solarthermienator.com Diploma Thesis: Remote-monitoring and -maintenance of Pumped Solar ...

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

I

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

II

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.

III

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.

IV

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

V

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

VI

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

1. Einleitung

7

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.

1. Einleitung

8

1.1.2 Defekte und leistungsschwache Solaranlagen

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.

Nachheizung €

1. Einleitung

9

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.

1. Einleitung

10

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

1. Einleitung

11

• 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

1. Einleitung

12

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]

1. Einleitung

13

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!

1. Einleitung

14

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]


15

2 Grundlagen und Begriffe

2.1 Funktionsweise und Bestandteile einer thermischer

Solaranlage

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

Solarkollektor Solarregler

Warmwasserzapfung

Nachheizung

Vorlauf

Rücklauf

Durchflussmesser für WMZ

Solarspeicher

Oberes Speicherregister

Kaltwasserzulauf

Unteres Speicherregister

Solarstation

MAG


16

(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


17

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 °C (meist frei

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


18

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.


19

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.


20

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 Ω bei 0 °C hin. Mit

höherer Temperatur erhöht sich der Widerstand weitgehend linear über den positiven

Temperaturkoeffizienten des Kaltleiters.


21

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 °C temperaturbeständige Silikonkabelmäntel verwendet werden. Die

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.


22

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.


23

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.


24

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.


25

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.


26

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.


27

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]


28

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 °C bei

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 °C in der „QT“ Baureihe angegeben. Die

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]


29

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 [°C] - TRL [°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.


30

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.

Abbildung 15: Vortex-Durchflusssensor für WMZ in der Rücklaufverrohrung der Solarstation

Solarkollektoren

Speicher

2.2.6 Druck

Abbildung 16: Prinzipdarstellung der Druc

einer Solarstation (Quellen: Grundfos

Sensoren zur Erfassung des Systemsdrucks am Solarregler finden sich erst seit

2009 als fixer Bestandteil in Solarstationen. Der in

Drucksensor von Grundfos dient zur Erfassung des Relativdrucks

und ist unter anderem in der Solarstation „

verfügt, ähnlich wie der in Punkt

einen Piezodrucksensor. Dieser ist aber im Gegensatz zum Durchflusssensor nur auf

einer Seite dem Druck der Wä

liegt der Umgebungsdruck an. Der Relativdruck wird über die Verformung des

Piezodrucksensors gemessen

ein 0,5 bis 3,5 V Spannungssignal an den Solarregler

Temperaturmessung ist im Sensorkopf mit

Durchflusssensoren (VFS) und

Steckplätze an den kompatiblen Solarregler

Grund für die verbreitete Verwendung


der Druckmessung mit einem Grundfos RPS-Sensor und dem Einbau in

: Grundfos, RESOL)


2009 als fixer Bestandteil in Solarstationen. Der in Abbildung

r von Grundfos dient zur Erfassung des Relativdrucks im Kollektorkreis

und ist unter anderem in der Solarstation „FlowCon D“ von RESOL

ähnlich wie der in Punkt 2.2.4 beschriebene Vortex-Durchflusssensor

. Dieser ist aber im Gegensatz zum Durchflusssensor nur auf

Wärmeträgerflüssigkeit ausgesetzt, auf der


Piezodrucksensors gemessen und wie schon beim Vortex- Durchflusssensor

V Spannungssignal an den Solarregler übermittelt

im Sensorkopf mit integriert. Die Grundfos Vortex

(VFS) und Drucksensoren (RPS) können hierbei dieselben

Steckplätze an den kompatiblen Solarregler verwenden, was mitunter auch ein

Verwendung dieser Sensoren in der Solarthermie ist

Grundlagen und Begriffe

31

und dem Einbau in


Abbildung 16 ersichtliche

im Kollektorkreis

RESOL zu finden. Er

chflusssensor, über

. Dieser ist aber im Gegensatz zum Durchflusssensor nur auf

uf der anderen Seite


Durchflusssensor über

übermittelt. Auch eine

integriert. Die Grundfos Vortex-

(RPS) können hierbei dieselben

, was mitunter auch ein

ren in der Solarthermie ist.


32

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.

„FlowRotor“ zur Durchflussmessung

Rücklauf-Temperatursensor

Grundfos Drucksensor

mit integriertem Vorlauf-Temperatursensor


33

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.


34

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.


35

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.

DFÜ:

Sensoren:

• Temperatur

• Durchfluss für WMZ

• Druck

• Einstrahlung

Aktoren:

• Umwälzpumpen

• Ventile

Solarregler:

Eingänge

Ausgänge

Datenlogger:

• intern

• Speicherkarte

• Zusatzmodul

• Notizen vom

Anlagenbetreiber

Konfigurations- und Parametereinstellungen

Visualisierung:

PC/Laptop, Smartphone,

digitaler Bilderrahmen

Fernwartung

Fernüberwachung

• manuell

• halbautomatisch

• vollautomatisch

Datenauswertung:

• Plausibilitäts-

kontrolle

• Regelverhalten

• Auslegungs-

beurteilung

Wartung und

Optimierung


36

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.


37

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]


38

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]


39

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.


40

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


41

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.

3. Praktische Lösungen zur

Fernüberwachung und -wartung

42

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.

3.1 TiSUN DUPLEX basic

Abbildung 24: Solarregler TiSUN „DUPLEX basic

Erweiterungsmodul auf einem Regelungstestaufbau

Der in Abbildung 24 ersichtliche „DUPLEX basic“

TiSUN vertrieben. Eine Besonderheit des Reglers ist das Erweiter

„MULTIPLEX advanced“.

Der Basisregler verfügt über 8 Systemschemen zur Regelung verschiedener

Solaranlagen, welche über zwei Regelkreise

Zwei Hocheffizienzpumpen können über passende PWM Ausgänge drehzahlgeregelt

werden. Ein dritter Relaisausgang kann für

Speichernachheizung über eine Thermosta

Pt1000 Temperatureingängen verfügt der Regler über zwei

Grundfos VFS und RPS Sensoren und

Impulsdurchflussmesser. Damit ist der Platz für die Anschlussmöglichkeiten in dem

verhältnismäßig kleinen „DUPLEX basic“


Fernüberwachung und

TiSUN DUPLEX basic

DUPLEX basic“ mit Anschlussdetailbild und „MULTIPLEX advanced

Regelungstestaufbau

ersichtliche „DUPLEX basic“ Solarregler wird seit 2009 von

. Eine Besonderheit des Reglers ist das Erweiter


zwei Regelkreise mit TRIAC Ausgängen geregelt werden


Ein dritter Relaisausgang kann für Zusatzfunktionen wie eine

nachheizung über eine Thermostatfunktion verwendet werden. Neben fünf

reingängen verfügt der Regler über zwei GDS

Sensoren und über eine Anschlussmöglichkeit für

Damit ist der Platz für die Anschlussmöglichkeiten in dem

„DUPLEX basic“ Solarregler auch voll ausgenutzt.



43

MULTIPLEX advanced“

gler wird seit 2009 von

. Eine Besonderheit des Reglers ist das Erweiterungsmodul


geregelt werden.


funktionen wie eine

tfunktion verwendet werden. Neben fünf

GDS-Eingänge für

eine Anschlussmöglichkeit für einen

Damit ist der Platz für die Anschlussmöglichkeiten in dem

auch voll ausgenutzt.



44

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)



45

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

SD-Speicherkarten Steckplatz



46

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



47

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



48

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



49

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.



50

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



51

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



52

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.



53

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)



54

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.



55

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



56

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.

Großanzeige GA3

Smart Display SD3

DFA comfort

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 °C bei einem



57

konstant niederem Speichertemperaturwert von 34 °C hinweisen. Auch ein

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]



58

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.



59

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]



60

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]



61

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



62

Abbildung 44: Auswertungssoftware "STECA TS Analyzer" zur Analyse des Betriebsverhaltens von

Solaranlagen

Die Auswertungssoftware stellt die geloggten Betriebsdaten des Solarreglers in zwei

Diagrammansichten dar, welche parallel zueinander platziert sind. Die erfassten

Messwerte über die Solarreglereingänge sind im oberen Diagramm ersichtlich,

Schaltzustände der Solarreglerausgänge werden darunter dargestellt. Damit lässt

sich der Verlauf von Reglermesseingangskurven über die Schaltvorgänge an den

Ausgängen analysieren und das Regelungsverhalten beurteilen. Der Solarregler

verfügt über einen Fehlerausgang, welcher bei detektierbaren Störungen wie einem

Sensorbruch aktiviert und auch aufgezeichnet wird (siehe Abbildung 44 „RErr“). Eine

Funktion zum Senden der Logdaten aus dem Programm per E-Mail-Anhang ist nicht

vorhanden.

Weiters ist eine Übersicht über die Konfigurationseinstellungen, ähnlich der TiSUN

Auswertungssoftware auf Abbildung 30, nicht möglich. Weder das Schreiben noch

das Lesen der Reglerparameter ist mit dem „STECA TR 0603 mc“ möglich. Für die

Beurteilung der Anlagendaten mit der Software „STECA TS Analyzer“ müssen die

Reglereinstellungen also bekannt oder händisch dokumentiert sein.



63

Abbildung 45: Der „IFA-Router STECA TK RW2“ wird als Zusatzmodul für die Fernüberwachung

verwendet (Quelle: STECA)

Eine Fernüberwachung des „STECA TR 0603 mc“ Solarreglers ermöglicht der, in

Abbildung 47 ersichtliche, „IFA-Router STECA TK RW2“. Dieser wird über einen RS-

232-USB-Wandler mit der RS-232 Schnittstelle (siehe Abbildung 46) des

Solarreglers verbunden. Der Router basiert auf einem „ASUS WL-500gP V2“ und

wird von STECA mit einer speziellen Firmware angepasst, um das Gerät als Basis

für zwei Fernüberwachungslösungen nutzen zu können. [30]

Abbildung 46: Anschlüsse des „STECA TR 0603 mc“ Solarreglers mit gelb markierter RS-232

Schnittstelle



64

Abbildung 47: Fernüberwachungsmöglichkeiten mit dem Solarreglers "STECA TR 0603mc" und

Zusatzmodul „IFA-Router STECA TK RW2“ (Quelle: STECA)

Wie in Abbildung 47 ersichtlich können die Betriebsdaten des Solarreglers auf zwei

unterschiedliche Arten überwacht werden:

• W-LAN Übertragung auf einen digitalen W-LAN Bilderrahmen

• Internet Übertragung auf einen Server zur Webbrowser Betrachtung

Die Anzeige auf dem digitalen Bilderrahmen kann nur in Reichweite der W-LAN

Verbindung erfolgen und beschränkt sich daher auf die Verwendung im Gebäude.

Zur Verwendung kommt ein digitaler Bilderrahmen mit WLAN-Schnittstelle „Kodak

EasyShare W820“. Dieser lässt sich direkt am Bildschirm für die Verbindung mit dem

drahtlosen Netzwerk des Routers konfigurieren. Im Netzwerk freigegebene Ordner

können über den Bilderrahmen geöffnet und darin befindliche Bilddateien als

Diashow in einer Endlosschleife angezeigt werden. Der „IFA-Router STECA TK

RW2“ generiert dafür aus den, vom Solarregler empfangenen Daten intern ein

Systembild (siehe Abbildung 48) und ein Tagesdiagramm (siehe Abbildung 51).

Diese beiden Bilder werden im Router in einem freigegeben Ordner abgelegt und

minütlich aktualisiert. [30]



65

Abbildung 48: Systembild Darstellung über den „IFA-Router STECA TK RW2“ (Quelle: STECA)

Das in Abbildung 48 veranschaulichte Systembild zeigt die aktuellen Sensorwerte

des Kollektors und Speichers einer Solaranlage. Zusätzlich werden die gegenwärtige

Leistung und die gewonnene Energiemenge über den Tag dargestellt. Eine Übersicht

zu den gewonnenen Wärmemengen über das Jahr und die gesamte Betriebzeit ist

auch ersichtlich. Die eingesparte CO2 Menge errechnet sich über einen

voreingestellten Umrechnungsfaktor von 0,232 kg/kWh multipliziert mit der total

erfassten Wärmemenge. [30] Dieser Wert ist vom Nutzer auch in einer

Konfigurationsdatei auf dem am Router angeschlossenen USB-Speicher

veränderbar. Je nach eingesetztem Brennstoff für die Nachheizung kann der

Umrechnungsfaktor angepasst werden. Bei der Verbrennung von Heizöl eignet sich

ein Umrechnungsfaktor von etwa 0,280 kg/kWh [31] . Der Vollständigkeit halber ist

zu erwähnen, dass auch die solarthermische Wärmegewinnung über den

Strombedarf der Umwälzpumpen, dem Energieaufwand für Produktion und Transport

der Solaranlage, als auch dem Energieverbrauch für die Fernüberwachung, nicht

CO2 neutral ist. Betrachtet man aber die Energieeinsparungen einer fossilen

Nachheizung in Kombination mit einer funktionierenden Solaranlage, relativieren sich

die CO2 Emissionen, welche bei ganzheitlicher Betrachtung entstehen.



66

Abbildung 49: Tagesdiagramm Darstellung über den „IFA-Router STECA TK RW2“ (Quelle: STECA)

Das Tagesdiagramm stellt bis zu sechs Temperaturkurven der Solarreglereingänge

gleichzeitig dar. Der in Abbildung 49 erkennbare Tagesverlauf eines

Einfamilienhauses in Memmingen (Deutschland) enthält zwar nur drei

Temperatursensoren, trotzdem lässt sich damit die Funktionsweise der Solaranlage

anschaulich beschreiben:

Am 07.07.2010 wacht der erste Hausbewohner auf und steht um 06:00 unter der

Dusche. Auch um 07:00 und 09:00 wird Warmwasser von Speicher gezapft, dies

lässt sich über die sinkenden Temperaturwerte durch Kalkwassereinfluss am unteren

Speicherfühler (Sp unten) erkennen. Der obere Speicherfühler (Sp oben) wird

aufgrund der Temperaturschichtung nur wenige Grad abgekühlt. Um etwa 09:30 hat

sich der Kollektorsensor (Kollektor) über ausreichend Sonneneinstrahlung so weit

erwärmt, dass die Einschalttemperaturdifferenz zum unteren Speicherfühler erreicht

ist und die Umwälzpumpe aktiviert wird. Darauf folgt die Beladung des Speichers

über das untere Solarwärmetauscherregister mit einer Temperaturdifferenz zwischen

6 bis 10 °C. Um 14:00 ist der untere Bereich des Speichers so weit durchgeladen,

dass das, vom unteren Wärmetauscher aufsteigende erwärmte Wasser nun auch

den oberen Speicherbereich parallel zum unteren Speicherbereich aufheizt. Um etwa



67

16:00 ist der Speicher bis zur gewählten Speichermaximaltemperatur von 65 °C

aufgeheizt und die Umwälzpumpe wird deaktiviert. Ab diesem Zeitpunkt befindet sich

der Kollektor in Stagnation und heizt sich bis zu 110 °C auf. Durch den Vordruck der

Anlage und den damit höheren Siedepunkt der Solarflüssigkeit, hat sich an diesem

Tag kein Dampf im Kollektor gebildet. Nach Sonnenuntergang sinkt die

Kollektortemperatur und der Speicher kühlt über die Nacht um 2 bis 4 °C im oberen

und unteren Speicherbereich ab. Um Punkt 06:00 steht der erste Frühaufsteher

wieder unter der Dusche, die untere Speicherfühlertemperatur sinkt und ein neuer

Tag beginnt für die Solaranlage.

Je mehr Sensorwerte zur Verfügung stehen und je besser der Anlagenbetreiber über

die Funktionsweise seiner Solaranlage Bescheid weiß, desto umfassender wird eine

solche Beschreibung. Beeinflusst werden die Kurvenverläufe durch Nutzerverhalten,

Wetterbedingungen, Reglereinstellungen, Anlagendimensionierung und

Fehlfunktionen. Letztere können bei Kenntnis der Randbedingungen und Verständnis

der Funktionsweise einer Solaranlage durch die Fernüberwachung erkannt und

behoben werden.

Die Schaltzustände der Solarreglerausgänge werden über das Tagesdiagramm nicht

dargestellt. Einzig die Leistungsanzeige in der ersten Zeile am Systembild lässt einen

Rückschluss auf den Betrieb der Umwälzpumpe zu.

Eine Fernanzeige des gerade beschriebenen Systembilds und Tagesdiagramms ist

auch über das Internet möglich. Der Login erfolgt dann über eine von STECA

betriebene Website namens www.solarthermalweb.de , siehe Abbildung 50.

Abbildung 50: Webserver Login zur Betrachtung von Systembild und Tagesdiagramm der Solaranlage



68

Abbildung 51: Konfigurationsmenü der Internet Fernüberwachung auf solarthermalweb.de (Quelle:

STECA)

Die Internet Fernüberwachung des Solarreglers „STECA TR 0603 mc“ erfordert eine

Internetverbindung über einen Breitbandanschluss, welcher mit dem „IFA-Router

STECA TK RW2“ verbunden ist (siehe Abbildung 47). Beim Kauf des Zusatzmoduls

erhält der Anlagenbetreiber unter Angabe der MAC Adresse des IFA-Routers

Zugangsdaten zur Plattform www.solarthermalweb.de. Die Anlagendaten des

Solarreglers werden automatisch über den IFA-Router und den Breitbandanschluss

auf den Webserver von www.solarthermalweb.de übertragen. Abbildung 51 zeigt das

Konfigurationsmenü zur Einstellung von Systembild und Tagesdiagramm nach

erfolgreichem Login auf der Plattform. [30]

Um die Betriebsdaten der Ausgänge des Solarreglers zu analysieren, können die

geloggten Messwerte als Monatspakete von der Webseite heruntergeladen und mit

der Auswertungssoftware „STECA TS Analyzer“ (siehe Abbildung 44) ausgewertet

werden.

4. Datenauswertung: Funktionskontrolle,

Fehlerdetektion und Optimierung

69

4 Datenauswertung: Funktionskontrolle, Fehlerdetektion

und Optimierung

Die mit den in Kapitel 3 beschriebenen Solarreglern erfassten Betriebsdaten können

zur Funktionskontrolle, Fehlerdetektion und Optimierung von Solaranlagen

verwendet werden.

Der mögliche Umfang dieser Maßnahmen wird durch folgende Punkte eingegrenzt:

• Verfügbare aufgezeichnete Betriebsdaten der Anlage

• Funktionsumfang der Auswertungssoftware

• Kenntnis über den Aufbau der betrachteten Solaranlage

• Komplexität des Anlagenschemas und Funktionsschemas der Solaranlage

• Korrekte Platzierung der Sensoren

• Generelle Solarthermiekenntnisse der beteiligten Personen

• Einschätzung bzw. messtechnische Erfassung der Umgebungseinflüsse durch

Sonneneinstrahlung, Wind und Wetter

• Nutzerverhalten bei der Warmwasserzapfung des Speichers

• Komplexität welche den ausführenden Personen zugetraut werden kann

• Bereitschaft der involvierten Personen sich intensiver mit der Solaranlage zu

beschäftigen

• Bereitschaft für Mehrkosten und –aufwand, welche durch die zusätzliche

Messtechnik entstehen

Der Umfang der digitalen Datenerfassung thermischer Solaranlagen nimmt

grundsätzlich mit der Größe (Kollektorfläche) von Solaranlagen zu. Die notwendige

Messtechnik wie Einstrahlungssensoren, weitere Wärmemengenerfassungen und

Temperaturmessstellen erhöhen die Anlagenkosten, welche für den Kunden

abhängig von der Gesamtinvestition im Rahmen bleiben müssen. Die Installation,

Konfiguration und Komplexität der Auswertung erfordert dann ausreichend

ausgebildetes Fachpersonal und Solarthermiekenntnisse. Auch die Fehleranfälligkeit

der Messtechnik und die Möglichkeit falscher Interpretationen ist zu beachten. Wie



70

bereits in der Zielsetzung auf Seite 13 festgelegt, dürften die an der Planung bis hin

zum Betrieb beteiligten Personen nicht von einer zu hohen Komplexität der

Solaranlage abgeschreckt werden.

4.1 Beurteilung und Plausibilitätskontrolle der erfassten

Messdaten

Wie bereits für Abbildung 49 auf Seite 66 f beschrieben, lässt sich bereits mit dem

Tagesdiagramm der Temperaturvorlaufskurven von Kollektor- und Speicherfühler

eine Solaranlage beschreiben. Vorraussetzung dafür sind Kenntnisse über die

Funktionsweise und den Aufbau der Solaranlage. Nicht messtechnisch erfasste

Einflussgrößen wie Sonneneinstrahlung oder Warmwassernutzungsverhalten

müssen für die Analyse abgeschätzt werden können.

Abbildung 52: Faustformeln für die Leistungsüberprüfung von kleinen Solaranlagen [8]

Werden über den Solarregler die Betriebsstunden der Kollektorkreispumpe erfasst,

können diese über Faustformeln, wie in Abbildung 52 ersichtlich, verglichen werden.

Die über den Wärmemengenzähler erfasste jährliche Energiemenge kann, um auf

den Systemnutzungsgrad zu schließen, durch die Kollektorfläche dividiert werden.

Dies ermöglicht eine grobe Einschätzung der Funktionsweise der Solaranlage über

einen Vergleich mit bekannten Systemnutzungsgraden für unterschiedliche

Solaranlagentypen.



71

Abbildung 53: Automatische Funktionskontrolle über Regleralgorithmen [32]

Die verfügbaren Messwerte können auch zur automatischen Funktionskontrolle über

Regleralgorithmen herangezogen werden. Abbildung 53 zeigt eine Übersicht

mehrerer Möglichkeiten zur Fehlerdetektion. Die zu hohe Temperaturdifferenz

zwischen Kollektor und Speicher während der Beladung kann in einer

Auswertungssoftware automatisch zu einer Fehlermeldung mit Erklärungen und

Lösungsschritten führen. Ein installierter Durchflussmesser lässt auf die Funktion der

im gleichen Kreis befindlichen Pumpe schließen. Zeigt dieser keinen Durchfluss bei

aktivierter Pumpe an liegt ein womöglich ein Pumpendefekt vor oder Luft im Kreislauf

verhindert eine Zirkulation - der Durchflusssensor kann aber auch defekt sein. Die

meisten Solarregler können Sensorfehler direkt erkennen und zeigen dies am

Display oder über ein Warnlicht an. [33]

Die weitere Beurteilung von Messdaten wird anhand von praktischen Beispielen über

die Analyse der Betriebsdaten von zwei TiSUN Kundensolaranlagen in Abbildung 54

und Abbildung 55 beschrieben.



72

4.2 Beispiel zur Datenauswertung: Stagnationsminimierung einer

Solaranlage

Abbildung 54: Tägliche Stagnation einer Solaranlage in Zypern im September

In Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung wie Zypern können zu groß dimensionierte

Kollektorflächen zu Stagnationszeiten an jedem Sonnentag führen. Abbildung 54

zeigt eine Solaranlage deren Datenlogaufzeichnungen belegen, dass sich die

Kollektoren (T1) täglich auf 160 bis 170 °C in der Stagnationszeit erhitzen. Dabei

verdampft die Flüssigkeit in den Solarkollektoren. Das durch den Dampf entstehende

zusätzliche Volumen im Kollektorkreis wird über das Membranausdehnungsgefäß

aufgenommen.

Am Verlauf des Speicherfühlers (T2) wird deutlich, dass die 65 °C

Speichermaximaltemperatur bereits nach 3 bis 4 Stunden täglicher Laufzeit der

Kollektorkreispumpe beladen sind. Weiters sinkt die Temperatur des Speichers

durch Warmwassernutzung und Speicherwärmeverluste nie unter 50 °C.



73

Um die Belastung der Solaranlage durch die oft auftretenden Stagnationzeiten zu

verringern, wurde beschlossen die Speichermaximaltemperatur des

Trinkwasserspeichers auf 70 °C zu erhöhen und die Rückkühlfunktion des

Solarreglers zu aktivieren. Die Rückkühlfunktion aktiviert in der Nacht die

Kollektorkreispumpe sobald die Kollektortemperatur 10 °C unter der

Speichertemperatur liegt. Dabei wird der Kollektor als Kühlkörper verwendet um den

Speicher auf eine von definierter Temperatur von 45 °C abzukühlen.

Diese neuen Einstellungen werden dem Kunden als Parameterdatei per E-Mail

gesendet. Der Kunde kopiert die Parameterdatei auf seine SD-Karte und aktualisiert

damit seinen Solarregler. Die Fernwartung ist somit erfolgreich durchgeführt und die

neuen Einstellungen führen zu einer Senkung der Stagnationsbelastung der Anlage,

was der Kunde durch die Betriebsdatenaufzeichnung bestätigen kann.

4.3 Beispiel zur Datenauswertung: Nachheizungsfehler

Abbildung 55: Probleme mit der Nachheizung einer Solaranlage in England



74

Abbildung 55 zeigt die Betriebsdatenaufzeichnung einer Solaranlage in England. Die

solare Erwärmung des unteren Speicherbereichs funktioniert zufriedenstellend, trotz

der niedrig gewählten Einschalttemperaturdifferenz von 5 °C und

Ausschalttemperaturdifferenz von 3 °C. Ein taktendes Regelverhalten lässt sich nicht

feststellen, wobei bedacht werden muss, dass die Messdaten hier nur im fixen

10 Minuten Takt aufgezeichnet werden. Der konstante Betrieb des Solarkreises wird

über die Drehzahlregelung der PWM Hocheffizienzpumpe sichergestellt, deren

Verlauf (P1) im mittleren Diagramm in Abbildung 55 ersichtlich ist. Der Bereich für die

Pumpendrehzahlregelung ist über den Parameter „dT Fs“ (siehe Abbildung 57)

definiert. Der eingestellte Wert von 40 °C bedeutet, dass die PWM

Hocheffizienzpumpe erst ab dieser Temperaturdifferenz zwischen Kollektor- (T1) und

Speicherfühler (T2) mit voller Geschwindigkeit betrieben wird. Darunter sinkt der

prozentuelle Regelwert über das PWM Signal, proportional zur Temperaturdifferenz

zwischen Kollektor und Speicher, bis zur eingestellten Ausschaltdifferenz. Trotzdem

werden zur Sicherheit die Einschalttemperaturdifferenz auf 10 °C und

Ausschalttemperaturdifferenz auf 5 °C erhöht um Fehlbeladungen des Speichers

aufgrund der langen Solarverrohrung vorzubeugen.

Abbildung 56: Fehlerdetektion eines dauerhaft aktivierten Relaisausgangs (P3)

Das eigentliche Problem im Datenlog ist ein dauerhaft aktivierter Relaisausgang

(P3), siehe Abbildung 56. Dieser Relaisausgang wird zur Ansteuerung der

Nachheizung verwendet und über eine Thermostatfunktion in Verbindung mit dem

Temperatursensor T3 geschalten. Die eingestellte Thermostatfunktion aktiviert den



75

Relaisausgang bei einer Unterschreitung der Temperatur des T3-Fühlers von 55 °C,

dann sollte die Nachheizung den oberen Bereich des Speichers um eine Hysterese

von 10 °C auf 65 °C aufheizen (siehe Thermostat Reglereinstellungen in Abbildung

57). Abbildung 56 belegt aber, dass die Thermostatfunktion den Relaisausgang (P3)

zwar aktiviert hat, aber das Nachheizsystem es nicht schafft den Speicher auf 65 °C

aufzuheizen, um den Relaisausgang wieder zur deaktivieren. Der so entdeckte

Fehler kann am Nachheizsystem, bei den Reglereinstellungen oder der

Fühlerplatzierung gefunden und behoben werden.

Abbildung 57: Konfigurationseinstellungen einer Solaranlage in England

Einen Überblick über mögliche Störungen, deren Ursachen und die Abhilfe gibt

Abbildung 58. Für die korrekte Auswertung einer Betriebsdatenaufzeichnung zur

Fehlerdetektion müssen Anlagenbetreiber und Wartungspersonal mögliche

Störungsursachen beurteilen können. Abhängig vom Umfang der verfügbaren

Messwerte über die Fernüberwachung können Störungen direkt durch die Analyse

der Betriebsdatenerfassung erkannt und darauf reagiert werden.



76

Abbildung 58: Checkliste zur Analyse von Störungen bei thermischen Solaranlagen [1]

Auf die oben beschrieben Art und Weise lassen sich auch Betriebsdaten

komplexerer Schemen (siehe Abbildung 25) über eine Fernüberwachung analysieren

und damit eine Funktionskontrolle, Fehlerdetektion und Optimierung durchführen.

5. Ergebnisse und Ausblick

77

5 Ergebnisse und Ausblick

5.1 Vergleich der untersuchten Solarregler hinsichtlich


Solarregler Fernüberwachung Fernwartung

TiSUN DUPLEX basic

Der „TiSUN DUPLEX basic“ verfügt über einen SD-Speicherkartensteckplatz zur Aufzeichnung der Betriebsdaten. Die auf einer SD-Speicherkarte erhältlichen Auswertungs-software ermöglicht das direkte Versenden der Messdaten per E-Mail zur halbautomatischen Fernüberwachung. Ein Webservermodul ist in Arbeit.

Auf der SD-Speicherkarte wird vom Solarregler eine Parameterdatei erstellt. Diese kann mit der Auswertungssoftware betrachtet, per E-Mail versendet und verändert werden. Der Solarregler kann die geänderten Einstellungen über die Speicherkarte einlesen.

RESOL DeltaSol BX

Der „RESOL DeltaSol BX“ ist ebenfalls mit einer SD-Speicherkartenaufzeichnung ausgestattet, die Daten-auswertung ist nur über ein Tabellenkalkulationsprogramm möglich. Eine vollautomatische Fernüberwachung ist über ein per VBus® verbundenes Webservermodul möglich. Es werden die aktuellen Betriebsdaten der Anlage dargestellt, jedoch keine Kurvenverläufe.

Eine Fernwartung der Parametereinstellungen des Reglers erfolgt über die VBus® Schnittstelle und einer LAN-Anbindung, unter Verwendung der Software „RESOL ServiceCenter“ auf einem PC im Netzwerk.

STECA TR 0603 mc

Der „STECA TR 0603 mc“ ermöglicht auch einen SD-Speicherkartenaufzeichnung, eine Auswertungssoftware ist auch verfügbar. Zur automatischen Fernüberwachung wird ein modifizierter Router verwendet, welcher aktuelle Anlagendaten und Temperaturverlaufskurven auf einem W-LAN Bilderrahmen oder über einen externen Webserver anzeigen kann.

Die Einstellungen des Reglers können nur direkt mit den Bedientasten verändert werden. Eine Fernwartung ist somit nicht möglich.

Abbildung 59: Gegenüberstellungen von Fernüberwachungs- und –wartungsfunktionen der untersuchten

Solarregler


78

Die in Abbildung 59 ersichtliche Gegenüberstellungen der untersuchten Solarregler

zeigt die unterschiedlichen Lösungsmöglichkeiten zur Fernüberwachung und

-wartung thermischer Solaranlagen. Bei einer Fernüberwachung kann sich der

Anlagenbetreiber entscheiden, ob er mit der Basislösung einer SD-

Speicherkartenaufzeichnung bereits zufrieden ist oder ob er die Anlagendaten auch

live im Gebäude oder über das Internet betrachten will. Für die Fernwartung steht

ebenso die Entscheidung frei, die Reglereinstellungen über die Parameterdatei auf

einer Speicherkarte zu ändern oder eine direkte Änderung über eine

Netzwerkverbindung und einen PC zu ermöglichen. Bei der Auswahl einer

geeigneten Lösung sollten Faktoren wie Benutzerfreundlichkeit, die Vorstellungen

des Anlagenbetreibers, als auch zusätzlich entstehende Kosten beachtet werden. Je

nach Solaranlagengröße und Komplexität der Installationen gilt es, die bestehende

Messtechnik für die Fernüberwachung zu nutzen um eine hohe Betriebssicherheit

der Anlage sicherzustellen.

5.2 Nutzen der Fernüberwachung und –wartung für die Beteiligten

Beginnend mit dem Vertrieb von Solaranlagen, kann dem Kunden beim

Verkaufsgespräch die einfache Funktionskontrolle und Betriebssicherheit seiner

Solaranlage näher gebracht werden. Die Konfiguration eines Solarreglers kann über

eine verfügbare Fernwartungslösung direkt am PC erfolgen, was besonders bei

umfangreichen Anlagen von Vorteil ist. Die Betrachtung der

Solaranlagenbetriebsdaten ermöglicht dem Anlagenbetreiber die Funktionsweise der

Solaranlage zu verstehen, Optimierungen durchzuführen und Fehler zu erkennen.

Über die Betrachtung der geloggten Kurvenverläufe werden auch

Umgebungseinflüsse wie Sonneneinstrahlung und das eigene Nutzerverhalten

deutlich, wodurch das Energiebewusstsein gesteigert wird. Sollte die Anlage nicht

wie gewohnt funktionieren, steht dem Anlagenbetreiber eine Datenbasis zur

Diskussion mit Fachleuten zur Verfügung. Falsch eingestellte Solarreglerparameter

können dann direkt per Fernwartung ohne großen Zeitaufwand und hohe

Servicepersonalkosten korrigiert werden.


79

5.3 Ausblick

5.3.1 Exakte Ertragsbewertung und Funktionskontrolle

Sobald ausreichend günstige und genaue Einstrahlungssensoren in die Messtechnik

von Solaranlagen integriert werden, können exakte Ertragsbewertungen und

Funktionskontrollen durchgeführt werden. Das vom ISFH patentierte Input/Output-

Verfahren zur Ertragskontrolle von Solarthermischen Systemen (kurz IOC) eignet

sich dafür. [34] Es ermöglicht einen täglichen Vergleich des gemessenen

Solarertrages mit dem errechneten Wert über die Messdaten des

Einstrahlungssensors, wie in Abbildung 60 ersichtlich. Ein derartiges Diagramm

würde sich auch zur Fernüberwachung und -wartung eignen. Ein Solarregler von

RESOL wurde bereits 2007 mit den IOC Funktionen auf den Markt gebracht. [34] In

den 2010 neu auf den Markt gebrachten RESOL Solarreglern DeltaSol® BX und MX

fehlen die IOC Funktionen. Dies kann an den vergleichsweise hohen Kosten für den

IOC Regler von etwa 1000 € inklusive Messtechnik oder dem Zusatzaufwand für

Installation und Datenauswertung liegen. [34] Aktuell befindet sich die VDI Richtlinie

2169 „Funktionskontrolle und Ertragsbewertung an solarthermischen Anlagen“ in

Ausarbeitung [35], welche für die weitere Entwicklung in dieser Richtung beachtet

werden sollte.

Abbildung 60: Input-Output-Diagramm, der Vergleich lässt auf Anlage "OK" oder "Störung" schließen [34]


80

5.3.2 Fernüberwachung und -wartung als Dienstleistung

Besonders bei größeren Solaranlagen für Wohnanlagen oder öffentlichen Gebäuden

ist ein störungsfreier Betrieb zu gewährleisten. Die Investitionskosten sollten sich

über die eingesparten Nachheizungskosten amortisieren, was natürlich nur bei einer

korrekten Funktionsweise der Anlage der Fall ist. Oft werden solche Solaranlage

über ein Anlagen- oder Einsparcontracting realisiert. Der Contractor ist dann

vertraglich an eine garantierte Energieeinsparung gebunden oder stellt die über

einen definierten Wärmezähler gemessene solar gewonnene Wärmemenge in

Rechnung. [36] Störungen oder ein zu geringer Ertrag solcher Solaranlagen

verursachen finanzielle Einbußen, welche durch eine laufende Überwachung der

Anlage minimiert werden können.

Fachpersonal für eine zeitaufwändige dauerhafte Funktionskontrolle der Anlage zu

beschäftigen führt zu hohen Kosten. Hier bietet es sich an, diese Tätigkeit an einen

Dienstleister zu vergeben, welcher die Solaranlage per Fernüberwachung und

–wartung im Blick behält und im Fehlerfall die Störung analysiert und behebt. Ein

laufendes Projekt, welches sich umfassend mit dieser Thematik beschäftigt, ist „IP-

Solar“. Der Projektfortschritt kann auf der Website www.ip-solar.com verfolgt werden.

Eine grobe Übersicht über den geplanten Umfang der web-basierenden

Solaranlagen Monitoring-Dienstleitung ist in Abbildung 61 ersichtlich. [37]

Abbildung 61: Solaranlagen Monitoring-Gesamtlösung als Dienstleistung von "IP-Solar"


81

5.3.3 Wetterprognosen und numerische Optimierung

Weitere zukünftige Betätigungsfelder für die Fernüberwachung und –wartung

thermischer Solaranlagen finden sich in der Nutzung von Wetterprognosen und

numerischen Optimierung für eine kontinuierliche Anpassung der Solarregelung.

Die durch Fernüberwachung gewonnen Messdaten von Solaranlagen können auf

einem Rechner als Datenbasis für die numerische Optimierung (siehe Abbildung 62)

von Solaranlagenparametererstellungen verwendet werden. Ebenso kann das

Betriebsverhalten von Solaranlagen über Wetterprognosen (siehe Abbildung 63)

optimiert werden, um beispielsweise den Nachheizbedarf zu minimieren oder eine

Stagnation von Solaranlagen zu vermeiden. Die Übertragung der ermittelten

Einstellungsänderungen zum Solarregler erfolgt per Fernwartung.

Abbildung 62: Numerische Optimierung von Solaranlagenparametern [38]

Abbildung 63: Nutzung von Wetterprognosen zur Solaranlagenregelung und Betriebsüberwachung [38]

6. Zusammenfassung

82

6 Zusammenfassung

Ein Totalausfall oder Minderertrag von thermischen Solaranlagen wird meist nicht

bemerkt. Grund dafür ist das vorhandene Nachheizsystem, welches den Ausfall einer

Solaranlage automatisch ausgleicht. Für den Nutzer ist nicht fühlbar, ob das

verwendete Warmwasser von den Solarkollektoren oder der Nachheizung erhitzt

wurde. Dies führt im Störfall der Solaranlage zu höheren Kosten für die Nachheizung

und einem unnötigen Schadstoffausstoß.

Selbst für einen Fachmann ist es mitunter nicht einfach zu bewerten ob eine

Solaranlage korrekt funktioniert, da er nur den Ist-Zustand beurteilen kann. Werden

die Betriebsdaten einer Solaranlage aber aufgezeichnet, so können diese für die

Funktionskontrolle und Fehlerdetektion herangezogen werden. Um den Aufwand

dafür in Grenzen zu halten, gilt es die vorhandene Messtechnik und den Solarregler

für eine Betriebsdatenaufzeichnung zu nutzen.

Moderne Solarregler verfügen neben mehreren Temperaturmesseingängen über die

Anschlussmöglichkeiten von Durchflusssensoren zur Wärmemengenerfassung,

Drucksensoren und teils auch Einstrahlungssensoren. Diese werden inklusive der

Ausgangszustände des Reglers zyklisch auf einer Speicherkarte oder einem

Zusatzmodul aufgezeichnet. Mit Hilfe einer Auswertungssoftware oder eines

Tabellenkalkulationsprogramms werden diese Daten zur Analyse einer Solaranlage

herangezogen.

Für die Fernüberwachung einer Solaranlage werden der Ist-Zustand, Wärme-

mengenerfassung und Verlaufwerte der Betriebsdatensaufzeichnung auf einem

externen Bildschirm dargestellt. Im einfachsten Fall können die Betriebsdaten von

einer Speicherkarte über einen PC per E-Mail-Anhang manuell versendet werden.

Um die Daten im gleichen Gebäude in Echtzeit zu betrachten, wird der Solarregler

über ein lokales Netzwerk oder eine Busschnittstelle mit Fernanzeigen wie PCs,

speziellen Digitalanzeigen oder W-LAN Bilderrahmen verbunden. Der Weg ins

Internet führt über verbreitet verfügbare Breitbandmodems, wo die Solaranlage dann

in plattformunabhängigen Webbrowsern überwacht werden kann.

6. Zusammenfassung

83

Die Fernwartung von Solaranlagen beschränkt sich wiederum auf die Anpassungen

der Konfigurationseinstellungen von Solarreglern. Ermöglicht ein Solarregler das ein-

und auslesen von Parameterdateien auf Speicherkarten, so können diese meist über

eine Auswertungssoftware voreingestellt, verändert und digital zur externen

Beurteilung verschickt werden. Eine Änderung erfolgt aufgrund von Erkenntnissen

aus der Betriebsdatenanalyse oder bei falschen Einstellungen. Weiters besteht bei

manchen Solarreglern die Möglichkeit auf die Parameter per Busverbindung über

einen PC im Netzwerk mit eigener Software zuzugreifen.

Im Bereich Fernüberwachung und –wartung thermischer Solaranlagen sind in den

kommenden Jahren noch viele Entwicklungen unter der Verwendung neuer und

bestehender Technologien zu erwarten. Weiters können aus Forschungsprojekten

bekannte automatische Algorithmen zur Fehlerdetektion und Funktionskontrolle in

marktreife Produkte integriert werden. Hierbei ist zu beachten, dass die Lösungen für

die Anlagenbetreiber benutzerfreundlich und begreifbar sein müssen, da eine zu

hohe Komplexität die Nutzer eher abschreckt und frustriert. Aus diesem Grund gilt es

je nach Solaranlagengröße angepasste Lösungen auszuwählen und im Gebäude

bereits vorhandene Strukturen - wie lokale Netzwerke, Internetverbindung oder

Bildschirme - zu nutzen. Ziel ist es, das Vertrauen in die Nutzung von thermischer

Solarenergie zu stärken und über die Betrachtung der Betriebsdaten ein Bewusstsein

für die Energienutzung zu schaffen.

7. Abbildungsverzeichnis

84

7 Quellenverzeichnis

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88

8 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Eine defekte Solaranlage wird vom Verbraucher nicht

bemerkt, die Warmwasserbereitung übernimmt die

Nachheizung [1] (Grafik vom Autor erweitert) ...................................... 8

Abbildung 2: Zusammenstellung möglicher Störfälle einer Solaranlage,

aufgeteilt auf die verschiedenen Teilbereiche der Anlage [2] .............. 9

Abbildung 3: Häufigkeitsverteilung von Defekten bei thermischen

Solaranlagen [7] ................................................................................. 12

Abbildung 4: Analyse einer thermischen Solaranlage für Forschungszwecke

mit einer kostspieligen und komplexen Messtechnik - so nicht! ......... 13

Abbildung 5: Standard Solaranlage Abgrenzung [1] ............................................... 14

Abbildung 6: Thermische Solaranlage mit Differenztemperaturregelung und

Wärmemengenerfassung [8] (Bezeichnungen vom Autor

hinzugefügt) ....................................................................................... 15

Abbildung 7: Datenquellen für die Fernüberwachung aus dem Stand der

Solaranlagentechnik ohne zusätzliche Sensoren .............................. 20

Abbildung 8: Vergleich zwischen KTY-Halbleiterfühlern und Pt1000-Platin-

Widerstandstemperatur-sensoren zur

Solaranlagenüberwachung [2] ........................................................... 21

Abbildung 9: Platin-Widerstandsfühler Typ Pt1000 mit Silikon(links) und

PVC(rechts) Kabelmantel .................................................................. 22

Abbildung 10: Platzierung des Kollektortemperaturfühlers über eine

Tauchhülse im oberen Sammelrohr an der

Mäanderrohrverbindung (Foto zeigt die Rückseite eines

Mäanderabsorbers) ........................................................................... 23

Abbildung 11: Impulsdurchflussmesser „RESOL Volumenmessteil V40“

(Quelle: RESOL) ................................................................................ 25

Abbildung 12: Fehlerkurven von Flügelradzählern bei der Messung von

Wasser-Glykol-Gemischen [13] ......................................................... 26


89

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 ................................................ 27

Abbildung 14: Querschnittdarstellung eines Grundfos Vortex

Durchflussmesser von Grundfos: Strömungsrichtung,

Prallkörper, Sensor und Verwirbelungen (Quelle: Grundfos) ............. 28

Abbildung 15: Vortex-Durchflusssensor für WMZ in der Rücklaufverrohrung

der Solarstation .................................................................................. 30

Abbildung 16: Prinzipdarstellung der Druckmessung mit einem Grundfos

RPS-Sensor und dem Einbau in einer Solarstation (Quellen:

Grundfos, RESOL) ............................................................................. 31

Abbildung 17: RPS Drucksensor in der Vorlaufleitung einer Solarstation

(Quelle: PAW) (Bezeichnungen vom Autor hinzugefügt) ................... 32

Abbildung 18: Ein günstiger Einstrahlungssensor welcher teils bei

Solaranlagen eingesetzt wird (Quelle: STECA) ................................. 33

Abbildung 19: Typischer Messaufbau zur Fernüberwachung mit PC und

Modem [6] .......................................................................................... 34

Abbildung 20: Übersichtsdarstellung der Fernüberwachung und -wartung

thermischer Solaranlagen über den Solarregler ................................ 35

Abbildung 21: Verbreitung von Breitbandverbindungen, welche zur

Fernüberwachung und -wartung thermischer Solaranlagen

genützt werden können [23] .............................................................. 38

Abbildung 22: Breitbandmodem mit integrierten Ethernet

Netzwerkanschlüssen (gelb) .............................................................. 39

Abbildung 23: Drei Solarregler die sich zur Fernüberwachung und teils auch

Fernwartung eignen ........................................................................... 42

Abbildung 24: Solarregler TiSUN „DUPLEX basic“ mit Anschlussdetailbild

und „MULTIPLEX advanced“ Erweiterungsmodul auf einem

Regelungstestaufbau ......................................................................... 43

Abbildung 25: Schemenübersicht des Solarreglers TiSUN „DUPLEX basic“

mit „MULTIPLEX advanced“ Erweiterungsmoduls (Quelle:

TiSUN) ............................................................................................... 44

Abbildung 26: SD-Speicherkarten Einschub direkt am Solarregler ........................... 45


90

Abbildung 27: Die Auswertungs- und Parameterisierunssoftware befindet

sich bereits vorinstalliert auf der Speicherkarte ................................. 46

Abbildung 28: Darstellung von geloggten Anlagendaten eines Hauses in

Griechenland über mehrerer Monate mit der TiSUN

Auswertungssoftware ........................................................................ 47

Abbildung 29: Darstellung von geloggten Anlagendaten einzelner Tage mit

der TiSUN Auswertungssoftware ....................................................... 48

Abbildung 30: Übersicht aller Konfigurations- und Parametereinstellungen am

Solarregler über die Auswertungssoftware ........................................ 49

Abbildung 31: Konfigurationsansicht des "MULTIPLEX advanced"

Erweiterungsmoduls in der Auswertungssoftware ............................. 50

Abbildung 32: Manuelle Fernüberwachung und Wartung per E-Mail-Anhang .......... 51

Abbildung 33: Funktionsdarstellung des in der Entwicklung befindlichen

TiSUN OEM Fernüberwachungs- und Wartungsmoduls für

„DUPLEX basic“ und „MULTIPLEX advanced“ (Quelle: TiSUN) ........ 53

Abbildung 34: Solarregler RESOL DeltaSol® BX...................................................... 54

Abbildung 35: Übersicht einer Loggzeile der Betriebsdatenerfassung auf der

SD-Speicherkarte .............................................................................. 55

Abbildung 36: Anschlüsse des DeltaSol® BX Solarreglers mit gelb markierter

VBus® Schnittstelle ........................................................................... 55

Abbildung 37: RESOL Vbus® Zusatzmodule zur Fernanzeige des aktuellen

Zustands der Solaranlage .................................................................. 56

Abbildung 38: Der RESOL "Datalogger DL2" ermöglicht eine

Fernüberwachung und -wartung der Solaranlage (Quelle:

RESOL) ............................................................................................. 57

Abbildung 39: Fernüberwachte Solaranlage im Webbrower (Quelle:

http://www.luebeck-

solar.de/index.php?option=com_content&task=view&id=22&It

emid=44, Zugriff 18.8.2010) ............................................................... 58

Abbildung 40: Erstellung einer Solaranlagenschemadarstellung mit VBus®

Datenfeldern des Solarreglers ........................................................... 59


91

Abbildung 41: Der RESOL „Schnittstellenadapter VBus®/LAN“ kann zur

Fernwartung der Parametereinstellungen des Solarreglers

DeltaSol® BX verwendet werden (Quelle: RESOL) ........................... 60

Abbildung 42: Solarregler STECA TR 0603 mc ........................................................ 61

Abbildung 43: Umfang eines Datensatzes der SD-Karten Aufzeichnung .................. 61

Abbildung 44: Auswertungssoftware "STECA TS Analyzer" zur Analyse des

Betriebsverhaltens von Solaranlagen ................................................ 62

Abbildung 45: Der „IFA-Router STECA TK RW2“ wird als Zusatzmodul für die

Fernüberwachung verwendet (Quelle: STECA) ................................. 63

Abbildung 46: Anschlüsse des „STECA TR 0603 mc“ Solarreglers mit gelb

markierter RS-232 Schnittstelle ........................................................ 63

Abbildung 47: Fernüberwachungsmöglichkeiten mit dem Solarreglers

"STECA TR 0603mc" und Zusatzmodul „IFA-Router STECA

TK RW2“ (Quelle: STECA) ................................................................ 64

Abbildung 48: Systembild Darstellung über den „IFA-Router STECA TK

RW2“ (Quelle: STECA) ...................................................................... 65

Abbildung 49: Tagesdiagramm Darstellung über den „IFA-Router STECA TK

RW2“ (Quelle: STECA) ...................................................................... 66

Abbildung 50: Webserver Login zur Betrachtung von Systembild und

Tagesdiagramm der Solaranlage ....................................................... 67

Abbildung 51: Konfigurationsmenü der Internet Fernüberwachung auf

solarthermalweb.de (Quelle: STECA) ................................................ 68

Abbildung 52: Faustformeln für die Leistungsüberprüfung von kleinen

Solaranlagen [8] ................................................................................. 70

Abbildung 53: Automatische Funktionskontrolle über Regleralgorithmen [32] .......... 71

Abbildung 54: Tägliche Stagnation einer Solaranlage in Zypern im

September ......................................................................................... 72

Abbildung 55: Probleme mit der Nachheizung einer Solaranlage in England ........... 73

Abbildung 56: Fehlerdetektion eines dauerhaft aktivierten

Relaisausgangs (P3) ......................................................................... 74

Abbildung 57: Konfigurationseinstellungen einer Solaranlage in England ................ 75

Abbildung 58: Checkliste zur Analyse von Störungen bei thermischen

Solaranlagen [1] ................................................................................. 76


92

Abbildung 59: Gegenüberstellungen von Fernüberwachungs- und –

wartungsfunktionen der untersuchten Solarregler ............................. 77

Abbildung 60: Input-Output-Diagramm, der Vergleich lässt auf Anlage "OK"

oder "Störung" schließen [34] ............................................................ 79

Abbildung 61: Solaranlagen Monitoring-Gesamtlösung als Dienstleistung von

"IP-Solar" ........................................................................................... 80

Abbildung 62: Numerische Optimierung von Solaranlagenparametern [38] ............. 81

Abbildung 63: Nutzung von Wetterprognosen zur Solaranlagenregelung und

Betriebsüberwachung [38] ................................................................. 81


93

9 Anhang

9.1 Wartungsprotokoll für eine thermische Solaranlage

(Quelle: http://www.solarwaerme.at/docs/390.pdf Zugriff am 22.7.2010)

solarthermienator.com Diploma Thesis: Remote-monitoring and -maintenance of Pumped Solar ...

Technology

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