbegleitende
Monitoring und Messprogramm erkannt werden. Die Erfahrungen belegen: Große
Solaranlagen benötigen, auch wenn sie nicht der Forschung dienen, eine
hinreichende Basisausstattung an Messtechnik für die Optimierung und
Betriebskontrolle.“[4]
„Nur durch eine laufende Messdatenauswertung, Betriebskontrolle und
Ertragsüberwachung können dauerhaft hohe Solarerträge erzielt werden. Wenn
überhaupt, werden solche Auswertungen derzeit nur durch geschultes Fachpersonal
11

13. 1. Einleitung
mit hohem zeitlichem und personellem Aufwand durchgeführt. Daher werden
Auswertungen häufig eingespart, Anlagenfehler bleiben lange Zeit unentdeckt.
Dadurch entsteht wirtschaftlicher Schaden, das Vertrauen in Solarfirmen und
allgemein in die Solartechnik sinkt.“[5]
„Als auffallend konnte festgestellt werden, dass Störungen z. T. erhebliche
Ertragseinbußen nach sich zogen, aber häufig nicht zu einem dauerhaften totalen
Systemausfall führten. Dabei sind besonders Störungen, die nur in bestimmten
Betriebszuständen auftreten, ohne (automatisierte) Funktionskontrolle kaum oder gar
nicht detektierbar. Für eine breite Anwendung sollte anstelle des PC-Systems als
Datenlogger (Mess-PC in Abb. 1) eine für das Problem angepasste Lösung gefunden
werden.“[6]
Abbildung 3 zeigt eine Häufigkeitsverteilung von Defekten bei Solaranlagen, welche
über das Zukunftsinvestitionsprogramm (ZIP) erfasst wurden. Wird eine Solaranlage
kontinuierlich überwacht, können Störungen schneller entdeckt und behoben werden.
Abbildung 3: Häufigkeitsverteilung von Defekten bei thermischen Solaranlagen [7]
12

14. 1. Einleitung
1.2 Zielsetzung
Die Zielsetzung ist, Lösungen für die Fernüberwachung und -wartung thermischer
Solaranlagen zu beschreiben und zu analysieren.
Dabei sollten aus Solaranlagen keine Forschungsprojekte mit komplexer,
kostspieliger Messdatenerfassung und Auswertung werden, wie in Abbildung 4 zu
sehen ist. Viel mehr müssen die Lösungen für Solaranlagenbetreiber begreifbar und
leistbar sein. Bis eine Solaranlage installiert ist, sind eine ganze Reihe von Personen
beteiligt. Vom Vertrieb, über Planer und Installateure, Elektriker bis hin zum
Endkunden darf eine Solaranlage nicht durch zu hohe Komplexität oder Kosten
abschrecken. Für die Datenerfassung ist die bereits vorhandene Mess- und
Regelungstechnik der Anlagen zu verwenden.
Die Lösungen müssen für unterschiedliche Solaranlagentypen geeignet sein. Von
der Brauchwasserbereitung, über Kombisysteme mit Heizungsunterstützung und
Großanlagen mit mehreren 100 m² Kollektorfläche sollten die beschriebenen
Lösungen zur Fernüberwachung und -wartung von Nutzen sein.
Abbildung 4: Analyse einer thermischen Solaranlage für Forschungszwecke mit einer kostspieligen und
komplexen Messtechnik - so nicht!
13

15. 1. Einleitung
1.3 Definierung von Systemgrenzen
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit pumpenbetriebenen thermischen
Solaranlagen mit Zwangsumlauf, welche über einen oder mehrere Regelkreise
betrieben werden. Thermosiphon oder drucklose Anlagen werden nicht behandelt.
Das zu erfassende und überwachende System wird durch die in Abbildung 5
ersichtliche Standard Solaranlage dargestellt, wobei je nach verwendetem
Solarregler auch komplexere Systemschemen mit mehreren Kollektorfeldern,
Plattenwärmetauschern und Speichern erfasst werden können.
Abbildung 5: Standard Solaranlage Abgrenzung [1]
14

16. 2. Grundlagen und Begriffe
2 Grundlagen und Begriffe
2.1 Funktionsweise und Bestandteile einer thermischer
Solaranlage
Warmwasserzapfung
Solarkollektor Solarregler
Nachheizung
Solarspeicher
Solarstation
Oberes Speicherregister
Vorlauf
MAG
Unteres Speicherregister
Rücklauf
Durchflussmesser für WMZ
Kaltwasserzulauf
Abbildung 6: Thermische Solaranlage mit Differenztemperaturregelung und Wärmemengenerfassung [8]
(Bezeichnungen vom Autor hinzugefügt)
Thermische Solaranlagen dienen grundsätzlich der Erwärmung von Wasser mittels
Sonnenenergie. Auf den Solarkollektor auftreffende Sonnenstrahlung erhitzt ein
hochselektiv beschichtetes Absorberblech. Die Wärme wird über die - auf der
Absorberrückseite aufgebrachten Kupferrohre - an das Wärmeträgermedium
übertragen, welches aufgrund der Frostgefahr meist aus einer zu 60 Teilen Wasser
und 40 Teilen Glykol Mischung besteht. Die Temperatur des Wärmeträgermediums
wird über einen Temperatursensor(Tk) im oberen Bereich des Kollektors gemessen
15

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 den
Absorber in den Kupferleitungen erwärmt. Das erhitzte Fluid gelangt dann über die
warme Solarvorlaufverrohrung zum Wärmespeicher, in welchem es über einen
Wärmetauscher abgekühlt wird und dabei das Brauch- bzw. Heizungswasser
erwärmt.[1]
Wurde die Solaranlage richtig ausgelegt und installiert, die Temperatursensoren
aussagekräftig platziert und der Solarregler korrekt eingestellt, wird die sogenannte
Beladung des Speichers bei ausreichender Sonneneinstrahlung über mehrere
Stunden fortgesetzt. Im Regelfall wird die Beladung entweder durch die
Unterschreitung der Ausschalttemperaturdifferenz oder die Erreichung der
Speichermaximaltemperatur unterbrochen. Ersteres erfolgt bei zu geringer
Sonneneinstrahlung - dabei kann die Temperaturspreizung zwischen dem
Solarkollektor und dem Wärmespeicher nicht aufrechterhalten werden. Sobald die
Kollektortemperatur minus der Speichertemperatur kleiner der gewählten
Ausschalttemperaturdifferenz ist, deaktiviert der Solarregler die Kollektorkreispumpe.
Im anderen Fall, also bei genügend Sonneneinstrahlung, wird der Wärmespeicher
bis zur gewählten Speichermaximaltemperatur durchgeladen und der Solarregler
schaltet den Solarkreislauf ab.[7]
Der Kollektorkreis wird beim Befüllen der Anlage je nach statischem
Höhenunterschied zwischen Kollektorfeld und Speicher auf einen gewissen
Anlagendruck gebracht. Das in Abbildung 6 ersichtliche MAG (Membran-
ausdehnungsgefäß), hat zwei wichtige Aufgaben um die Eigensicherheit von
Solaranlagen zu gewährleisten. Zum einen muss es die thermische Ausdehnung bei
Erwärmung des Solarfluides aufnehmen, zum anderen wird das verdrängte
Fluidvolumen bei Verdampfung im Kollektor im Falle einer Stagnation der
Solaranlage aufgenommen. Die Sonne scheint bei einer Abschaltung des
Solarkreislaufs aufgrund der Erreichung der Speichermaximaltemperatur trotzdem
weiter, wodurch sich die Kollektoren weiter erwärmen. Der Solarkollektor befindet
16

18. 2. Grundlagen und Begriffe
sich dann in Stagnation und heizt sich auf, bis die Wärmeverluste über das
Kollektorgehäuse mit den Wärmegewinnen am Absorber im Gleichgewicht sind. Die
Stagnationstemperaturen können bei gut gedämmten Flachkollektoren bis zu 250 °C
erreichen.[1] Je nach Fülldruck der Solaranlage und dem Mischungsverhältnis der
Solarflüssigkeit startet die Verdampfung im oberen Bereich des Solarkollektors
zwischen 120 °C und 150 °C. Für ein gutes Entleerungsverhalten sind
Absorberkonstruktion, Kollektorverschaltung und Solarverrohrung so auszuführen,
dass der Dampf die Solarflüssigkeit komplett aus den Kollektoren drückt. Das
verdrängte Fluidvolumen wird vom Membranausdehnungsgefäß aufgenommen, bis
die Temperaturen unter den Siedepunkt fallen, der Dampf kondensiert und das
Wasser-Glykol-Gemisch wieder in die Kupferrohre des Kollektors gepresst wird. Dem
ist hinzuzufügen, dass über den gesamten Zeitraum der Stagnation die
Kollektorkreispumpe nicht mehr aktiviert werden darf, selbst wenn der
Speichertemperaturfühler unter die Speichermaximaltemperatur abkühlt. Grund dafür
sind der im Kollektor befindliche Dampf und die heißen Vorlauftemperaturen, welche
die Armaturen der Solaranlage beschädigen können. Am Solarregler wird dies mit
einer Überhitzungsschutzfunktion sichergestellt, welche ab 120 ° (meist frei
C
einstellbar) Kollektorfühlertemperatur die Umwälzpumpe deaktiviert. [9]
Sollte der Anlagenbetriebsdruck aufgrund eines unter Umständen falsch ausgelegten
Membranausdehnungsgefäßes über einen maximalen Wert von meist 6 bar steigen,
öffnet sich ein Sicherheitsventil um Solarflüssigkeit abzulassen. Kondensiert der
Dampf bei sinkenden Temperaturen, kann der Anlagendruck zu tief sinken und die
verlorene Flüssigkeit muss über die Spülanschlüsse mit Druck ersetzt werden.
Freut sich ein Anlagenbetreiber über Kollektortemperaturen, welche selbst in der
Nacht noch über der Außentemperatur liegt, ist oft eine defekte oder nicht
vorhandene Schwerkraftbremse dafür verantwortlich. Dieses verhindert ein
ungewolltes aufsteigen von warmen Solarfluid durch die Vorlaufleitung zum Kollektor.
Durch den Dichteunterschied von warmen zu kaltem Fluid, steigt warme Flüssigkeit
vom Speicher zum Kollektor auf und kühlt dort ab, was mit einer Schwerkraftbremse
oder einem Rückschlagventil zu verhindern ist.
Umwälzpumpe, Spülanschlüsse, Vor- und Rücklaufanschlüsse mit Thermometer und
Absperrfunktion, Manometer, Solarregler und oft auch Luftabscheider sind meist in
17

19. 2. Grundlagen und Begriffe
sogenannten Solarstationen vormontiert und mit einer passenden Isolierschale
versehen.
Im Bezug auf die Fernüberwachung und -wartung gilt es die Betriebsdaten
thermischer Solaranlagen zu erfassen und auszuwerten. Bei den dazu zur Verfügung
stehenden Sensoren hat sich über die vergangenen Jahre einiges getan, was unter
anderem eine Wärmemengenerfassung (siehe Abbildung 6) im Kollektorkreis
ermöglicht. Auf diese Entwicklungen wird im nächsten Kapitel genauer eingegangen.
18

20. 2. Grundlagen und Begriffe
2.2 Vorhandene Messtechnik bei thermischen Solaranlagen
Um eine Fernüberwachung und -wartung von Solaranlagen durchführen zu können,
ist eine digitale Betriebsdatenerfassung notwendig. Es gilt die Solaranlage mit einem
Minimum an Messtechnik zufriedenstellend zu regeln und zu überwachen. Jeder
zusätzliche Sensor erhöht die Komplexität, Fehleranfälligkeit der Messtechnik und
die Kosten der Anlage.
Prinzipiell sind mindestens zwei Temperatursensoren - ein Kollektorfühler und ein
Speicherfühler - notwendig, um eine Solaranlage über eine Temperaturdifferenz-
regelung zu betreiben. Um umfassendere Systemschemen zu regeln, werden
weitere Temperatursensoren hinzugefügt. Alle Temperaturmesspunkte die zur
Regelung verwendet werden, stehen auch für eine Fernüberwachung zur Verfügung.
Zusätzlich zu den Temperatursensoren wurden bei Solaranlagen in die letzten
Jahren weitere Messgeräte mit Auswertungsmöglichkeiten über den Solarregler
hinzugefügt. Mittlerweile gibt es Durchfluss- und Drucksensoren mit für Solaranlagen
akzeptable Kosten auf dem Markt, welche oft direkt in die Solarstation verbaut
werden. Die Wärmemengenerfassung über Durchflusssensoren wurde insbesondere
durch neue Förderbedingungen, wie beispielsweise in Oberösterreich [10]
vorangetrieben und ist mittlerweile fixer Bestandteil vielen Solarstationen geworden.
Eine weitere Datenquelle stellen die Ausgangsbetriebsvorgänge des Solarreglers
dar. Beginnend mit aufsummierten Pumpenlaufzeiten, bis hin zu zyklisch geloggten
Tabellen aller Ausgangszustände, können auch diese zur Beurteilung der
Anlagenfunktion herangezogen werden.
19

21. 2. Grundlagen und Begriffe
Datenquellen Einheit Verwendung
Temperatursensoren °C Differenztemperaturregelung, Überwachung
Durchflusssensoren l/min. Wärmemengenerfassung, Funktionskontrolle
Drucksensoren bar Systemdrucküberwachung, Stagnationsverhalten
Einstrahlungssensoren W/m2 Regelung, Ertragsbewertung
Ausgangszustände - Steuerung der Pumpen und Ventile
Abbildung 7: Datenquellen für die Fernüberwachung aus dem Stand der Solaranlagentechnik ohne
zusätzliche Sensoren
Abbildung 7 zeigt eine Übersicht von Datenquellen bei thermischen Solaranlagen,
welche direkt über die Regelungseinheit erfasst werden können. Beschreibungen
von vielfach eingesetzten Messsensoren für Solaranlagen finden sich in den
Punkten 2.2.1 bis 2.2.7.
2.2.1 Temperatur
Für die Temperaturermessung bei thermischen Solaranlagen werden durchgehend
Widerstandtemperaturfühler verwendet. Durchgesetzt haben sich Platin-
Widerstands-Temperatursensoren, welche über die Zweileitertechnik mit den
Solarreglern verbunden werden. Grund dafür ist das einfache Messprinzip für den
Einsatzbereich in Solaranlagen zur Differenztemperaturregelung und die
ausreichende Messgenauigkeit ohne aufwendige Vierleiter-Messleitungen zum
Solarregler. Am Markt verbreitete Solarregler von Firmen wie RESOL, STECA oder
Sorel sind durchgehend mit Pt1000 Sensoren zur Temperaturmessung ausgestattet.
Die Bezeichnung Pt1000 weist auf einen Widerstand von 1000 bei 0 ° hin. Mit
C
höherer Temperatur erhöht sich der Widerstand weitgehend linear über den positiven
Temperaturkoeffizienten des Kaltleiters.
20

22. 2. Grundlagen und Begriffe
Ein in Abbildung 8 ersichtlicher Genauigkeitsvergleich zwischen - in der
Heizungsbrache teils verwendeten - KTY-Halbleiterfühlern und Pt1000 Sensoren
wurde im Rahmen des Forschungsprojektes „Langzeitüberwachung und
Betriebsoptimierung großer solarintegrierter Wärmeversorgungsanlagen“ an der
Universität Kassel durchgeführt. Sie kamen zum Schluss, dass die absolute
Abweichung der KTY-Sensoren deutlich über den getesteten Pt1000 Sensoren liegt
und für eine Funktionskontrolle über die Messtechnik von Solaranlagen nur letztere
in Frage kommen. [2]
Abbildung 8: Vergleich zwischen KTY-Halbleiterfühlern und Pt1000-Platin-Widerstandstemperatur-
sensoren zur Solaranlagenüberwachung [2]
Als Kollektortemperaturfühler müssen aufgrund der hohen Stagnationstemperaturen
von über 200 ° temperaturbeständige Silikonkabelmäntel verwendet werden. Die
C
Messung von Speicher- oder Plattenwärmetauschertemperaturen lässt auch die
Nutzung von günstigeren PVC-Kabelmänteln zu. Beide Sensorausführungen sind in
Abbildung 9 ersichtlich. In jedem Fall müssen die Temperatursensoren vor
Feuchtigkeit und Korrosion geschützt werden, dies wird mit einer rollierten oder
aufgepressten Edelstahlhülse sichergestellt. Zur Verlängerung der Sensorleitungen
können zweiadrige Kupferkabel verwendet werden. Diese Sensorverlängerung ist für
den Kollektorfühler meist direkt an der flexiblen Solarverrohrung integriert.
21

23. 2. Grundlagen und Begriffe
Abbildung 9: Platin-Widerstandsfühler Typ Pt1000 mit Silikon(links) und PVC(rechts) Kabelmantel
Für eine aussagekräftige Temperaturmessung ist die Platzierung der
Temperatursensoren zu beachten. Speziell die Messung der Kollektortemperatur ist
mit Anlegefühlern am Absorberblech verhältnismäßig ungenau. Für die
Differenztemperaturregelung ist die Vorlauftemperatur der Solarflüssigkeit
ausschlaggebend. Daher sollte der Kollektortemperaturfühler möglichst in einer direkt
vom Fluid umströmten Tauchhülse platziert sein. Die in Abbildung 10 ersichtliche
Fühlerplatzierung befindet sich direkt neben dem Mäanderrohrausgang im oberen
Sammelrohr eines Solarabsorbers.
22

24. 2. Grundlagen und Begriffe
Abbildung 10: Platzierung des Kollektortemperaturfühlers über eine Tauchhülse im oberen Sammelrohr
an der Mäanderrohrverbindung (Foto zeigt die Rückseite eines Mäanderabsorbers)
Erhitzt die Sonneneinstrahlung das Absorberblech, wird die Wärmeträgerflüssigkeit
in den am Absorberblech angebrachten Kupferrohren erwärmt und steigt aufgrund
des Dichteunterschiedes in das Sammelrohr auf. Erst wenn das Fluid im Sammelrohr
den Temperatursensor bis zur Einschalttemperaturdifferenz im Vergleich zur
Speichertemperatur erhitzt hat, aktiviert der Solarregler die Kollektorkreispumpe. Je
nach Volumenstrom und verfügbarer Sonneneinstrahlung ändert sich die Temperatur
der Wärmeträgerflüssigkeit. Ein direkt umströmter Temperatursensor reagiert auf
diese Temperaturänderungen genauer wie ein Anlegefühler am Absorberblech, somit
werden Fehlbeladungen des Speichers vermieden und das Regelverhalten der
Solaranlage verbessert.
23

25. 2. Grundlagen und Begriffe
2.2.2 Durchflussmessung und Wärmemengenerfassung
Um die gewonnene Wärmemenge einer Solaranlage mit einem WMZ zu erfassen,
muss neben zwei Temperaturwerten auch der Volumenstrom mit einem
Durchflusssensor gemessen werden. Bei Solaranlagen kommen nur kostengünstige
Durchflusssensoren in Frage, welche den Kostenanteil der Messtechnik an der
Gesamtinvestition gering halten.
Bei Solaranlagen ohne Durchflusssensor ermöglichen Solarregler oft eine
sogenannte „theoretische Wärmemengenberechnung“, welche aber nur sehr
ungenaue Ergebnisse liefert. Dabei wird zur Berechnung der Wärmemenge ein meist
am Schauglas des Strangregulierventils abgelesener fixer Durchflusswert in den
Solarregler eingegeben. Dieser Durchflusswert wird während der
Kollektorkreispumpenlaufzeit in Kombination mit der Temperaturdifferenz zwischen
Kollektor- und Speicherfühler als WMZ verwendet. Die spezifische Wärmekapazität
für die Berechnung ist meist reglerintern festgelegt und kann vom Nutzer nicht
geändert werden. Durch die temperaturabhängige Viskosität der verwendeten
Wasser-Glykol-Wärmeträgerflüssigkeiten ändert sich der Durchfluss während dem
Betrieb einer Solaranlage, was neben den schlecht gewählten
Temperaturmesspunkten zu einer erheblichen Abweichung dieser
Wärmemengenerfassung führt. Für einen aussagekräftigen Ertragswert der
Solaranlage ist diese Methode folglich nicht geeignet. Selbst bei einem
Pumpendefekt errechnet der Solarregler bei aktiviertem Pumpenausgang über die
„theoretische Wärmemengenberechnung“ einen Leistungswert, welcher dem
unerfahrenen Anlagenbetreiber die korrekte Funktionsweise seiner Solaranlage
fälschlicherweise anzeigen kann.
Daher ist der Einsatz von „echten“ Durchflussmessern für eine aussagekräftige
Wärmemengenerfassung bei Solaranlagen notwendig. Zwei verbreitete günstige
Durchflusssensortypen, welche teils schon in Solarstationen vormontiert sind,
werden in dieser Arbeit beschrieben. Zum einen werden seit Jahren
Impulsdurchflussmesser mit Flügelrädern in Solaranlagen verwendet, zum anderen
findet man seit 2009 verbreitet Wirbelzähler in Solarstationen. Siehe Punkte 2.2.3 bis
2.2.5.
24

26. 2. Grundlagen und Begriffe
2.2.3 Impulsdurchflussmesser
Ein Impulsdurchflussmesser, welcher den Volumenstrom mittels Flügelrädern erfasst
ist in Abbildung 11 ersichtlich.
Abbildung 11: Impulsdurchflussmesser „RESOL Volumenmessteil V40“ (Quelle: RESOL)
Impulsdurchflussmesser geben beim Durchströmen eines definierten Volumens
einen Impuls an den Solarregler. Die durchströmende Flüssigkeit wird über
Flügelräder und ein Zählwerk erfasst. Das Durchflussvolumen pro Impuls muss am
Regler eingestellt werden. Zu beachten ist, dass der Impulsdurchflussmesser für die
Messung des Wasser-Glykol-Gemisches im Kollektorkreis geeignet sein muss. [11]
Die Durchflussmessung mit Flügelrädern wird durch die Viskosität der
Wärmeträgerflüssigkeit beeinflusst, welche wiederum vom Mischungsverhältnis, der
Glykolart und der Temperatur abhängig ist. Beim verwendeten Solarregler müssen
daher Glykolart und Mischungsverhältnis eingestellt werden können. Weiters muss
der Regler intern die temperaturabhängige Viskositätsänderung, über den meist für
den WMZ integrierten Temperaturfühler, der Flüssigkeit berücksichtigen. Ansonsten
kann 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 die
Umdrehungen des Flügelrades über einen Hall-Sensor erfasst.
25

27. 2. Grundlagen und Begriffe
Abbildung 12: Fehlerkurven von Flügelradzählern bei der Messung von Wasser-Glykol-Gemischen [13]
Die problematische Durchflussmessung des Wasser-Glykol-Gemisches im
Kollektorkreis kann bei Verwendung eines Plattenwärmetauschers zur Übergabe auf
den Speicherbeladekreis vermieden werden. In diesem Fall wird der
Durchflusssensor zur Wärmemengenerfassung im Speicherbeladekreis installiert, in
welchem sich Wasser als Wärmeträgermedium befindet, da im Heizkeller keine
Frostgefahr besteht. Der Durchfluss von Wasser lässt sich einfach über verbreitete
Impulsdurchflussmesser aus der Heizungsbranche bestimmen.
26

28. 2. Grundlagen und Begriffe
2.2.4 Wirbelzähler zur Durchflussmessung
Für eine Volumenstromerfassung mit einem Wirbelzähler befindet sich ein
Prallkörper in einer Messstrecke, welcher Wirbelablösungen hinter der
Anströmungsrichtung verursacht. Die entstehende Wirbelfrequenz verhält sich direkt
proportional zur Strömungsgeschwindigkeit bzw. - bei einem definierten Mess-
streckenquerschnitt - zum Durchfluss. Dieser Effekt wird als „Kármánsche
Wirbelstraße“ bezeichnet. Zur Erfassung der Wirbelfrequenz können die, mit den
Wirbelauslösungen verbundenen, Druckschwankungen genutzt werden. [13]
Abbildung 13: Vortex-Durchflussmesser von Grundfos für einen Messbereich von 2-40 l/min, links die
Messstrecke, unten der Sensor, oben die Steckverbindung zum Solarregler
Abbildung 13 zeigt einen Vortex-Durchflussmesser des Herstellers Grundfos, welcher
eine Volumenstromerfassung über das oben beschriebene Messprinzip ermöglicht.
Der Sensor erfasst die von den Wirbeln erzeugten Druckschwankungen über einen
Piezodrucksensor. Dieser ist in der Mitte des Sensors beidseitig umströmt platziert.
(siehe Querschnittsdarstellung in Abbildung 14). [14]
27

29. 2. Grundlagen und Begriffe
Abbildung 14: Querschnittdarstellung eines Grundfos Vortex Durchflussmesser von Grundfos:
Strömungsrichtung, Prallkörper, Sensor und Verwirbelungen (Quelle: Grundfos)
Die Durchflusssensoren von Grundfos werden in verschieden Baureihen zur
Abdeckung eines größeren Messbereichs hergestellt, welche sich hauptsächlich
durch den Querschnitt der Messstrecke unterscheiden. Die kleinsten
Durchflusssensoren eigenen sich für einen Messbereich von 1 - 12 l/min, die größten
für einen Messbereich von 20 – 400 l/min. Hinsichtlich der Genauigkeit gibt der
Hersteller auf seinen Datenblättern eine mögliche prozentuelle Abweichung von 5 %
bei den kleinen Sensoren und 1,5 % bei den größeren Sensoren ab 5 l/min
Messbereich an. Diese gelten für einen Temperaturbereich von 0 bis 100 ° bei
C
einer Auflösung zwischen 0,2 und 1,0 l/min. Hinsichtlich der Eignung für Wasser-
Glykol-Gemische im Kollektorkreis wird diese Genauigkeit über den Messbereich für
eine Mischung mit 42 % Glykolanteil bei 30 ° in der „QT“ Baureihe angegeben. Die
C
Sensoren müssen vom Solarregler mit 5V Gleichstrom versorgt werden und
übermitteln die Messwerte mit einem 0,5 bis 3,5 V Spannungssignal direkt
proportional zum Durchfluss. Ein ebenfalls im Sensorkopf befindlicher
Temperatursensor wird über die gleiche Methode gemessen. [15]
Für die Nutzung in thermischen Solaranlagen ist der geringe Druckverlust des
Vortex-Sensors im Vergleich zu Impulsdurchflussmessern vorteilhaft. Weiters
benötigt der Sensor keine beweglichen Teile zur Durchflussmessung und kann so
über die Betriebsjahre einer Solaranlage weitgehend verschleißfrei eingesetzt
werden. Auch der Messfehler soll laut Angaben von Grundfos über die
Nutzungsdauer nicht ansteigen, was auf die Silicoat® Beschichtung des
Piezodrucksensor zurückzuführen ist, welche den Sensor vor aggressiven Medien
schützt. Weiters verfügen die Grundfos Vortex-Sensoren über eine BAFA Zulassung,
welche in Deutschland für die staatliche Förderung von thermischen Solaranlagen ab
30m² Flachkollektorfläche einen WMZ im Kollektorkreis erfordert. [14] [16]
28

30. 2. Grundlagen und Begriffe
2.2.5 Wärmemengenerfassung
.
Die Wärmeleistung Q [kW] des Kollektorkreises einer Solaranlage kann von einem
Solarregler errechnet werden, wenn folgende Messwerte der Wärmeträgerflüssigkeit
bekannt 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] der
Wasser-Glykol-Mischung bekannt sein. Die Werte werden dann in folgende Formel
eingesetzt:
. .
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 der
Wärmeträgerflüssigkeit multipliziert mit der Dichte und der spezifischen
Wärmekapazität des Wasser-Glykol-Gemisches und mit der Temperaturdifferenz
zwischen 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. 2. Grundlagen und Begriffe
Bei Verwendung eines Grundfos Vortex-Durchflusssensors (siehe Abbildung 15) als
WMZ, kann der im Sensorkopf integrierte Temperatursensor genutzt werden. [14]
Dieser misst die Solarrücklauftemperatur, wobei der Temperatursensor durch den
direkten Kontakt zum Wärmeträgerfluid einen exakten Messwert liefert. Die
Solarvorlauftemperatur wird meist über den Kollektorfühler erfasst. In diesem Fall
wird auch der Wärmeverlust über die Solarvorlaufverrohrung miterfasst. Aus den
Messwerten berechnet der Solarregler über die eingebenen Wärmeträger-
zusammensetzungen die aktuelle Leistung, welche zur Wärmemengenerfassung
über die Zeit integriert wird.
Sollte nur die an den Speicher über ein Wärmetauscherregister übergebene
Solarwärme erfasst werden, ist ein zusätzlicher Temperatursensor zur Messung der
Solarvorlauftemperatur in der Solarstation notwendig. Hier bietet es sich an, einen
Drucksensor mit Temperaturmessung an der Vorlaufleitung in der Solarstation zu
platzieren, wie in Abbildung 17 ersichtlich.
Die Genauigkeit der Wärmemengenerfassung im Kollektorkreis ist abhängig von den
Messfehlern der verwendeten Sensoren, der internen Berechnung im Solarregler und
korrekten Platzierung der Sensoren.
Solarkollektoren
Speicher
Abbildung 15: Vortex-Durchflusssensor für WMZ in der Rücklaufverrohrung der Solarstation
30

32. 2. Grundlagen und Begriffe
2.2.6 Druck
Abbildung 16: Prinzipdarstellung der Druckmessung mit einem Grundfos RPS-Sensor und dem Einbau in
einer Solarstation (Quellen: Grundfos, RESOL)
Sensoren zur Erfassung des Systemsdrucks am Solarregler finden sich erst seit
2009 als fixer Bestandteil in Solarstationen. Der in Abbildung 16 ersichtliche
Drucksensor von Grundfos dient zur Erfassung des Relativdrucks im Kollektorkreis
und ist unter anderem in der Solarstation „FlowCon D“ von RESOL zu finden. Er
verfügt, ähnlich wie der in Punkt 2.2.4 beschriebene Vortex-Durchflusssensor, über
einen Piezodrucksensor. Dieser ist aber im Gegensatz zum Durchflusssensor nur auf
einer Seite dem Druck der Wärmeträgerflüssigkeit ausgesetzt, auf der anderen Seite
liegt der Umgebungsdruck an. Der Relativdruck wird über die Verformung des
Piezodrucksensors gemessen und wie schon beim Vortex- Durchflusssensor über
ein 0,5 bis 3,5 V Spannungssignal an den Solarregler übermittelt. Auch eine
Temperaturmessung ist im Sensorkopf mit integriert. Die Grundfos Vortex-
Durchflusssensoren (VFS) und Drucksensoren (RPS) können hierbei dieselben
Steckplätze an den kompatiblen Solarregler verwenden, was mitunter auch ein
Grund für die verbreitete Verwendung dieser Sensoren in der Solarthermie ist.
31

33. 2. Grundlagen und Begriffe
Grundfos Drucksensor
mit integriertem Vorlauf-Temperatursensor
„FlowRotor“ zur Durchflussmessung
Rücklauf-Temperatursensor
Abbildung 17: RPS Drucksensor in der Vorlaufleitung einer Solarstation (Quelle: PAW) (Bezeichnungen
vom Autor hinzugefügt)
Durch die Überwachung der Drucksensoren am Regler kann ein Leck im
Kollektorkreis gemeldet und schneller entdeckt werden. Auch ein schleichender
Druckverlust wird bei Aufzeichnung und Auswertung der Messdaten sichtbar. Ebenso
kann der Druckverlauf der Solaranlage im Falle einer Stagnation aufgezeichnet und
beurteilt werden.
32

34. 2. Grundlagen und Begriffe
2.2.7 Einstrahlung
Abbildung 18: Ein günstiger Einstrahlungssensor welcher teils bei Solaranlagen eingesetzt wird (Quelle:
STECA)
Günstige Einstrahlungssensoren, wie in Abbildung 18 zu sehen, finden sich teilweise
bei Solaranlagen zur Verwendung als Strahlungsschwellenschalter, welche je nach
Sonneneinstrahlung die Kollektorkreispumpe ein- oder ausschalten. Voraussetzung
dafür ist ein kompatibler Solarregler mit passendem Messsignaleingang. Weiters
kann die Einstrahlungsintensität in [W/m²] erfasst werden. Auf dem Datenblatt des
oben ersichtlichen Photovoltaikzellensensors ist die Genauigkeit im Jahresmittel mit
±5 % angegeben. [17] Wird die Einstrahlung über einen Datenlogger erfasst, kann
diese für eine grobe Ertragsabschätzung der Solaranlage über einen Vergleich zur
im Kollektorkreis gewonnenen Wärmemenge herangezogen werden. Bei der
Verwendung von Einstrahlungssensoren sollten der zusätzliche Aufwand für die
erforderliche Messleitung zum Kollektorfeld und die mögliche Verfälschung des
Einstrahlungswertes durch Verschmutzung oder Verschattung beachtet werden.
Genaue Pyranometer zur Einstrahlungsmessung werden aufgrund der
vergleichsweise hohen Kosten bei Solaranlageninstallationen kaum verwendet. Auch
sind passende Messeingänge und interne Auswertungen der Einstrahlungswerte bei
Solarreglern noch selten zu finden.
33

35. 2. Grundlagen und Begriffe
2.3 Fernüberwachung und -wartung
Die Daten der Messtechnik von Solaranlagen gilt es aufzuzeichnen und für
Fernüberwachung 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 an
der Universität Kassel zur „Langzeitüberwachung und Optimierung großer
solarintegrierter Wärmeversorgungsanlagen“ genutzt. Ziel war es, für große
Solaranlagen 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
Solarregler
Wichtige Erkenntnisse des Projektes waren unter anderem die Nutzung der bereits
vorhandenen Messtechnik von Solaranlagen und das Finden einer angepassten
Lösung für den verwendeten Mess PC. [6] Einige Solarregler wurden über die letzten
Jahre in dieser Richtung weiterentwickelt, eine Übersicht dazu zeigt Abbildung 20.
34

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
• Regelverhalten
Aktoren: 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. 2. Grundlagen und Begriffe
2.3.1 Messdatenerfassung und Datenlogger
Wie in Kapitel 2.2 beschrieben, werden von aktuellen Solarreglern die
Temperaturwerte, die Durchflussmessung für WMZ und der Systemdruck erfasst.
Weiters können die Schaltvorgänge von Ventilen und Pumpenregelung über die
Ausgänge des Solarreglers aufgezeichnet werden.
Dazu ist ein Datenlogger notwendig, welcher bei aktuellen Solarreglern von
bekannten Firmen wie der „STECA Elektronik GmbH“ oder „RESOL - Elektronische
Regelungen GmbH“ direkt in die Elektronik integriert ist. Es können vier
unterschiedliche Lösungen zur Aufzeichnung von Solaranlagenbetriebsdaten
unterschieden werden:
• intern auf dem Mikrocontrollers
• über einen Steckplatz für Speicherkarten
• mit einem externen Zusatzmodul
• durch Notizen vom Anlagenbetreiber
Erstere Lösung ist nur begrenzt für die Datenaufzeichnung nutzbar, da der interne
Datenspeicher auf gängigen Mikrocontrollern nur etwa 32 Bytes bis 48 kByte [18]
umfasst. Damit können nur Datensätze für wenige Tage und Wochen gespeichert
und abgerufen werden. Dies wird zum Beispiel beim Solarregler „TiSUN Duplex
basic“ zur direkten Anzeige von einzelnen Temperaturverläufen am grafischen
Display genutzt. Die geringe Auflösung der Displays lässt jedoch keine
Gesamtübersicht mit Pumpenlaufzeiten und weiteren Datensätzen zu. Daher sind
diese Diagramme zur Beurteilung der Anlagenfunktion nur begrenzt hilfreich.
Die Erweiterung von Solarreglern mit Steckplätzen für Speicherkarten zur
Datenaufzeichnung ist unter anderem beim „STECA TR 0603mc“ [19] zu finden.
Speicherkarten sind besonders durch die Verwendung in Digitalkameras zu einem
günstigen und bekannten Massenprodukt geworden. Für den Endkunden ist diese
Lösung einfach zu verstehen, da viele den Umgang mit Speicherkarten bereits
gewohnt sind.
36

38. 2. Grundlagen und Begriffe
Ein externes Zusatzmodul als Datenlogger setzt voraus, dass der Solarregler über
einen Anschluss für eine serielle Schnittstelle verfügt. Bekannt ist der RESOL
VBus®, mit welchem die Daten auf das Zusatzmodul „Datalogger DL2“ übertragen
werden. Je nach Komplexität der zu überwachenden Anlage können laut RESOL
zwischen 30 und 120 Monate auf dem verfügbaren Speicherplatz aufgezeichnet
werden. [20]
Zur Vollständigkeit wird auch die Datenerfassung bei Problemanlagen ohne
automatischen Datenlogger beschrieben. Dabei werden vom Anlagenbetreiber
selbst in regelmäßigen Abständen der für ihn ersichtliche Betriebszustand und die
Temperaturwerte der Solaranlage notiert. Diese Aufzeichnungen dienen dann als
Grundlage für Diskussionen mit dem Kundendienst des Herstellers, der beauftragten
Firma oder in diversen Internetforen. [21] [22]
2.3.2 Fernüberwachung und DFÜ
Für die Fernüberwachung thermischer Solaranlagen gilt es die, über den Solarregler
auf dem Datenlogger aufgezeichneten Daten, mit einer DFÜ zur Auswertung zu
übertragen. Je nach gefordertem Umfang, Verfügbarkeit der Daten und technischer
Ausstattung der Solaranlage kann die Fernüberwachung unterschiedlich ausfallen:
• manuell
• halbautomatisch
• vollautomatisch
Bei der manuellen Fernüberwachung muss der Anlagenbetreiber sowohl die
Datenaufzeichnung, als auch Datenübertragung selbst durchführen. Diese
Vorgangsweise wird vom TiSUN Kundendienst besonders bei komplexeren Fehlern
oder Fragestellungen von Kunden genutzt. Das Finden von Lösungen und Antworten
per Telefon und E-Mail ist auf dieser Datenbasis oft ein schwieriges und
zeitaufwendiges Unterfangen. [21]
37

39. 2. Grundlagen und Begriffe
Verfügt der Anlagenbetreiber über einen Solarregler mit Datenlogger, kann von einer
halbautomatischen Fernüberwachung gesprochen werden. Befinden sich die
aufgezeichneten Daten auf einer Speicherkarte, wird die DFÜ vom Kunden über
einem verfügbaren PC per Internet bzw. E-Mail-Anhang durchgeführt.
Für eine vollwertige Fernüberwachung müssen die Daten einer Solaranlage
vollautomatisch in Echtzeit der Auswertung zur Verfügung gestellt werden. Dies
setzt eine dauerhafte Datenverbindung zwischen der Schnittstelle des Datenloggers
und dem Auswertungsgerät voraus. Um möglichst unabhängig auf die Daten
zugreifen zu können, sollte die Anlage mit dem Internet verbunden werden. Hier gilt
es möglichst auf bereits vorhandene Strukturen im Gebäude zurückzugreifen. Ein
bereits bestehender Internet Breitbandanschluss mit Ethernet-LAN-Anbindung ist
hierfür geeignet, da sich diverse Solarregler (siehe Kapitel 3) direkt mit dem lokalen
Netzwerk über LAN-Schnittstellenadapter verbinden lassen. Abbildung 21 zeigt, dass
2009 im EU-Schnitt bereits mehr als jeder zweite Haushalt über eine
Breitbandverbindung verfügt [23], bei Unternehmen sind es 2009 bereits 82 %. [24]
Abbildung 21: Verbreitung von Breitbandverbindungen, welche zur Fernüberwachung und -wartung
thermischer Solaranlagen genützt werden können [23]
38

40. 2. Grundlagen und Begriffe
Aktuelle Breitbandmodems, wie in Abbildung 22 ersichtlich, verfügen meist über
mehrere integrierte Netzwerkanschlüsse, welche direkt über ein passendes
Netzwerkkabel mit der Ethernet Schnittstelle des Solarregler verbunden werden
können.
Abbildung 22: Breitbandmodem mit integrierten Ethernet Netzwerkanschlüssen (gelb)
Ist eine Internet Fernüberwachung der Solaranlage gefordert, aber im Gebäude noch
kein Anschluss vorhanden, muss dieser zusätzlich installiert werden. Die dadurch
entstehenden zusätzlichen Kosten für Installation und laufenden Betrieb, sowie die
Wartung bei Defekten und Erhöhung der Systemkomplexität sind dabei zu beachten.
Sollte die Fernüberwachung nur im lokalen Netzwerk benötigt werden, ist ein
Ethernet-Switch [25] für die Verbindung der Netzwerkteilnehmer ausreichend.
2.3.3 Visualisierung und Auswertung
Die Visualisierung und Auswertung der geloggten digitalen Anlagendaten kann auf
verschiedene Arten erfolgen. In jedem Fall ist dafür ein PC oder ein ähnliches
Elektrogerät mit Bildschirm und Betriebssystem notwendig.
39

41. 2. Grundlagen und Begriffe
Im einfachsten Fall liegen die aufgezeichneten Daten als kommagetrennte Werte in
einer Textdatei vor und können in ein Tabellenkalkulationsprogramm wie Microsoft
Excel [26] importiert werden. In diesem Fall müssen Diagramme mit Auswertungen
selbst erstellt und beurteilt werden.
Meist wird aber vom Solarreglerhersteller eine eigene Software zur Auswertung der
Daten zur Verfügung gestellt oder verkauft. Über diese werden dann automatisch
Temperaturverläufe und Kennzahlen - wie Pumpenlaufzeiten - aus den Messdaten
generiert. Diese können direkt zur Funktionsbeurteilung und Anlagenkontrolle
herangezogen werden. Nachteilig wirkt sich hierbei die oft plattformabhängige
Software, welche nur unter Microsoft Windows lauffähig ist, aus. Weiters muss die
Software vom Nutzer installiert werden, was für ungeübte PC Nutzer oft schon ein
großes Problem darstellt.
Um dies zu umgehen, können auch plattformunabhängige Webbrowser wie Mozilla
Firefox für die Datenauswertung verwendet werden. Dazu werden die Daten über
einen Webserver ausgewertet und zur Verfügung gestellt. Dieser kann direkt in die
Elektronik des Solarreglers oder in ein Zusatzmodul integriert werden. Eine
Möglichkeit ist auch die Nutzung eines externen Webservers, auf welchem die
Logdaten geladen und über ein Webinterface zur Verfügung gestellt werden. Im
Fotovoltaikbereich ist dies weit verbreitet, zum Beispiel www.sunnyportal.com von
SMA. Im Solarthermiebereich kann www.solarthermalweb.de von STECA genannt
werden – diese Plattform befindet sich aber erst im Aufbau. Weiterführende
Informationen dazu sind im Kapitel 3 ersichtlich, wo unter anderem in Punkt 3.3 eine
Fernüberwachungslösung mit einem digitalen Bilderrahmen behandelt wird.
2.3.4 Fernwartung
Die Fernwartung thermischer Solaranlagen wird separat zur Fernüberwachung
behandelt, da nicht jeder Regler, der zur Fernüberwachung geeignet ist, auch für
eine Fernwartung ausgestattet ist.
Grundsätzlich kann die Fernwartung thermischer Solaranlagen nur auf die
Konfigurations- und Parametereinstellungen von Solarreglern zugreifen. Alle
40

42. 2. Grundlagen und Begriffe
weiteren Komponenten der Anlage können nur vor Ort manipuliert werden und fallen
somit nicht mehr in den Begriff Fernwartung.
Der Zugriff auf die Einstellungen von Solarreglern kann elektronisch über eine
Schnittstelle, wie dem RESOL VBus®, oder mit einer Parameterdatei auf einer
Speicherkarte erfolgen. Siehe dazu die Punkte 3.1 und 3.2.
Anwendung findet die Fernwartung von Solaranlagen in der Fehlerbehebung falscher
Einstellungen am Regler. Des Weiteren kann eine Parameteroptimierung aufgrund
der Auswertung von Logdaten oder bei geänderten Betriebsbedingungen
durchgeführt werden, um das Regelverhalten anzupassen und den Solarertrag zu
optimieren.
41

43. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
3 Praktische Lösungen zur Fernüberwachung und
-wartung
In diesem Kapitel werden drei am Markt verfügbare Solarregler beschrieben, welche
sich zur Fernüberwachung und teils auch zur Fernwartung eignen. Alle Regler lösen
diese Aufgaben auf unterschiedliche Art und Weise, die jeweilige Funktionsweise
kann in der Übersichtsdarstellung auf Seite 35 in Abbildung 20 wiedergefunden
werden.
Abbildung 23: Drei Solarregler die sich zur Fernüberwachung und teils auch Fernwartung eignen
Abbildung 23 zeigt die drei Solarregler, welche im Rahmen der Diplomarbeit zum
Vergleich bei TiSUN herangezogen wurden:
• TiSUN DUPLEX basic
• RESOL DeltaSol BX
• STECA TR 0603 mc
Die Regler wurden aufgrund der breiten Verfügbarkeit am Solarthermiemarkt, dem
vergleichbaren Funktionsumfang und den dafür verfügbaren Möglichkeiten zur
Fernüberwachung und –wartung ausgewählt.
42

44. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
3.1 TiSUN DUPLEX basic
Abbildung 24: Solarregler TiSUN „DUPLEX basic“ mit Anschlussdetailbild und „MULTIPLEX advanced“
Erweiterungsmodul auf einem Regelungstestaufbau
Der in Abbildung 24 ersichtliche „DUPLEX basic“ Solarregler wird seit 2009 von
TiSUN vertrieben. Eine Besonderheit des Reglers ist das Erweiterungsmodul
„MULTIPLEX advanced“.
Der Basisregler verfügt über 8 Systemschemen zur Regelung verschiedener
Solaranlagen, welche über zwei Regelkreise mit TRIAC Ausgängen geregelt werden.
Zwei Hocheffizienzpumpen können über passende PWM Ausgänge drehzahlgeregelt
werden. Ein dritter Relaisausgang kann für Zusatzfunktionen wie eine
Speichernachheizung über eine Thermostatfunktion verwendet werden. Neben fünf
Thermostatfunktion
Pt1000 Temperatureingängen verfügt der Regler über zwei GDS-Eingänge für
Grundfos VFS und RPS Sensoren und über eine Anschlussmöglichkeit für einen
Impulsdurchflussmesser. Damit ist der Platz für die Anschlussmöglichkeiten in dem
verhältnismäßig kleinen „DUPLEX basic“ Solarregler auch voll ausgenutzt.
43

45. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
Um die Regelung komplexerer Solaranlagenschemen zu ermöglichen, kann das
Erweiterungsmodul „MULTIPLEX advanced“ angeschlossen werden. Damit erhöht
sich 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. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
SD-Speicherkarten Steckplatz
Abbildung 26: SD-Speicherkarten Einschub direkt am Solarregler
Ähnlich wie bei bekannten Digitalkameras befindet sich am Solarregler ein
Speicherkartensteckplatz (siehe Abbildung 26). Als Speichermedium kommen SD-
Speicherkarten zum Einsatz, welche im Elektronikfachhandel günstig erworben
werden können. Es sind jedoch keine Speicherkarten der neueren SDHC Baureihe
mit höherer Übertragungsgeschwindigkeit oder Karten mit mehr als 2 Gigabyte
Speicherplatz mit dem Solarregler kompatibel. Der Regler wird meist in einer
Solarstation 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 Spezifikationen
verwendet werden. Sobald die Speicherkarten-Datenaufzeichnung am Solarregler
aktiviert ist, wird über ein fixes Messintervall alle 10 Minuten eine Datenzeile mit den
aktuellen Sensorwerten und Ausgangsstellungen in eine Datei auf der SD-Karte
geschrieben. Zusätzlich werden die Konfigurationseinstellungen des Solarreglers in
einer Parameterdatei abgespeichert. In Abbildung 27 sind diese Dateien in einer
roten Box markiert dargestellt. Für jeden Monat wird eine eigene Datenlogdatei
erstellt. Dies dient zum einen der besseren Übersicht, zum anderen lassen sich so
45

47. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
bestimmte Monate einfach verschieben oder archivieren. Im unwahrscheinlichen Fall
von beschädigten Dateien lassen sich so auch Daten leichter retten. „WE1002.dat“
bezieht sich beispielsweise auf 10=2010, 02=Februar. Die „WE****.dat“ Dateien
beinhalten kommagetrennte Textwerte, welche in ein Tabellenkalkulationsprogramm
importiert werden können. Weitere Bezeichnungen der Datensätze und Einheiten
werden dabei aber nicht dargestellt. In der „WEPARA.INI“ Parameterdatei ist die
jeweils aktuelle Anlagenkonfiguration in einem verschlüsselten Dateiformat
abgespeichert.
Zur benutzerfreundlichen Auswertung dieser Daten wird eine Software benötigt,
welche als Zubehörteil von TiSUN verkauft wird. Dabei erhält der Kunde die Software
direkt vorinstalliert auf der passenden SD-Speicherkarte. Eine zusätzliche Installation
am Windows-PC ist daher nicht notwendig. In Abbildung 27 ist die Datenstruktur auf
SD-Speicherkarte ersichtlich, wobei sich die Software über „DataViewer.exe“ starten
lässt bzw. automatisch über die Windows-Autostartfunktion bei Erkennung des
Wechseldatenträgers gestartet wird.
Ist der Datenlogvorgang am Regler aktiviert, erzeugt ein voller Monat über das fixe
10 Minuten Messintervall eine bis zu 500 Kilobyte große Datenlogdatei. Auf einem
Gigabyte (1048576 Kilobyte) Speicherplatz einer SD-Karte lassen sich also über 150
Jahre lang Anlagedaten erfassen.
Abbildung 27: Die Auswertungs- und Parameterisierunssoftware befindet sich bereits vorinstalliert auf
der Speicherkarte
46

48. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
Wird die Software von der Speicherkarte gestartet, werden die im gleichen
Ordnerverzeichnis befindlichen Log- und Parameterdaten automatisch eingelesen.
Abbildung 28 zeigt den Anfangszustand der Software, welcher automatisch den
gesamten aufgezeichneten Zeitraum darstellt. In vier Kategorien sind
Temperaturverläufe, Durchfluss und Druck, Schaltzustände der Ausgänge,
Wärmemengenerfassung und Laufzeit direkt zueinander ersichtlich. Zur besseren
Übersicht lassen sich die einzelnen Diagrammteile und Inhalte ein- und ausblenden,
um zum Beispiel den Zusammenhang zwischen einzelnen Temperaturkurven über
die Pumpenansteuerung direkter zu erfassen.
Die Ansicht über einen Zoomfaktor von mehreren Monaten eignet sich besonders um
folgende Punkte zu analysieren:
• Langfristige Auswirkungen von Parameteränderungen
• Beurteilung von Über- bzw. Unterdimensionierung der Anlage
• Schleichender Druckverlust im Kollektorkreis
• Monatsvergleiche der Wärmemengenerfassung und Pumpenlaufzeiten
Abbildung 28: Darstellung von geloggten Anlagendaten eines Hauses in Griechenland über mehrerer
Monate mit der TiSUN Auswertungssoftware
47

49. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
Mit dem Mauszeiger lassen sich einzelne Tage im Programm markieren und
darstellen, siehe Abbildung 29. Dabei passen sich alle vier Kategorien dem
eingestellten Zeitraum an. Auch die Anzeige von erfasster Energiemenge und
Pumpenlaufzeit zeigt dann nur die über den Diagrammverlauf summierten Werte an.
Gut ersichtlich ist der Einfluss der Drehzahlregelung der Kollektorkreispumpe, welche
je nach Temperaturspreizung zwischen Kollektor- und Speichertemperatur die
passende Durchflussmenge einstellt. Dadurch wird ein Takten der Pumpenregelung
vermieden, was sich über ein dauerndes aus- und abschalten der Pumpen erkennen
lässt. Die Kollektoren werden bei zu hohem Volumenstrom zu schnell abgekühlt und
die Ausschaltdifferenz dabei immer wieder unterschritten. Unnötige Überhitzung der
Solarkollektoren wird durch höhere Durchflüsse vermieden, was zu einem besseren
Ausnutzen des Kollektorwirkungsgrades führt. Am vierten Tag in Abbildung 29 ist der
Einfluss von weniger Einstrahlstrahlung am Kollektor ersichtlich, wo die
Drehzahlregelung am Vormittag den Durchfluss nach unten anpasst und damit für
einen unterbrechungsfreien Lauf der Kollektorkreispumpe sorgt.
Abbildung 29: Darstellung von geloggten Anlagendaten einzelner Tage mit der TiSUN
Auswertungssoftware
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50. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
Abbildung 30: Übersicht aller Konfigurations- und Parametereinstellungen am Solarregler über die
Auswertungssoftware
Die auf den beiden Seiten zuvor beschriebenen Diagrammverläufe sind direkt
abhängig von den Einstellungen am Solarregler. Sich diese auswendig zu merken
oder umständlich vom kleinen Reglerdisplay zu notieren, stellt keine
benutzerfreundliche Lösung dar. Die auf der SD-Speicherkarte gespeicherte
Parameterdatei umfasst die gesamten Konfigurationseinstellungen des Solarreglers,
wie in Abbildung 30 dargestellt. Mit einer derartig strukturierten Übersicht lassen sich
schnell falsche Einstellungen am Regler finden oder Optimierungen durchführen.
Auch die Erstkonfiguration für die Inbetriebnahme eines Solarreglers ist über diese
Oberfläche möglich. Anstatt direkt am Regler die Einstellungen in vielen Untermenüs
vorzunehmen, wo schnell eine Einstellung übersehen werden kann, bietet die
Software am Computerbildschirm alles auf einen Blick. Durch einen Mausklick auf
das Bedienungsfeld „Schreiben“, wird eine Parameterdatei auf die Speicherkarte
geschrieben.
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51. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
Wird die SD-Karte dann in den Solarregler gesteckt und aktiviert, erkennt dieser die
neue Parameterdatei und fragt den Nutzer ob er die bestehenden Einstellungen
überschreiben will. Bei einer Bestätigung wird der Regler über die Parameterdatei
neu konfiguriert. Erfolgt keine Bestätigung, wird die auf der Speicherkarte befindliche
Parameterdatei mit den bestehenden Reglereinstellungen überschrieben.
Werden mehrere ähnliche Solaranlagen installiert, wie die von vielen Herstellern
angebotenen Set-Lösungen, bietet sich die Möglichkeit bereits korrekt eingestellte
Regler über SD-Karten zu klonen.
Abbildung 31: Konfigurationsansicht des "MULTIPLEX advanced" Erweiterungsmoduls in der
Auswertungssoftware
Reicht 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. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
Systemschemen, können dann für jeden Ausgang eigene Funktionsblöcke wie
Thermostat- oder Differenzfunktionen eingestellt werden. Auch zwei Heizkreise
lassen sich dadurch zusätzlich konfigurieren. Hier werden auch wieder die Vorteile
der Auswertungssoftware bei der Konfiguration deutlich (siehe Abbildung 31). Derart
umfangreiche Einstellungsmöglichkeiten lassen sich auf einem kleinen Display kaum
noch überblicken. Für den ersteinstellenden Fachmann mag die Logik noch klar sein,
muss aber eine weitere Person ohne umfassende Dokumentation zu den
Reglereinstellungen einen Fehler finden, Optimierungen oder eine Wartung
durchführen, ist dies ohne übersichtliche Betrachtungsmöglichkeit der Einstellungen
am Computer eine schwierige Angelegenheit.
Abbildung 32: Manuelle Fernüberwachung und Wartung per E-Mail-Anhang
Benötigt 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 besteht
die Möglichkeit direkt ein E-Mail mit den Daten als Anhang zu erstellen, zum anderen
lässt sich auch eine komprimierte Datei zum Verschicken generieren (siehe
Abbildung 32). Der Experte kopiert die Daten in den Dateiordner seiner
Auswertungssoftware, kann diese dann analysieren und mit dem Anlagenbetreiber
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53. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
diskutieren. Diese Vorgangsweise kann als halbautomatische Fernüberwachung der
Solaranlage bezeichnet werden, siehe auch Punkt 2.3.2. .
Sollte die Reglerkonfiguration angepasst werden, erstellt der Experte mit der
Auswertungssoftware eine neue Parameterdatei. Diese schickt er elektronisch an
den Anlagenbetreiber, welcher sie auf seine SD-Karte kopiert und die bestehende
Datei überschreibt. Damit können die neuen Einstellungen wie bereits beschrieben in
den Solarregler mit Hilfe der Speicherkarte übernommen werden. Mit den neuen
Einstellparametern wird die Anlage dann wieder einige Tage und Wochen betrieben.
Die währenddessen aufgezeichneten Anlagenbetriebsdaten lassen sich dann wieder
mit der Auswertungssoftware anzeigen. Die Veränderungen durch die angepassten
Reglereinstellungen werden durch einen Vorher-nachher-Vergleich ersichtlich, bei
Bedarf 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 weniger
computerversierten Anlagenbetreibern zugetraut werden, da diese meist durch die
Verwendung von Digitalkameras bekannt ist. Dank der vorinstallierten Software auf
der SD-Karte stellt auch eine normalerweise notwendige Softwareinstallation kein
Hindernis zum Betrachten der Daten dar. Die Auswertungssoftware selbst ist
übersichtlich aufgebaut und kann großteils selbsterklärend verwendet werden. Über
die E-Mail Funktion steht dem Anlagenbetreiber eine halbautomatische
Fernüberwachung zur Verfügung, mit welcher die Daten über einen bereits
vorhandenen Internetanschluss einfach und kostenlos übertragen werden können.
Mit der Parameterdatei ist nach demselben Prinzip die halbautomatische
Fernwartung möglich.
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54. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
Entwicklungspotential besteht insbesondere bei der Auswertungssoftware,
beginnend mit der Implementierung von einfachen Auswertungsalgorithmen zur
automatischen Fehlererkennung und Anlagenoptimierung. Aktuell befindet sich ein
Zusatzmodul zur vollautomatischen Fernüberwachung in Kooperation mit einem
Elektronikpartner bei TiSUN in der Entwicklung, siehe Abbildung 33. Im
Wesentlichen werden dafür die Funktionalitäten der aktuellen Auswertungssoftware
über einen Webserver realisiert. Dieser wird über Ethernet mit einem lokalen
Netzwerk verbunden. Der Zugriff auf den Webserver erfolgt plattformunabhängig mit
Webbrowsern. Mit einem Router im lokalen Netzwerk und freigegeben Ports wird die
Kommunikation 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)
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55. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
3.2 RESOL DeltaSol BX
Abbildung 34: Solarregler RESOL DeltaSol® BX
Der in Abbildung 34 ersichtliche RESOL DeltaSol BX Solarregler ist seit Mitte 2010
am Markt erhältlich. Wichtige Neuerung im Vergleich zu den DetaSol
Vorgängermodellen sind die Ansteuerungsmöglichkeit von zwei
Hocheffizienzpumpen, als auch die Anschlussmöglichkeit von Grundfos VFS und
RPS 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 Speicherkarte
geschrieben. Für jeden Tag wird eine CSV-Textdatei mit einer Datumsbenennung
erzeugt, in welcher die kommagetrennten Werte erfasst werden.
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56. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
Abbildung 35: Übersicht einer Loggzeile der Betriebsdatenerfassung auf der SD-Speicherkarte
Die CSV-Textdateien können zur Analyse in ein Tabellenkalkulationsprogramm
importiert werden. Abbildung 35 zeigt alle Spalten eines Datensatzes der
Betriebsdatenerfassung. Zur Auswertung der Daten steht zum Zeitpunkt der
Verfassung dieser Arbeit keine Auswertungssoftware (vergleiche Abbildung 28) von
RESOL zur Verfügung. Diagramme zur Betrachtung von Messwertverläufen, müssen
vom Nutzer manuell im Tabellenkalkulationsprogramm erstellt werden. Die
Konfigurationseinstellungen des Solarreglers werden auf der SD-Karte nicht erfasst
und können über diese folglich auch nicht verändert werden.
Abbildung 36: Anschlüsse des DeltaSol® BX Solarreglers mit gelb markierter VBus® Schnittstelle
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57. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
Die Fernüberwachung und -wartung von Solaranlagen wird über die RESOL VBus®
Schnittstelle ermöglicht, siehe Abbildung 36. Über diese lassen sich Zusatzmodule
mit dem Solarregler verbinden.[27]
Einfache Fernanzeigen können über zweiadrige Kabel mit dem Regler verbunden
werden und in Echtzeit Sensorwerte und Wärmemengenerfassung darstellen. Dies
ermöglicht dem Anlagenbetreiber eine schnelle Plausibilitätskontrolle der aktuellen
Messwerte 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 öffentlichen
Gebäuden um auf die Solaranlage aufmerksam zu machen und ein Bewusstsein für
die erzeugte Wärmemenge zu schaffen. Für einen Informationspunkt in Häusern
eignen sich die beiden weiteren kleineren Fernanzeigen, wobei der „DFA comfort“
mehr als nur Kollektor-, Speichertemperatur und Wärmemengenzählung anzeigen
kann. So können neben den Temperatursensorwerten des Solarreglers auch die
aktuellen Zustände der Reglerausgänge, wie zum Beispiel die Drehzahlregelung der
Kollektorkreispumpe, betrachtet werden. Sind Durchfluss- and Drucksensoren am
Solarregler angeschlossen, werden auch deren Messwerte angezeigt.
Smart Display SD3 DFA comfort
Großanzeige GA3
Abbildung 37: RESOL Vbus® Zusatzmodule zur Fernanzeige des aktuellen Zustands der Solaranlage
Für eine grobe Funktionskontrolle genügen bereits Grundkenntnisse über thermische
Solaranlagen und der Blick auf Kollektor und Speichertemperatur. Auf eine
Fehlfunktion der Speicherbeladung würde beispielsweise eine zu hohe
Temperaturdifferenz zwischen einem Kollektortemperaturfühler mit 92 ° bei einem
C
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58. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
konstant niederem Speichertemperaturwert von 34 ° hinweisen. Auch ein
C
Fühlerbruch würde durch die nicht plausiblen Sensorwerte an der Anzeige sofort
auffallen. Hauptgrund für die Installation einer Fernanzeige wird aber meist das
Interesse des Anlagenbetreibers an der klar sichtbaren Anzeige der
Energiegewinnung mit einer Solaranlage sein.
Abbildung 38: Der RESOL "Datalogger DL2" ermöglicht eine Fernüberwachung und -wartung der
Solaranlage (Quelle: RESOL)
Für eine Fernüberwachung des DeltaSol® BX Solarreglers kann über die VBus®
Schnittstelle ein „Datalogger DL2“(siehe Abbildung 38) verbunden werden. [28] Das
Zusatzmodul verfügt über einen integrierten Webserver, welcher nach korrekter
Konfiguration und Einbindung in ein lokales Netzwerk, eine
Echtzeitbetriebsüberwachung der Solaranlage systemunabhängig per Webbrowser
ermöglicht. Die Schemendarstellung einer fernüberwachten Anlage über eine
Website ist in Abbildung 39 ersichtlich.
Um einen Internetzugriff auf den Webserver zu ermöglichen, muss das lokale
Netzwerk über einer Internet-Router verbunden sein. Über die Router-Internet-IP-
Adresse wird per Portweiterleitung auf den „Datalogger DL2“ eine Verbindung
hergestellt. Sollte der Internetanschluss über keine fixe IP-Adresse verfügen, wird die
Verwendung eines dynamischen Domain Name Servers (DynDNS) empfohlen. Damit
lässt sich mit einer gleichbleibenden URL auf den Webserver zugreifen.[28]
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59. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
Abbildung 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“ Software
erstellt werden. Abbildung 40 zeigt das genannte Programm, bei dem gerade der
Kollektortemperatursensor des ausgewählten Solarregler als VBus® Datenfeld
ausgewählt ist. Die Schemadarstellung der Solaranlage muss vom Nutzer selbst als
Bilddatei in das Programm geladen werden, auf eine Schemenbibliotek kann nicht
zurückgegriffen werden. Das fertig erstellte Anlagenschema wird von der Software
über das lokale Netzwerk auf den „Datalogger DL2“ geladen. Der Betrieb des
Webservers erspart den Dauerbetrieb eines eigenen Webservercomputers für die
Fernüberwachung.
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60. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
Abbildung 40: Erstellung einer Solaranlagenschemadarstellung mit VBus® Datenfeldern des Solarreglers
Eine Fernwartung der Reglereinstellungen ist nicht über den „Datalogger DL2“
Webserver möglich - dafür muss die „RESOL ServiceCenter“ Software verwendet
werden. In der, in Abbildung 40 ersichtlichen, Registerkarte „Parametrisierung“
lassen sich die Einstellungen des Solarreglers auslesen und ändern. Die
Übertragung der Parameteränderungen erfolgt vom PC über das lokale Netzwerk
zum „Datalogger DL2“ und von dort per VBus® in den Regler. Alternativ zum
„Datalogger DL2“ kann für diese Art der Fernwartung auch der „Schnittstellenadapter
VBus®/LAN“ genutzt werden, siehe Abbildung 41. [29]
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61. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
Abbildung 41: Der RESOL „Schnittstellenadapter VBus®/LAN“ kann zur Fernwartung der
Parametereinstellungen des Solarreglers DeltaSol® BX verwendet werden (Quelle: RESOL)
Der "Datalogger DL2" verfügt zwar über einen internen Speicher zur
Datenaufzeichnung, jedoch bietet weder das Webinterface, noch die „RESOL
ServiceCenter“ Software eine Möglichkeit zum Anzeigen und Auswerten der Daten.
Um Diagramme mit Temperaturverläufen oder Ausgangschaltzuständen zu erstellen,
müssen die aufgezeichneten Logdaten über das Webinterface per Download
heruntergeladen werden. Auch ein Exportieren der Daten über einen SD-
Speicherkartensteckplatz am "Datalogger DL2" ist möglich, welcher aber nicht direkt
zur Datenaufzeichnung verwendet werden kann. Die exportierten Daten können
dann manuell mit einem Tabellenkalkulationsprogramm ausgewertet werden. [28]
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62. 3. Praktische Lösungen zur
Fernüberwachung und -wartung
3.3 STECA TR 0603 mc
Abbildung 42: Solarregler STECA TR 0603 mc
Auch der „STECA TR 0603 mc“ verfügt über einen Steckplatz für SD-Speicherkarten
zur Betriebsdatenaufzeichnung. Ähnlich wie beim „RESOL DeltaSol® BX“ werden die
Daten täglich als kommagetrennte Werte in eine CSV-Textdatei mit einer
Datumsbenennung geschrieben. Das Messintervall ist auf 5 Minuten fixiert und kann
nicht umgestellt werden. Der Umfang eines Datensatzes ist in Abbildung 43
ersichtlich. Zur Auswertung können die CSV-Dateien in eine Auswertungssoftware
eingelesen werden, dem „STECA TS Analyzer“, siehe Abbildung 44.
Abbildung 43: Umfang eines Datensatzes der SD-Karten Aufzeichnung
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