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Trinkwasser-Zirkulationspumpe intelligent geschaltet mit oder ohne Homematic-Anbindung

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Trinkwasser-Zirkulationspumpe intelligent geschaltet mit oder ohne Homematic-Anbindung
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Wichtiger Hinweis:  Dieses Modul gibt es mittlerweile auch mit OLED-Display. WIFFI-pump-2

1. Einige grundsätzliche Gedanken
Eine Warmwasser-Zirkulation ist ein in der Hausinstallation heute oft eingesetztes Komfortmerkmal, um an allen Zapfstellen im Haus nahezu sofort nach Aufdrehen des Wasserhahnes warmes Wasser verfügbar zu haben. Dazu verwendet man eine Ringleitung, in der eine kleine sog. Zirkulationspumpe  das warme Wasser dauernd oder nur zu bestimmmten Tagesabschnitten im Kreis pumpt. Im Hinblick auf Energieeinsparung kommt schnell der Gedanke auf, durch „intelligentere“ Steuerung das System zu verbessern.

Der erste Gedanke ist meist die Verringerung des Verbrauchs von elektrischer Leistung durch die Zirkulationspumpe. In einem typischen Einfamilienhaus hat die heute meist nur 5W. Das heißt im Dauerbetrieb verbraucht diese Pumpe übers Jahr ganze 44KWh, also mit 25ct/KWH macht das etwa 11€. Allerdings wird  meist eine Schaltuhr  verwendet, die vielleicht 12h schaltet und demnach die Verbrauchskosten auf 6€/Jahr halbiert. Für 6€/Jahr lohnt sich wohl keine  „intelligentere“ Steuerung als eine einfache Schaltuhr!

Also warum denn hier was machen??
Der Grund liegt darin, dass die eigentlichen Verluste nicht elektrisch sind, sondern die erheblichen Wärmverluste der Ringleitung. Dazu habe ich Messungen gemacht, die hier auf der Webseite nachgelesen werden können:

https://www.stall.biz/?project=zirkulationspumpe-warmebedarfsgerecht-geschaltet

Das Ergebnis kann man mit wenigen Kennzahlen trendmässig beschreiben:

– Elektrische Verluste  der Zirkulationspumpe:  5W   >> Jahreskosten 11€
– Wärmeverluste  der Ringleitung ohne Schwerkraftzirkulation:  60W   >>  Jahreskosten 132€    (mit einem Absperrhahn im Rücklauf wurde die natürliche Zirkulation abgeschaltet )
– Wärmeverluste der Ringleitung mit Schwerkraftzirkulation: 128W   >>  Jahreskosten 282€ !!
– Wärmeverluste der Ringleitung mit 12h/Tag laufender Zirkulationspumpe : 562W   >>  Jahreskosten 616€ !!!

Ohne jetzt das nur als „Hausnummer“  zu wertende Ergebnis weiter im Einzelnen zu diskutieren, wird eines klar:

Eine intelligente Steuerung der Zirkulationspumpe ist nicht wegen der elektrischen Energieeinsparung sinnvoll, sondern hauptsächlich wegen der damit möglichen Reduzierung der Verlustwärme !!

2. Das „intelligente“ Steuerungskonzept
Optimal ist danach, daß die Zirkulationspumpe auch nur dann läuft, wenn auch irgendwo im Haus warmes Wasser möglichst ohne wärmeverzug gezapft werden soll. Dazu gehört erst mal eine Strategie, um den Nutzerwunsch nach warmem Wasser zu erkennen. Denkbar wäre  ein Bewegungssensor im Badezimmer oder ein  Geräuschmelder in den „Wasserräumen“. Aber oftmals geht man in diese Räume, ohne den Warmwasserhahn zu betätigen . Also doch vielleicht einen Taster in Wasserhahnnähe installieren, den man anstößt, wenn warmes Wasser benötigt wird ? Das widerspricht aber einer „intelligenten“ automatischen Bedienung!
Also vielleicht einen Sensor installieren, der den Durchfluss mißt? Zu teuer und das erfordert   einen geeigneten Sensor und einen Eingriff in die Installation… Nein, lieber nicht!

Die Lösung ist einfach und auch nicht neu: Am Vorlauf-Ausgang des Warmwasserspeichers wird einfach mit einem Temperatursensor die Temperatur gemessen. Wenn dann warmes Wasser gezapft wird, dann erhöht sich schlagartig dort die Temperatur. Diese Temperaturerhöhung wertet man mit einer Elektronik entsprechend aus und schaltet umgehend die Zirkulationspumpe ein. Diese schiebt nun das warme Wasser schnellstens in die Ringleitung, so dass bereits nach relativ kurzer Zeit  das warme Wasser an der Zapfstelle ist.  Und spätestens jetzt wird klar, daß hierfür eine Pumpe mit möglichst hoher Leistung viel besser geeignet wäre, als die heute mit Schaltuhr eingesetzten Kleinleistungs-Typen.

Abgeschaltet wird die Pumpe entweder nach 3 bis 4 Minuten ( wenn die Ringleitung gut und komplett durchspült ist) oder wenn im Rücklauf am Warmwasserspeicher die Temperatur angestiegen ist. Dazu würde allerdings noch ein zweiter Temperatursensor benötigt.

Nach mehreren Versuchen mit und ohne zweiten Temperatursensor im Rücklauf wurde die einfache Lösung mit nur einem Temperatursensor im Vorlauf praktisch umgesetzt. Die Vorteile mit einem zweiten Sensor wären nur sehr gering!

Die erste Steuerung war analog mit wenigen Bauelementen umgesetzt (siehe Link oben) und hat ein Jahr problemlos gelaufen. Allerdings hatten einige Nachbauer mit Bauteiltoleranzen der analogen Steuerung zu kämpfen, so daß der Wunsch nach einer robusteren digitalen Lösung aufkam, die zudem optional in meine Homematic-Haussteuerung gut integriert werden kann. Damit meine ich, daß die Homematic sowohl die Zirkulationspumpe einschalten kann, als auch bei selbsttätiger Einschaltung die Homematic über den Schaltzustand rückinformiert wird. (bidirektionale Einbindung).

Vielleicht wird der eine oder andere Leser die Frage stellen, warum denn nicht gleich die Zirkulationspumpe mit der Homematic steuern?
Die Antwort ist einfach, weil die aktuell verfügbaren Homematic-Temperatursensoren mit Aktualisierungsintervallen von 3 und mehr Minuten  viel zu langsam sind!

3. Die Schaltung
Die Steuerung wurde mit einem programmierbaren Mikrochip Atmel ATTiny 45 oder 85 aufgebaut. Damit sind nur noch wenige zusätzliche Bauelemente erforderlich. Als Temperatursensor dient ein 10kOhm-NTC , der mit dem Vorlaufrohr in möglichst innigem thermischen Kontakt gebracht werden muß. Doch dazu später weitere Einzelheiten.

Hier erst mal der Schaltplan:

Folie1

 

Für die Realisierung wurde eine doppelseitige Platine hergestellt und mit den wenigen notwendigen Bauteilen bestückt. Das Programm (Firmware)  für den verwendeten Mikrocontroller  ATTiny85 ist auf dem Arduino entwickelt und erprobt worden.  Da nur sehr wenige Bauteile verwendet werden, wäre auch ein Lochrasteraufbau schnell realisiert. Natürlich müssen insbesondere die 230V-spannungsführenden Teile nach den geltenden Sicherheitsnormen geschützt werden. Zusätzlich habe ich auf der Platinenunterseite die 230V-führenden Kontaktpunkte am Relais und an der Schraubklemme mit jeweils einem dicken Wulst Heißkleber überzogen. Und dann muß man das Ganze mit einem geeigneten Kästchen „verpacken“.  Jeder versierte Elektroniker hat da sicher seine eigenen Vorstellungen 😉

Für Interessierte :

Einen kompletten Bausatz der Zirkulationspumpensteuerung mit dem programmierten Attiny Mikrocontroller und einem konfektionierten NTC-Temperaturfühler kann man bei mir erwerben:
https://www.stall.biz/?product=zirkulationspumpensteuerung

Die ATTiny- Steuerungssoftware prüft nach dem Start zuerst die I/O-Peripherie und zeigt das Ergebnis der Prüfungen mit einem Blinkcode an.  Zuerst blinkt für einige Sekunden die Signal-LED sehr schnell. Während dieser Zeit wartet die Steuerung darauf, daß ein möglicherweise  angeschlossener HM-Schaltaktor sich nach dem Einschalten stabilisiert hat. Dann erfolgt die Prüfung , ob überhaupt der HM-Schaltaktor da ist. Dazu wird der HM-Schaltaktor kurz über den Taster eingeschaltet und wieder ausgeschaltet. Wenn der Ausgang des HM-Schaltaktors dann ebenfalls den Status gewechselt hat , wird ein entsprechender Blinkcode zur Signalisierung der bidirektionalen Betriebsart ausgegeben.

Bei der bidirektionalen Betriebsart wird der HM-Schaltaktor sowohl als Output für ein Schaltsignal verwendet als auch als Input für die Rückmeldung des Zirkulationspumpen-Schaltrelais. Damit ist die Zirkulationspumpen-Steuerung perfekt in die HM-Welt eingebunden.

Die Einschaltzeit ist mit etwa 4 Minuten fest vorgegeben und entspricht etwa der Zeit, die das Wasser in in der Zirkulationsleitung für „eine Runde“ benötigt. Will man andere Einschaltwerte verwenden, dann kann man optional einen sog.  Programmierwiderstand Rtime einfügen. Die Einschaltzeit in Minuten  entspricht dem Wert in kOhm. Der kleinste Wert ist 0,33kOhm entsprechend 20sec.

Wenn beispielsweise bei längerer Abwesenheit die Zirkulation länger als 2 Tage nicht aktiviert wurde, dann startet automatisch eine  Zirkulation für etwa 10 Minuten . Dies ist wichtig zur Reduzierung der Legionellengefahr. In Verbindung mit der Homematic kann man diesen Desinfektionslauf sinnvollerweise mit dem Desinfektionslauf der Heizung synchronisieren.

4. Anwendungsmöglichkeiten
Je nach individuellen Bedürfnissen kann die Zirkulationspumpen-Steuerung in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Welche Betriebsart aktiviert ist hängt von der Beschaltung ab . Angezeigt wird die Betriebsart mit einem Blinkcode nach dem Einschalten. Erläuterungen dazu nachfolgend:

Betriebsart 1:
Die einfachste Betriebsart  ist die Verwendung der Steuerung als Schalttreiber für die Zirkulationspumpe . Die Zirkulationspumpe folgt einfach dem Schaltaktor.
Folie2

Betriebsart 2:
Sobald eine Temperaturerhöhung im Vorlauf detektiert wird, schaltet die Zirkulationspumpe für 4 Minuten ein. Zusätzlich kann mit einem externen Taster oder Schalter die Zirkulationspumpe eingeschaltet werden. Das kann ein einfacher Taster an der Zapfstelle sein oder ein Bewegungsmelder oder ein Geräuschmelder oder ein HM-Schaltaktor oder …
Ausgeschaltet wird die Zirkulationspumpe immer automatisch nach der vorgegebenen Zeit.
Folie3

Folie4

Betriebsart 3:
Hier wird mit einem HM-Schaltaktor eine bidirektionale Verbindung mit einem 1-Kanal-HM-Schaltaktor hergestellt. Dabei schaltet der HM-Aktor, wie bei den vorgenannten Betriebsarten auch, die Zirkulationspumpe ein. In diesem Fall „weiß“ die CCU, daß die Zirkulationspumpe eingeschaltet ist. Wenn diese  aber nach 4 Minuten selbsttätig ausschaltet muß eine entsprechende Rückmeldung an die CCU abgeschickt werden. Dies erfolgt über die im nachfolgenden Bild gelbe Steuerleitung. Damit wird der Toggle-Taster des Schaltaktor betätigt und der Aktor schaltet wieder AUS. Dies „weiß“ dann die CCU auch. So kann man den Schaltaktor sowohl als digitalen Ausgang als auch digitalen Eingang „mißbrauchen“.
Übrigens kann man als HM-Schaltaktor sowohl den aktuellen  1-fach als auch den 4-fach Batterie-Schaltaktor verwenden 🙂
Folie5

5. Blinkcodes
Mit einer LED wird die Betätigung des Schaltrelais für die Zirkulationspumpe angezeigt. Die andere im Bild linke sog. Info-LED ist zur Anzeige von Blinkcodes während des Startvorganges wichtig.
> Nach dem Einschalten der Versorgungsspannung blinkt die Info-LED sehr schnell für etwa 10 Sekunden. Während dieser Zeit kann sich der HM-Schaltaktor „einschwingen“ und stabilisieren.
> Danach wird soweit vorhanden der HM-Schaltaktor mit dem Toggle-Taster ein- und nach einigen  Sekunden  wieder ausgeschaltet
> Das Ergebnis der Prüfungen wird am Ende der Startphase durch ein langsames Blinksignal angezeigt:

– 1x Blinken: Betriebsart 1 mit externem Schalter ohne Temperatursensor
– 2x Blinken: Betriebsart 2a oder 2b mit externem Temperatursensor mit/ohne externem Schalter
– 4x Blinken: Betriebsart  3 mit externem Temperatursensor und HM-Schaltaktor

Im normalen Betrieb, wenn die Steuerung gewissermaßen in „Lauerstellung“ ist, wird kontinuierlich alle 0.5s ein kurzer Lichtblitz auf der Info-LED erzeugt (heartbeat)

6. Anbringung des Temperatursensors
Der Temperatursensor muß am vorlaufseitigen Ausgangsrohr des Wasserspeichers so nah angebracht werden, daß bei Zapfen von warmem Wasser möglichst schnell eine Temperaturerhöhung gemessen wird. Andererseits darf der Sensor nicht zu nah am Wasserspeicher sein, weil sonst die wasserseitige Wärmeausstrahlung das Rohr immer erwärmt. Mein Erfahrungswert für die optimale Leitungsentfernung zwischen Sensor und Speicherausgang ist  etwa 40cm bis 60cm; das hängt vom Leitungsquerschnitt und den räumlichen Gegebenheiten ab. Muß man halt etwas Probieren!
Test: Wenn die Zirkulationspumpe längere Zeit nicht gelaufen ist, dann sollte der geplante Anbringungsort für den Sensor höchstens handwarm sein!

Der Wärmekontakt des Sensors muß so gut sein, daß Temperaturänderung möglichst verzugfrei detektiert werden. Bei einem konfektionierten 10kOhm NTC in einem Röhrchen ist dies zwar auch akzeptabel, aber  ein direkt aufgebrachter kleiner NTC-Widerstand reagiert schneller. Beide möglichen Lösungen zeigen die folgenden Bilder:
Folie8

Folie7

Besonders wichtig für eine gute Funktion ist natürlich eine gut entlüftete Ringleitung. Wenn hier sich Luftblasen angesammelt haben, dann ist eine effektive Pumpfunktion nicht möglich. Besonders die Schwerkraftbremse muß einwandfrei funktionieren, damit bei abgeschalteter Zirkulationspumpe auch wirklich kein Wasser zirkuliert. Prüfen kann man das folgendermaßen:
Zirkulationspumpe stromlos machen und mindestens 2 Stunden den Kreislauf abkühlen lassen. wenn  danach der Rücklauf  kalt ist und der Vorlauf nur auf dem ersten Meter handwarm, dann ist keine natürliche Zirkulation da und die Schwerkraftbremse ist in Funktion.

Danach wird die Zirkulationspumpe eingeschaltet und die Zeit gemessen, bis das warme Wasser am Rücklauf angekommen ist. wenn nach 2 bis 5 Minuten das warme Wasser im Rücklauf angekommen ist, dann scheint der hydraulische Pumpenkreis wohl in Ordnung zu sein!

Die Leitungslänge zwischen Steuerung und Temperatursensor  sollte so kurz wie möglich sein, da sonst die Leitungen wie Antennen wirken und Störsignale  „einsammeln“. Abgeschirmte Leitungen helfen auch nicht gegen magnetische Störfelder. Also 1 bis 2 Meter dürften funktionieren.

7. Einbindung in die Homematic
Die Steuerung funktioniert als Standalone-System sehr gut und man könnte sich seitens  der Homematic auf die Status-Anzeige (EIN/AUS)  des verwendeten HM-Aktors beschränken. Allerdings kann man die Rückinformation, wann und ob der Wasserhahn benutzt wurde, sehr gut für andere Steuerungsaufgaben in der Hausautomation verwenden. Die folgenden WebUI-Programme zeigen beispielhaft einige Möglichkeiten:

– Bei der  Wasser-Desinfektion  der Heizung an jedem  Montag um 7h05 wird hier die Zirkulation eingeschaltet, um auch den Rücklauf zu desinfizieren:
prog1
Die Berechnung der Systemvariablen  zu_bett_gegangen erfolgt u.a. in dem zweiten WebUI-Programm:
Die Systemvariable zu_bett_gegangen ist immer dann wahr, wenn man am abend zuvor vor dem zu Bett gehen den Wasserhahn betätigt hat. In diesem Fall wird morgens zur typischen Badezimmerzeit die Zirkulation vorsorglich eingeschaltet, um praktisch gar keine „Wartzezeiten“ mit dem warmen Wasser zu haben.
Prog2

8. Schaltungsaufbau


Zur Verbesserung der Störsicherheit wird der Einbau des 100nF-Kondensator C3  empfohlen. Man kann ihn entweder auf die Platine löten  oder gemeinsam mit den Zuleitungen an die Schraubklemmen  Tfor und GND legen.

Update 2.0:  Layout wurde überarbeitet und R9 und C3 integriert:
Folie10

Update Ver. 2.1  : PTC-Sicherung hinzugefügt

z_pumpensteuerung_14

Update Ver. 2.2: Layout optimiert

Hinweise zum Zusammenbau:

Für den Zusammmenbau der Schaltung sollte man schon einige Kenntnisse der Elektronik besitzen. Insbesondere sollten folgende Hinweise beachtet werden, weil sonst die Schaltung beschädigt wird:

  • Der Elektrolytkondensator C1 ist polrichtig einzubauen.  Der Minuspol ist mit weißem Streifen gekennzeichnet .
  • Das IC1 ist ebenfalls polrichtig einzusetzen (auf die Punktmarkierung achten!)
  • Die LEDs sind polrichtig einzulöten. „K“ wie kurzes „Beinchen“.

Nach dem Zusammenbau ist ein einfacher Funktionstest auf dem Labortisch möglich, indem man nach der Startphase, wenn nur doch der regelmässige kurze LED-Blitz da ist, kurz mit den Fingern  den Temperatursensor erwärmt. Dann muß sofort LED2 und das Relais aktiviert werden. Erst nach etwa  4  Minuten geht die LED 2 wieder aus und  startet  wieder den regelmässigen Lichtblitz.

Hinweise bei Funktionsproblemen

  • Funktioniert der sog,. Fingertest ? Dabei wird der kalte noch nicht montierte NTC-Sensor einige Sekunden mit den Fingern erwärmt. Wenn dann das Realis einschaltet , dann ist die Schaltung mit großer Wahrscheinlichkeit in Ordnung
  • Ist die Leitung für den NTC-Sensor nicht länger als 1 bis 2m und liegt möglichst nicht mit anderen Kabeln nah zusammen
  • Ist das Netzteil in Ordnung ? Oft neigen Billig-Netzteile zu Störungen.
  • Ist der NTC-Sensor an einem metallischen Rohr montiert ? Kunststoffrohre funktionieren nicht !
  • Hat der NTC-Sensor guten Wämekointakt mit dem Rohr am WW-Auslauf ?
  • Ist der Sensor auch nicht zu nah am WW-Auslauf positioniert, so daß bei  Erwärmung des WW_Speichers die Erwärmung bis in das WW-Auslaufrohr einwirkt.
  • Hat die Zirkulationspumpe eine sog. Schwerkraftbremse ? Bei modernen WW-Pumpen ist das Ventil in der Pumpe. Es gibt aber auch Rückschlagventile, um ein Zirkulation bei abgeschalteter Pumpe zu verhindern.


Für Interessierte :

Einen kompletten Bausatz der Zirkulationspumpensteuerung kann man in meinem Shop erwerben. 

https://www.stall.biz/?product=zirkulationspumpensteuerung

Haftungs- und Sicherheitshinweise

Beim Nachbau müssen natürlich alle wichtigen einschlägigen Sicherheitsvorschriften für den Umgang mit gefährlichen Spannungen  eingehalten werden. Fundierte theoretische und praktische Fachkenntnisse der Elektrotechnik und für den Umgang mit gefährlichen Spannungen sind unverzichtbar!!

Durch eine unsachgemäße Installation gefährden Sie ihr Leben und das Leben ihrer Mitmenschen! Darüberhinaus riskieren Sie erhebliche Sachschäden , welche durch Brand etc. hervorgerufen werden können ! Für alle Personen- und Sachschäden durch falsche Installation etc. ist nicht der Hersteller sondern nur der Betreiber verantwortlich.

Ich verweise hier unbedingt auf  die  „Sicherheitshinweise und Haftungsausschluss„-Seite dieses Blogs. Auch die notwendigen Eingriffe in das Heizungssystem dürfen nur von ausgebildeten Fachpersonal durchgeführt werden. Es sind die geltenden Sicherheitsvorschriften und die DVGW-Richtlinien einzuhalten.

 

 

Fähigkeiten

Gepostet am

13. September 2014

41 Kommentare

  1. Ich weiß nicht, um welche Probleme es sich handeln soll. Der Wiffi-pump läuft sehr stabil!
    Auf der Platine ist ein Umschaltrelais verbaut, allerdings sind nur 2 Kontakte nach außen auf die Schraubklemme geführt.

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