← Vorherige (Aktueller Stand)

Nächste →

Heizungsautomatisierung & Programmierung

Dieser Artikel beschreibt die technische Umsetzung unserer selbst entwickelten Heizungssteuerung. Im Zentrum steht die CMI (Central Management Interface) der Firma Technische Alternative (TA). Wir erklären, wie wir damit die Wärmepumpen, den Pufferspeicher und den Heizkreis steuern, welche Daten wir sammeln und wie wir diese auswerten, um den Betrieb kontinuierlich zu verbessern.

1. Die Zentrale: CMI von Technische Alternative

Das Herzstück unserer Automatisierung ist die CMI – eine offene, programmierbare Steuerungseinheit. Sie bietet:

• Ein eigenes Webportal zur Anzeige des aktuellen Anlagenstatus (Temperaturen, Durchflüsse, Betriebszustände).
• Direkte Anschlüsse für diverse Sensoren (Temperaturfühler, Durchflussmengenzähler, Stromzähler, etc.).
• Schnittstellen wie CAN-Bus, sowie über Konverter auch DL-Bus, M-Bus und KNX – dadurch können wir nahezu jede handelsübliche Komponente einbinden.
• Ausgänge zur Ansteuerung von Aktoren: Wärmepumpen, Mischer, Absperrventile, Pumpen – alles, was geschaltet oder geregelt werden muss.

Programmierung ohne Code-Kenntnisse

Die Programmierung der CMI erfolgt ohne klassische Programmiersprachen. Stattdessen arbeiten wir mit zwei grafischen Werkzeugen:

• Tapps2 – für die Steuerungslogik: Hier werden Logik-Bausteine aus einer Bibliothek ausgewählt und per Drag & Drop miteinander verbunden. Das ähnelt dem Zusammenstecken von elektronischen Schaltungen oder dem Erstellen von Flussdiagrammen. Man benötigt lediglich ein grundlegendes technisches Verständnis für Zusammenhänge wie „Wenn Temperatur X unter Y fällt, dann schalte Pumpe Z ein“ – aber keine Kenntnisse in Programmiersprachen.
• TA-Designer – für die Weboberfläche: Auch hier werden alle darzustellenden Werte (Temperaturen, Schaltzustände, Grafiken) und Bedienelemente (Schalter, Regler, Umschalter) grafisch zusammengestellt. Man importiert dazu die zuvor in Tapps2 erstellte Programmierung – alle dort verwendeten Ein- und Ausgänge stehen dann automatisch zur Verfügung und können per Drag & Drop auf der Oberfläche platziert werden.

Das Besondere: Die so erstellte Weboberfläche ist nicht nur zur Anzeige da, sondern ermöglicht auch aktive Eingriffe – z. B. das manuelle Umschalten von Betriebsmodi, das Anpassen von Solltemperaturen oder das Aktivieren des Urlaubsmodus. All das lässt sich ohne Programmierkenntnisse einrichten und später jederzeit anpassen.

Bei uns läuft die komplette Steuerung – vom Auslesen aller Sensoren bis zur Ansteuerung der Verbraucher – über diese CMI.

2. Datenerfassung und -auswertung

Die CMI verfügt über eine JSON-API, über die wir alle aktuellen Messwerte in Echtzeit abrufen können. Wir nutzen diese Schnittstelle, um minütlich alle relevanten Daten in eine Datenbank zu schreiben. Dadurch haben wir eine lückenlose historische Aufzeichnung – die Grundlage für alle folgenden Analysen.

Was bringt uns das?

• Fehlererkennung: Wir können nachvollziehen, wann eine Wärmepumpe nicht optimal lief, welche Randbedingungen (Außentemperatur, Spreizung, Volumenstrom) zu diesem Zeitpunkt herrschten und woran es möglicherweise lag.
• COP-Berechnung: Wir können den tatsächlichen Wirkungsgrad (COP) zu jedem Zeitpunkt berechnen – in Abhängigkeit von Außentemperatur, Vorlauftemperatur und Spreizung.
• Vorausschauende Betriebsplanung: Mit genügend historischen Daten können wir vorhersagen, wann es sinnvoll ist, Wärme „auf Vorrat“ zu speichern – und wann wir lieber warten, bis bessere Bedingungen (höhere Außentemperatur oder Solarstrom) herrschen.

3. Die zwei getrennten Regelkreise

Eine zentrale Entscheidung war, den Wärmepumpen-Betrieb und den Heizkreis-Betrieb (Pufferspeicher → Heizkörper) voneinander zu trennen. Das klingt einfach, ist aber in der Praxis ein entscheidender Unterschied zu den meisten herkömmlichen Regelungen.

a) Wärmepumpen-Steuerung (Erzeugerseite)

Die Wärmepumpen laufen nicht nach Bedarf der Heizkörper, sondern nach folgenden Prioritäten:

1. Solarstromnutzung: Die Wärmepumpen sollen primär dann laufen, wenn genügend Strom von der PV-Anlage zur Verfügung steht – also möglichst kostenlos Wärme erzeugt und im Pufferspeicher eingelagert wird.
2. Tageszeitliche Temperaturvorteile: Die Wärmepumpen werden bevorzugt am Nachmittag betrieben, wenn die Außenluft am wärmsten ist – das verbessert den COP erheblich.
3. Fallback 1 – Mindestwärmevorrat: Falls der Pufferspeicher komplett „leer“ ist (zu kalt), wird ein Mindestmaß an Wärme vorgehalten, um das Gebäude nicht völlig auskühlen zu lassen.
4. Fallback 2 – Dauerbetrieb bei Frost: Bei Außentemperaturen unter 0 °C laufen die Wärmepumpen dauerhaft durch. Warum? Weil sie in diesem Temperaturbereich gerade genug Wärme liefern, um den Status quo zu halten – aber massive Probleme haben, ein ausgekühltes Gebäude wieder hochzuheizen. Der Dauerbetrieb verhindert also, dass wir morgens vor einem völlig kalten Gebäude stehen.

b) Heizkreis-Steuerung (Verbraucherseite)

Dieser Regelkreis kümmert sich ausschließlich um den Abruf der Wärme vom Pufferspeicher zu den Heizkörpern. Er arbeitet zeitgesteuert:

• Schulbetrieb (tagsüber): Es wird die gewünschte Raum-Solltemperatur angesteuert.
• Absenkbetrieb (außerhalb der Schulzeiten): Die Solltemperatur wird reduziert, um Energie zu sparen.
• Urlaubsmodus: Dieser kann über die Weboberfläche aktiviert werden. Er ignoriert die Zeitsteuerung komplett und setzt dauerhaft eine noch weiter reduzierte Solltemperatur – ideal für längere Schließzeiten (Ferien, Brückentage).

Warum diese Trennung so wichtig ist:

Stell dir den Morgen nach einer kalten Nacht vor: Der Pufferspeicher ist noch warm von der nächtlichen „Grundladung“ – aber die Wärmepumpe hat noch nicht wieder zugeschaltet (weil noch keine Sonne scheint). Jetzt muss der Heizkreis schnell die Räume aufheizen. Wenn nun die Wärmepumpe gleichzeitig mit dem Heizkreis um das Wasser im Puffer „konkurrieren“ würde, entstünde ein gegenläufiger Betrieb: Die Wärmepumpe würde kaltes Wasser aus dem unteren Pufferbereich entnehmen, es nur um 5 °K erwärmen und oben wieder einlagern – während die Heizungspumpe von oben entnimmt. Das führt zu einer ineffizienten Durchmischung und zu geringen Vorlauftemperaturen (wie im Bauphasen-Artikel beschrieben).

Durch unsere Trennung darf die Wärmepumpe morgens nicht starten, während der Heizkreis die gespeicherte Wärme abruft. Erst wenn entweder der Puffer weitgehend geleert oder die Sonne ausreichend Strom liefert, schaltet sie zu. Dann ist der Aufheizvorgang der Räume in der Regel bereits abgeschlossen – und der Puffer wird für den nächsten Zyklus wieder aufgeladen. Das vermeidet die beschriebenen Konflikte und verbessert den Gesamtwirkungsgrad deutlich.

4. Ausblick: Was wir noch vorhaben

Die Programmierung ist noch nicht abgeschlossen. In den kommenden Monaten arbeiten wir an:

• Automatische Störungsmeldungen: Bei Abweichungen (z. B. ungewöhnlich niedrigem COP oder leer laufen des Speichers ohne dass die Wärmepumpen Strom verbrauchen) soll eine Nachricht an den Administrator gesendet werden.
• Erhöhung der Spreizung: Wir bauen einen Mischer zwischen Wärmepumpe und Speicher der dafür sorgen soll dass die Spreizung ansteigt indem von der Wärmepumpe vorgeheiztes Wasser erneut weiter erhitzt wird bevor es in den Speicher eingelagert wird. Durch entsprechendes Lastmanagement kann auf die Art und Weise ein gleichzeitiger Betrieb von Wärmepumpe und Heizkreis auch in der Aufwärmphase genutzt werden.

Wir sind überzeugt, dass dieser Weg – eine selbst programmierte, datengetriebene Regelung – die zukunftsfähigste Lösung für komplexe Heizsysteme im Altbau ist. Die gewonnenen Erkenntnisse teilen wir gerne mit allen, die vor ähnlichen Herausforderungen stehen.

← Vorherige (Aktueller Stand)

Nächste →