WIFFI-pump … die neue Zirkulationspumpensteuerung mit Heizungsüberwachung

Wichtiger Hinweis:  Dieses Modul gibt es mittlerweile auch mit OLED-Display. WIFFI-pump-2

Vorgeschichte

Ich verwende eine  intelligente Steuerung für die  Trinkwasser-Zirkulationspumpe schon seit Jahren. Dafür habe ich eine Lösung mit einem Mikrocontroller Attiny entwickelt , die sehr gut als standalone-Lösung funktioniert. Mit einem zusätzlichen Aktor mit allerdings zusätzlichen Kosten ist die Steuerung auch in die Homematic-Hausautomation integrierbar. Diese Lösung wird als Bausatz in meinem Webshop auch weiterhin angeboten, weil sie kostengünstig und einfach ist. Zirkulationspumpensteuerung Attiny

Das neue  WIFFI Konzept ( WIFFI-wz … der Wohnzimmersensor )  eröffnet aber viel mehr Möglichkeiten, die über die Funktionalität der “alten” Zirkulationspumpen-Steuerung hinausgehen. Mit dem WIFFI-pump wird wie bisher die intelligente Steuerung der WW-Zirkulationspumpe erreicht aber mit der jetzt verfügbaren WLAN-Anbindung ist ein Datenaustausch sowohl mit der Homematic als auch mit anderen Servern  einfach möglich. Darüberhinaus  lassen sich beim WIFFI-pump  zwei 1wire-Temperatursensoren anschließen , um beispielsweise  die Vor- und Rücklauftemperatur zu messen und an die Homematic zu übertragen. So kann man zusätzlich auch die Funktion der Heizung überwachen und mit diesen Informationen mit der Homematic  geeignete Aktionen auslösen.

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 !!

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!

Technische Daten des WIFFI-pump

Mit Verwendung des hochintegrierten Wifi-Chips ESP8266 eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten für die kompakte Realisierung eines Steuerungsmoduls im praktischen Hutschienengehäuse. Dabei wird nicht nur die intelligente Steuerung der Zirkulationspumpe nach oben beschriebenen Steuerungsprinzip möglich sondern zusätzlich werden mit dem Modul auch zwei sog. 1wire-Temperatursensoren abgefragt und die Information an die Homematic-CCU übertragen.

Hier die wesentlichen Eigenschaften des WIFFI-pump:

• WLAN-Kommunikation mit dem heimischen Router
• Kommunikation mit  der Homematic-CCU  oder unabhängiger Standalone-Betrieb
• Temperaturmessung am WW-Ausgang mit NTC und …
• Einschalten der Zirkulationspumpe in Abhängigkeit von der WW-Temperaturerhöhung
• Einschalten der Zirkulationspumpe auch von der CCU direkt
• zusätzliche Messung von zwei Heizungstemperaturen mit optionalen 1wire-Sensoren (z.B. Vorlauf- und Rücklauftemperatur )
• Hutschienengehäuse 2TE

Die Schaltung

Die gesamte Schaltung konnte auf einer so kleinen Platine realisiert werden, daß sie in ein 2TE Hutschienengehäuse paßt. Auf der einen Seite werden die 5V-Spannungsversorgung (externes 5V-Netzteil mit > 0,5A)  an die Schraubklemmen geschaltet. Auf der Netzspannungsseite ist der Einschaltkontakt für die Zirkulationspumpe verfügbar. Die Stausanzeige erfolgt mit einer LED, die im Betrieb durch ein Schraubklemmenloch erkennbar ist. Aber diese LED-Anzeige benötigt man nur zum Anlernen und oder zur Funktionskontrolle.

Die beiden Taster auf der Platine benötigt man ebenfalls nur zum einmaligen Einstellen des WIFFI-pump.

Die gesamte Verschaltung des Moduls zeigt das folgende Bild. Der NTC-Temperaturfühler mißt die WW-Auslauftemperatur und schaltet bei schnellen Temperaturerhöhungen am WW-Auslauf das Relais zum Einschalten der Zirkulationspumpe. Danach bleibt die Zirkulationspumpe für etwa 4min eingeschaltet, damit das warme Wasser in der WW-Zirkulationsleitung verteilt wird. Die Einschaltzeit von 4min kann an die individuellen Bedürfnisse  im Expertenmodus angepasst werden. Wie das geht, ist weiter unten beschrieben. Aber die gewählten 4min sind für typische Zirkulationsleitungen ein guter Wert. Darüberhinaus können wie im Bild dargestellt sog. 1wire Temperatursensoren angeschaltet werden, mit denen ohne Eichung eine recht genaue Temperaturmessung möglich ist. Ich verwende diese Sensoren für die Messung der Vorlauftemperatur im Kesselkreis und zur Messung der Vorlauftemperatur für die Fussbodenheizung (nach dem Mischer). Aber was man damit macht,  kann  man nach eigenen Bedürfnissen festlegen.

Nachbau

Zum Nachbau des WIFFI-pump habe ich einen Bausatz zusammen gestellt, der auch weniger löterfahrenen Elektronikern den Nachbau möglich macht. Auf der Platine ist schon der komplett programmierte Chip ESP8266-12 aufgelötet, so daß diese schwierige Lötarbeit entfällt. Die restlichen Bauteile lassen sich mit meiner Bauanleitung recht schnell zusammenbauen.

Den Bausatz gibt es auch mit den zusätzlich verwendbaren  zwei  1wire-Temperatursenoren vom Typ DS18B20. Diese Sensoren sind schon fertig mit einem 1m Kabel konfektioniert, wobei der Sensor in einer Edelstahlhülse sitzt. Mehr Informationen zum Zusammenbau in der Bauanleitung zu diesem Bausatz  in meinem Shop : Bauanleitung

Inbetriebnahme

Die Steuerung sollte in einem trockenen Installationsgehäuse möglichst in der Nähe der Heizung untergebracht sein. Leitungslängen für die Messsignale von bis zu 8m wurden ausprobiert, längere Leitungen können möglich sein. Im Hinblick auf zuverlässige Funktion sind die Leitungen aber so kurz wie möglich zu dimensionieren. Im Hinblick auf Signaleitungen sollte man immer Netzleitungen und Messleitungen möglichst  getrennt verlegen. Dazu sind alle entsprechenden Sicherheitsregeln für den Umgang mit Netzspannungen unbedingt zu berücksichtigten.

Ohne entsprechende Fachkenntnisse muß die Installation unbedingt von Fachpersonal  durchgeführt werden. Siehe auch nochmal meine Warnhinweise auf der Startseite hierzu: Warnhinweise

Wenn dann alles entsprechend dem Bild oben angeschlossen ist, kann die 5V-Versorgungsspannung eingeschaltet werden. Ist  das Modul noch nicht angelernt, dann dauert es nach dem Einschalten oder nach dem Drücken des Reset-Tasters etwa 65sec bis die rote LED mit kurzen Blitzen die richtige Funktion des Moduls signalisiert.

– Jetzt den Prog-Taster kurz drücken und das Modul geht in den Hotspot-Modus. Diese Betriebsart wird an der LED mit schnellem Blinken quittiert.

– dann mit Smartphone oder Notebook bei eingeschaltetem WLAN nach dem Hotspot mit dem Namen (ssid)  wiffi  suchen und die gesicherte Verbindung  mit dem Passwort wiffi1234 starten.

– Danach mit dem Browser die Webseite zur Einstellung  des WIFFI-pump  aufrufen. Diese Webseite hat die feste IP 192.168.4.1  Achtung, diese IP-Adresse hat nichts mit der späteren IP-Adresse  des WIFFI-pump im Heimnetz zu tun! Also man ruft im Browser einfach folgende Adresse auf   192.168.4.1/?  und erhält als Antwort die einfache Webseite des WIFFI:

links im Bild die Webseite im Werkszustand , rechts mein individuellen Einstellungen:

Mit wenigen verfügbaren Befehlen kann der WIFFI-pump an den eigenen Router und die CCU angelernt werden: (… und nicht den Doppelpunkt am Ende vergessen!)

• 192.168.4.1/?ssid:meineSSID:    setzt die SSID des Routers, die SSID muß weniger als 17 Zeichen haben und keine Sonderzeichen enthalten
• 192.168.4.1/?pwd:meinPasswort:   setzt den Router WLAN-Netzwerkschlüssel   ( WPA2) , Restriktionen wie bei SSID
• 192.168.4.1/?ccu:192.168.178.2:   setzt die CCU-IP, dafür muß die CCU eine feste IP haben. Einstellen im Router !!
• 192.168.4.1/?name:zz:  setzt den individuellen Namenskürzel für den WIFFI. Damit werden die CCU-Systemvariablen gekennzeichnet, siehe weiter unten

Wenn alle Zugangsdaten eingegeben sind, dann mit dem Reset-Taster neu starten.

Danach startet das Modul deutlich schneller. Je nach Zeitbedarf für das Einloggen in das WLAN-Netz dauert es jetzt etwa 15 bis 30sec und dann blinkt die LED wieder mit dem typischen regelmäßigen Blitzen ca. 1x/Sekunde.  Der Blitz ist jetzt im eingeloggten Zustrand deutlich länger als im nicht-eingeloggten Betriebszustand. So kann man leicht erkennen, ob WLAN-Verbindung da ist oder nicht. Die Funktion der temperatuabhängigen Steuerung der Zirkulationpumpe funktioniert aber unabhängig davon, ob WLAN-Verbindung da ist oder nicht!

Das Anlernen des WIFFI-pump an die CCU erfolgt ganz einfach, indem man die folgenden vier  Systemvariablen definiert:

Ich verwende als Namen für den WIFFI-pump einfach den Buchstaben z ; entsprechend ergeben sich dann die Namen der Systemvariablen im Bild oben. Die Systemvariablen bitte genauso schreiben wie im Bild! Wenn man einen anderen Namen für den WIFFI-pump verwendet, dann ist statt  z  dieser Name zu einzusetzen.

Sobald der WIFFI eingeschaltet ist überträgt er die Daten automatisch an die so definierten Systemvariablen.

Ein ganz einfacher Funktionstest ist möglich, indem man den kalten NTC-Temperatursensor mit den Fingern kurz anwärmt. Dann muß sofort das Relais einschalten und nach etwa 4min die Zirkulationspumpe wieder abschalten.

Schalten der Zirkulationspumpe mit der CCU

Eigentlich braucht man die Zirkulationspumpe nicht von der CCU schalten, da sie ja vom WIFFI-pump automatisch in Abhängigkeit von der Temperaturerhöhung am WW-Auslauf eingeschaltet wird.  Aber aus verschiedenen Gründen ist es dennoch sinnvoll, die Zirkulationspumpe zu bestimmten Zeiten einzuschalten. Beispielsweise wenn die Heizung zur Legionellendesinfektion zu einem bestimmten Zeitpunkt die Temperatur im WW-Speicher hochfährt, dann macht ein gleichzeitiges Spülen der Ringleitung durchaus Sinn. Oder wenn man morgens immer zu einer bestimmten Zeit duscht, dann will man nicht warten, bis nach Aufdrehen des Wasserhahnes die Zirkulationspumpe das warme Wasser erst ranbringt. In all diesen Fällen ist ein vorausschauendes zeitgesteuertes Einschalten absolut sinnvoll.

Das Einschalten erfolgt mit einem einfachen HM-Skript, das zum gewünschten Zeitpunkt die Pumpe eine bestimmte Zeit einschaltet.

und hier ist das HM-Skript dazu, das in meinem Beispiel alle 15min zwischen 7h00 und 8h00 aufgerufen wird.

HM-Skript zum Einschalten der Zirkulationspumpe

!hiermit wird die z_pump  für 300 sec eingeschaltet 
string befehl = "/?trigger:300:";   
string IP = dom.GetObject("z_IP").Value();  !Holt IP_adresse des WIFFI_wz
var send_data = "http://" + IP  + befehl; !Befehl zusammensetzen
 
WriteLine(send_data);
string stdout; string stderr;           !und Befehl ausgeben
system.Exec("wget -q -O - '"#send_data#"'", &stdout, &stderr);

Man kann auch einfach mit einem Browser dies ausprobieren, indem man folgenden Befehl eingibt:

<CCU_IP>/?trigger:300:       Danach schaltet die Zirkulationspumpe für 300sec ein.

Natürlich kann man solch einen String auch von anderen Rechnern wie Rasberry und Co. abschicken. Somit ist der WIFFI-pump sehr zukunftssicher. Vielleicht mache ich dazu mal eine einfache App . Anregungen dazu nehme ich gerne entgegen!

Update 06.12.2015: in der aktuellen Firmware-Version wiffi_pump_08 kann man zusätzlich mit folgendem Befehl die Zirkulationspumpe dauerhaft Ein- und Ausschalten.

<CCU_IP>/?trigger:on:   oder <CCU_IP>/?trigger:off:

Anbringung des NTC-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!

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!

Expertenmodus

Im Expertenmodus können bei Bedarf einige Parameter geändert werden. Das Vorgehen zum Ändern der Parameter zeigt das folgende Bild. Die Parameter sollten aber nur in Ausnahmefällen verändert werden und man sollte wissen, was man da tut !

Rückstellen in den Werkszustand

Manchmal kann es notwendig sein, die im EEPROM abgelegten Zugangsdaten für den heimischen WLAN-Router zu löschen und den WIFFI-pump in den Auslieferungszustand zu versetzen. Hierfür wird durch 1sec-Drücken des Prog-Tasters zuerst in den  Hotspot-Modus geschaltet, was durch schnelles Blinken der roten LED angezeigt wird. Danach hält man den Prog-Taster für mehr als  10 sec gedrückt, was mit einer langsam blinkender LED bestätigt wird. Jetzt ist alles gelöscht und mit Druck auf den Reset-Taster kann wieder neu gestartet werden.

 Update mit SW-Version wiffi_pump_08:

Mit der aktuellen  Firmware-Version wurde die Anzeige auf den Webseiten verbessert. Das betrifft ausdrücklich nicht die Funktion sondern die optische Präsentation der Einstellseiten. Zusätzlich sind die Einstellseiten jetzt bei bereits im Heimnetz eingeloggten Modulen unter der vom Router vergebenen  IP-Adresse im Heimnetz auch sichtbar und administrierbar. Die folgenden Bilder zeigen sowohl den Normalmodus als auch den Expertenmodus. Umgeschaltet wird einfach durch Anklicken des Textbuttons:

Um also beispielsweise im Expertenmodus die Ansprechempfindlichkeit des Temperatursensors( delta_temp_NTC)  zu verändern , gibt man (mit der WIFFI-IP_Adresse) ein:

http://192.168.178.66/?param:1:12:  Größere Werte machen die Ansprechempfindlichkeit geringer, kleinere Wert entsprechend größer!

Diese beiden Webseiten sind also sowohl in der Funktion als Hotspot unter der IP 192.168.4.1 (Seite gelb eingefärbt) als auch (im eingeloggten Zustand und blau eingefärbt !) unter der vom Router für den WIFFI-pump vergebenen IP-Adresse sichtbar. Zusätzlich kann man mit den Buttons EIN AUS  die Zirkulationspumpe manuell ein und ausschalten. Damit eröffnen sich zukünftig Möglichkeiten, per Smartphone-App o.ä. das WIFFI-Modul zu bedienen.

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.