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solarthermienator.com Diploma Thesis: Remote-monitoring and -maintenance of Pumped Solar Thermal Systems - 4mb small

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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 Grades Diplom-Ingenieur (FH) für technisch wissenschaftliche Berufe von Martin Meingassner September 2010 Betreuung der Diplomarbeit durch: DI Hannes Zannantoni
  2. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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 48
  50. 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. 49
  51. 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. 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 51
  53. 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. 52
  54. 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) 53
  55. 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. 54
  56. 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 55
  57. 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 56
  58. 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] 57
  59. 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. 58
  60. 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] 59
  61. 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] 60
  62. 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 61

Description

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 Grades Diplom-Ingenieur (FH) für technisch wissenschaftliche Berufe von Martin Meingassner September 2010 Betreuung der Diplomarbeit durch: DI Hannes Zannantoni
  2. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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 48
  50. 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. 49
  51. 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. 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 51
  53. 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. 52
  54. 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) 53
  55. 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. 54
  56. 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 55
  57. 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 56
  58. 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] 57
  59. 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. 58
  60. 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] 59
  61. 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] 60
  62. 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 61

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