Heizung: Verbrauchsoptimierung, Radiator/Fußboden-Steuerung

Diese Seite beschreibt die Optimierungen und fhem-Installation bezüglich der Heizungssteuerung in unserem Haus von 1904, welches wir im Sommer 2014 gekauft haben und beschreibt die notwendigen Schritte und Ergebnisse zur Kostenreduzierung.

Ausgangssituation

Bild 1: Viessmann Mono-Vitola b-f mit Weishaupt Gasbrenner

Mit Übergabe des Hauses war als Ausgangssituation vorhanden:

• 16 Räume im Erdgeschoß und ausgebauten Dachboden, davon

1. 7 Räume nur mit Radiatoren
2. 5 Räume nur mit Fußbodenheizung
3. 2 Räume unbeheizt
4. 2 Räume kombiniert beheizt mit Radiatoren und Fußbodenheizung

• Viessmann Mono-Vitola b-f mit 43kW Weishaupt-Gasbrenner und Holzkammer (seit 10 Jahren nicht mehr benutzt), siehe Bild 1
• Viessmann Tetramatik Heizungssteuerung mit digitaler Schaltuhr SU und außentemperaturabhängiger Steuerung WS
• Warmwassererzeugung über 200l Boiler, rein elektrisch
• 1100m Fußbodenverrohrung im Estrich/Beton in Kupferohr
• Grundfoss Umwälzpumpe mit 170W Verbrauchsleistung für die Fußbodenheizung
• 17 Radiatoren mit vier verschiedenen Thermostatköpfen und Heizungsventilen
• Gasverbrauch von 73.000kWh im Jahr und 380 EUR Abschlagzahlung im Monat
• Ein Viessmann 4-fach Mischer, der den max. 40 Grad Vorlauf für die Fußbodenheizung erzeugte
• Eine UPONOR Funksteuerung für die Fußbodenheizung im Obergeschoß mit unbeschrifteten Funkthermostaten

Probleme nach dem Einzug

Bild 2: Fussbodenmischer und -pumpen

Bereits im Winter 2014/2015 gab es erhebliche Probleme mit der Heizung. Einzelne Räume wurden maximal 18 Grad warm, andere überhitzten schnell. Unterschritt die Außentemperatur die Frostgrenze, fing die Fußbodenheizung an zu "stottern": der Mischer stand morgens in einer Stellung, die das aufgeheizte Kesselwasser direkt und schnell in die Fußbodenheizung einspeiste. Als Folge deaktivierte ein Thermostat (auf 60 Grad eingestellt) die Fußbodenpumpe und das Wasser mußte langsam abkühlen (60-90 Minuten), bis die Pumpe wieder ansprang und wieder sofort abgeschaltet wurde - denn die Tetramatik hat die Mischerstellung nicht verändert. Kurzfristig wurde das Problem durch eine neue Einstellung der Heizkurven entschärft. Die Radiatoren benötigten jedoch einen bis zu 75°C warmen Vorlauf, um die Zimmer im Obergeschoß auf 18 Grad aufzuwärmen. Die Fußbodenheizungskurven wurden jeden Morgen leicht korrigiert, um die maximale Wärme (ca. 40 Grad im FB-Vorlauf) zu erreichen. Die Diagnose des "Stotterns" wurde zusammen mit einer Heizungsfirma als Theorie entwickelt, konnte jedoch nicht eindeutig belegt werden.

Laut Schornsteinfeger und Heizungsfirma war die Heizungsanlage selbst einwandfrei, jedoch war die Tetramatik-Steuerung mechanisch am Ende des Lebens. Die Abdeckungen fielen ab, das Hartplastik war versprödet, die Drehwiderstände für die Heizungskurven-Einstellung verstaubt.

Lösungsansatz

Zur Verifizierung der Probleme und zum Aufbau eines Smart-Homes wurde fhem in der Kombination mit Homematic und 1-Wire ausgewählt, da die ZWave-Experimente nicht sehr erfolgreich waren. Die vorhandene Tetramatik-Heizungssteuerung sollte auf ein Minimum beschränkt werden und die notwendige Intelligenz und Steuerung soweit wie möglich nach fhem verlagert werden.

fhem und 1-Wire-Sensorik

Zur Erhöhung des Verständnisses der Arbeitsweise der Heizung wurde als erster Schritt die verschiedenen Rück- und Vorläufe überwachst. Hierzu kam ein Rasberry Pi mit einem RPI3-Erweiterung von Sheepwalk Electronics in England zum Einsatz. Die RPI3-Erweiterung stellt 8 1-Wire-Bussysteme zur Verfügung. Zwei Busse werden direkt mit RJ45-Ports präsentiert, 6 weitere benötigen einen Bussplitter (RPI3a von Sheepwalk Eletronics) und stellen 1-Wire Busse als RJ45 oder Schraubverbindung zur Verfügung.

Ebenfalls von Sheepwalk Eletronics kamen die passenden Sensoren (SWE0, Typ DS18B20 mit 2m Anschlußkabel) zum Einsatz.

Diese wurden liebevoll provisorisch (siehe Bild 2) an die entsprechenden Rohre verbunden und in fhem konfiguriert. In fhem waren dann mit Hilfe des Neues_Charting_Frontend aussagefähige Diagramme und Bewertungen über das Verhalten der Heizung möglich:

In der Konfiguration wurden alle Sensoren in fhem konfiguriert und auf 20 oder 60 Sekunden Abfrage konfiguriert:

define EG.Heizung.Fussboden.Vorlauf OWDevice 28.A6E710050000 20
attr EG.Heizung.Fussboden.Vorlauf IODev RPi1Wire
attr EG.Heizung.Fussboden.Vorlauf model DS18B20
attr EG.Heizung.Fussboden.Vorlauf room EG.HWR,OWDevice

define EG.Heizung.Radiatoren.Vorlauf OWDevice 28.AD8A10050000 60
attr EG.Heizung.Radiatoren.Vorlauf IODev RPi1Wire
attr EG.Heizung.Radiatoren.Vorlauf model DS18B20
attr EG.Heizung.Radiatoren.Vorlauf room EG.HWR,OWDevice

Sehr deutlich ist hier der korrekte Normalbetrieb der Heizung zu sehen: die Heizung taktet etwa alle 5 Minuten (in Abhängigkeit von der Außentemperatur und dem Verbrauch) mit einem An/Aus-Intervall. In der Zeit zwischen 22:00 und 5:00 ist eine Nachtabsenkung konfiguriert und die Kessel- und Vorlauftemperaturen kühlen ab. Nach der Nachtabsenkung sind die Taktlaufzeiten erheblich länger, bis die gewünschte Kessel- und Vorlauftemperatur wieder erreicht wird.

Vor der Nachtabsenkung arbeitet der Mischer (orange Linie) korrekt, die Fußboden-Vorlauftemperatur schwankt im Rhythmus der Taktung des Brenners um einen Mittelwert von 35°C. Nach der Nachtabschaltung gibt es in der Fußboden-Vorlauftemperatur erhebliche Schwankungen: die Temperatur steigt kurzzeitig bis auf 48°C, was zur Abschaltung der Fußboden-Pumpe führt. Nach Abkühlung des Vorlaufes wird die Pumpe wieder eingeschaltet, erzeugt wieder eine Spitze und wird wieder abgeschaltet - der Mischer wird nicht vorbeugend zurückgefahren und langsam geöffnet.

Dieser Ausschnitt zeigt im Detail die Temperaturen der Radiatoren und des Fußbodenmischers: die oberste rote Kurve zeigt Temperatur des Fußbodenkreises vor dem Mischer (deutlich die Taktung des Brenners zu erkennen). Die gelbe und lila Kurve zeigen die Fußboden-Verlauftemperaturen nach dem Mischer an zwei verschiedenen Positionen, die blauen unteren Linien sind die Rücklauftemperaturen vom Fußbodenmischer und zurück zum Kessel.

In diesem Beispiel arbeitet die Heizung korrekt ohne zu stottern.

In diesem Ausschnitt arbeitet die Mischersteuerung fehlerhaft und zu heißes Wasser im Vorlauf führt zum abschalten der Fußbodenpumpe. Es dauert bis zu 90 Minuten, bis die Temperatur abgesunken ist, die Pumpe erneut startet, und wieder abgeschaltet wird. Die Viessmann Tetramatik arbeitet hier nicht korrekt und führt den Mischer nicht zurück.

Mit diesen Diagrammen war der vermutete Fehler eindeutig bewiesen und wurde temporär durch tägliche Justierungen der Heizkurven umgangen.

Das Graphing Frontend erwies sich als extrem langsam und ressourcenhungrig. Als erste Schritt wurde das Logging in die sqllite-Datenbank minimiert, als zweiter Schritt ein zusätzliches Frontend auf Basis eines ODROID U3 Boards verbaut. Dieses bietet 1.7GHz Quad-Core CPU und 2GB RAM für knapp 50 EUR und benötigt keinen Lüfter. Auch die 16GB eMMC-Speicherlösung verbesserte die Ansprechzeit deutlich. Der Raspberry Pi wurde auf die 8 1Wire-Bussysteme und -Sensoren beschränkt. Beide Boards wurden aus einem 4fach-USB-Ladegerät versorgt. Trotz der guten technischen Werte war das ODROID Board nicht in der Lage, MySQL als Datenbank zu verwenden - sqllite funktionierte jedoch leidlich.