Heizungsmischer

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Last updated: 17.11 2020 by THXVersion comment
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Der Heizungsmischer wird in der Regel verwendet, wenn die Energiequelle (z.B. Gasheizung) die Wärme nicht direkt an die Abnehmer (z.B. Fußbodenheizung) übergibt, sondern über einen Puffer die Wärme bezogen wird. Der (physikalische) Mischer ist dafür verantwortlich, die gewünschte Vorlauftemperatur bereitzustellen. Er mischt dazu das heiße Wasser mit dem eigenen Rücklauf im richtigen Verhältnis. Der Heizungsmischer-Baustein ist für die Ausregelung des Mischers zuständig.

Am Eingang T wird dazu die gewünschte Vorlauftemperatur angeschlossen. Diese kommt vom Baustein Intelligente Temperatursteuerung, welche die SOLL-Vorlauftemperatur insbesondere aufgrund der Außentemperatur berechnet.

Am Eingang AI wird die aktuell gemessene Vorlauftemperatur angeschlossen. Der Fühler wird am Zulauf zum Heizkreisverteiler, nach Mischer und Pumpe, platziert.

Um den Mischer zu bewegen, kann entweder ein Mischer mit 0-10V Eingang verwendet werden (Anschluss AQ), oder ein Mischer mit einer AUF- und einer ZU-Leitung. Diese werden dann an Qo ("open") und Qc ("close") angeschlossen. 

Bei den Parametern ist die Mischerlaufzeit R einzustellen, sowie die Abtastzeit des Reglers S. 

Die komplexeste Einstellung sind die Regler-Parameter. Loxone hat den Heizungsmischer-Baustein als PI-Regler implementiert. Dafür ist der Proportional-Anteil (Kp%) sowie der Integral-Anteil (Ki%) zu konfigurieren. Der P-Anteil regelt immer proportional zur Abweichung dagegen, um den Zielwert zu erreichen. Der I-Anteil summiert Regelabweichungen auf, er ist damit "lernfähig". Mit den beiden Parametern stellt man ein, wie stark der Einfluss dieser Anteile auf die Regelwirkung sind.  

Heizungsmischer richtig einstellen

Dieses Beispiel basiert auf einer Fußbodenheizung. Im Großen und Ganzen kann das auch für Radiatorheizungen verwendet werden. Bei Fußbodenheizungen müssen mehr Aspekte berücksichtigt werden.

Bei allen folgenden Tests immer vorher "Im Miniserver speichern"! Mit der LiveView können die Werte beobachtet werden.

Grundverbindungen erstellen

  • T (Solltemperatur) von der ITS

  • AI (Temperatur) vom Vorlauffühler

  • Qo und Qc, bzw. AQ für die Mischeransteuerung

Kontrolliere die Richtung der Fahrt! 

Mischerlaufzeit R einstellen

  • R (Mischerlaufzeit in Sekunden)

Für die Verwendung von Qo und Qc wird die Laufzeit des Mischers benötigt. Die Ansteuerung der Auslenkung wird vom Baustein über die Laufzeit berechnet.

Die Zeit entweder aus der Dokumentation des Mischers entnehmen, oder ausmessen:

  • Pumpe aus!

  • Erstmal die Laufzeit R auf einen hohen Wert stellen (z.B. 150 Sekunden)

  • Einen Virtuellen Eingang (VI = Virtual Input) erstellen

    • Visualisierung verwenden

    • Als Digitaleingang = Nein

    • Minimal/Maximal-Wert 0 / 100

  • Den VI gleichzeitig an Max und Min des Mischerbausteins anschließen

  • Beim Restart des Miniservers fährt der Mischer immer in die 0-Stellung - dies abwarten.

  • Dann den Schieber auf 100% schieben - Der Mischer fährt erst bei der nächsten Abtastzeit los.

  • Die Zeit stoppen.

  • Wenn der Mischer stehen bleibt, bevor die volle Auslenkung erreicht ist, dann musst du R höher stellen.

Abtastzeit S einstellen

Die Abtastzeit bestimmt, in welchem Intervall der Regler die Temperatur übernimmt und eine Mischerfahrt durchführt. Wichtig ist, zum Zeitpunkt des nächsten Intervalls eine vorherige Mischeränderung bereits beim Temperaturfühler angekommen ist. 

Einflüsse auf die minimale Abtastzeit:

  • Die Aktualisierungshäufigkeit der Temperatur AI: Wenn dort z.B. ein 1-Wire Fühler angeschlossen ist, sollte dieser zumindest doppelt so häufig abgefragt werden wie die Abtastzeit S.

  • Die Pumpengeschwindigkeit: Je energiesparender die Pumpe eingestellt ist (weniger Leistung für weniger Stromverbrauch), desto langsamer wird das Wasser zum Fühler transportiert.

  • Die Öffnung der Thermostatventile: Je geringer durch die Thermostatventile der Durchlauf ist, desto langsamer kommt das Wasser zum Fühler.

  • Die Entfernung des Temperaturfühlers vom Mischer

  • Die physikalische Übertragungsgeschwindigkeit des Mediums auf den Fühler (z.B. liegt ein Anlegefühler an einem Kunststoffrohr, dauert die Übertragung länger als an einem Metallrohr.

Grundsätzlich ist das Ziel, eine möglichst lange Abtastzeit zu haben, jedoch ausreichend schnell die Zieltemperatur zu erreichen. Je länger die Abtastzeit ist, desto weniger Mischerbewegungen und Relais-Schaltzyklen gibt es (Beispiel: Heizperiode 6 Monate, Pumpenlaufzeit durchschnittlich 18 Stunden pro Tag, ergibt bei einer Abtastzeit von 60 Sekunden potentiell 194.000 Mischerbewegungen und Relais-Schaltzyklen im Jahr! Bei 120 Sekunden nur die Hälfte!). 

Ist die Abtastzeit zu kurz eingestellt, wird das zu unkontrollierbarem Schwingen des Regelkreises führen. 

Minimale Abtastzeit ermitteln

  • Dein Puffer ist auf Temperatur (um eine Temperaturänderung feststellen zu können)

  • Der VI von oben ist eingerichtet und auf 0%

  • Mindestens ein Ventil des Kreises ist offen.

  • Leg dir einen Schalter in Loxone Config an, um die Pumpe manuell ein- und ausschalten zu können.

  • Speichere in den Miniserver - der Mischer fährt nun auf 0%

  • Schalte die Pumpe ein und beobachte die Vorlauftemperatur

  • Nach zwei bis drei Minuten wird sich eine konstante Vorlauftemperatur eingeregelt haben

  • Nun stelle im Mischer-VI auf 25% - der Mischer fährt beim nächsten Abtastzyklus los

    • Wähle einen sicheren Prozentwert! Nicht auf 100% stellen und damit die Fußbodenheizung mit 80°C beschicken!

  • Sobald sich der Mischer bewegt, starte die Zeitmessung

  • Beobachte die Temperaturänderung am Vorlauf - es sollte schön langsam eine Änderung erkennbar sein

  • Wenn diese Änderung deutlich nachlässt (also potentiell die Mischeränderung am Fühler angekommen ist), beende die Zeitmessung.

Das muss nicht auf die Sekunde genau sein. Es liefert einen Anhaltspunkt für die minimale Abtastzeit. 

Fürs weitere Testen kannst du 1 Minute einstellen, für den Live-Betrieb ist ein guter Wert für die Abtastzeit sind 2 bis 3 Minuten. Sowohl für Tests als auch "Live" mindestens die oben ermittelte Zeit.

Intelligente Temperatursteuerung: Pumpe (Qp) anschließen und Einschaltschwelle (Str) einstellen

In der Intelligenten Temperatursteuerung folgendes durchführen:

  • Die Umwälzpumpe an den Ausgang Pumpe/Mischerfreigabe Qp anschließen

  • Die Einschaltschwelle (Str) anpassen

Die Einschaltschwelle gibt an, wie viel mindestens ein Thermostatventil der Heizkreise geöffnet sein muss, damit die ITS die Pumpe freigibt. Meine Empfehlung für Str ist 30% (Standard: 20%). 

Wenn kein einziges Ventil weit genug geöffnet ist, dass ein Durchfluss entstehen kann (oder der Durchfluss sehr gering ist), drückt die Pumpe ins "Nichts", außerdem erreicht das Wasser den Temperaturfühler sehr spät → Unkontrollierbares Schwingen des Heizungsmischer-Reglers.

Sicherheitsbegrenzung (insbesondere Fußbodenheizung)

Die Komponenten nach dem Mischer haben in der Regel eine oder zwei Temperaturlimits (maximale Betriebstemperatur, kurzzeitig maximale Betriebstemperatur). Das betrifft insbesondere die Fußbodenheizungsrohre, aber ggf. auch den Heizkreisverteiler und in weiterer Folge auch den Estrich und den Bodenbelag.

(Beispiel meiner FBH-Rohre)

Diese Temperaturen sollten niemals überschritten werden. Wenn das Heizsystem (z.B. Holz- oder Solarpuffer) diese Temperaturen überschreiten können, sollte man einen Sicherheitsmechanismus einbauen, der eine außerordentliche Überschreitung verhindert.

Zusätzlich zu der nachfolgend beschriebenen Softwarelösung, kann es sinnvoll sein, ein Anlegethermostat (Temperaturbegrenzer) in die Zuleitung der Heizkreispumpe "einzuschleifen". Der Anlegethermostat wird nach dem Vorlaufmischer an das (Vorlauf-)Rohr angebracht, wird eine einstellbare Temperatur überschritten, unterbricht er die Stromversorgung der Heizkreispumpe um Anlageschäden zu vermeiden.

Potentielle Ereignisse, die zu einer Überschreitung führen könnten:

  • Anlauf-Schwingen - Wenn der Kreis gerade gestartet wurde, "weiß" der Mischer noch nichts über das Systemverhalten (schlechte Parameter für Kp% und Ki%)

  • Generelles Schwingen des Heizungsmischers (schlechte Parameter für Kp% und Ki%)

  • Enorm schneller Anstieg der Zulauf-Temperatur (Mischer regelt langsamer zu als Wärme zugeführt wird)

  • Mischer steckt oder Relais-Ausgänge kaputt/verklebt, oder kein Strom am Mischer

  • Temperaturfühler kaputt (wobei in diesem Fall nicht feststellbar ist, dass die Temperatur überschritten wurde)

Weil die Sicherheitsbegrenzungen auch immer eine Zeit dauern, bis sie wirksam werden, sollte man die eigenen Limits entsprechend niedriger ansetzen. 

In meinem System habe ich dafür eine mehrstufige Sicherheitsbegrenzung eingebaut. Am besten können mehrere Bedingungen in einem Statusbaustein kombiniert werden.

Für die oben gezeigten Rohre (t 60°C, tmax 70°C) habe ich mir folgende eigene Limits gesetzt: Einflussnahme auf die Komponenten bei über 48°C, und Notabschaltung bei über 58°C.

Begrenzung des Heizungsmischer-Bausteins am Max-Eingang

Im Grunde prüfe ich in einem Statusbaustein folgende Bedingungen - die Ausgabe ist ein %-Wert für den Max-Eingang des Heizungsmischers:

  • Vorlauftemperatur > Sicherheitstemperatur 48° → Mischer auf 20%

  • Formel für maximalen Mischer-Ausschlag im Betrieb (siehe unten) → Mischer auf diesen Wert der Formel

  • Wenn Pumpe nicht aktiv ist ( = OG Raumwärmebedarf=0) → Mischer auf 0%



Mit dieser Formel berechne ich eine prozentuelle, maximale Auslenkung des Mischers (Max-Eingang):

Formel: (I2/I1)*100+10

Sicherheitstemperatur (48 Grad) dividiert durch die Temperatur von Puffer-Zone 1 (der Zulauf zum Mischer) in Prozent (mal 100), und dazu 10% Reserve.

Die Formel ist eine Annäherung! Sie verhindert nicht gänzlich, dass die Sicherheitstemperatur überschritten wird. 

Deaktivieren der Pumpe bei Vorlauf-Überschreitung

Nicht auf den Bildern ist eine zweite Sicherheitsschaltung:

Wenn die Vorlauftemperatur des Mischers meine zweite Sicherheitstemperatur 58°C überschreitet, wird die Heizkreispumpe abgeschaltet.

Reglereinstellung Kp% und Ki%

Wer sich das antun will, kann sich die trockene Materie des PI-Reglers in der Wikipedia durchlesen: https://de.wikipedia.org/wiki/Regler

Die Reglereinstellung ist von so vielen Faktoren im Heizsystem abhängig, dass es kein absolutes "Rcichtig" oder "Falsch" gibt. Da diese Aussage aber nciemandem weiterhilft, habe ich hier ein paar Konfigurationen getestet und dargestellt.

Je nach Konfiguration kann es zu folgenden Situationen kommen:

  • Der Regler ist langsam, aber passt sich ohne Schwingen der Soll-Temperatur an.

  • Der Regler ist schnell, schwingt aber in der Startphase deutlich über, und pendelt sich irgendwann ein

  • Der Regler schwingt heftig und regelt sie nie ein.

Ein leichtes Pendeln (unter +/- 1 Grad) in der normalen Heizphase ist gerade noch akzeptabel, wenn man keine bessere Einstellung findet. Meine Mischer haben im Normalbetrieb eine Abweichung +/- 0,2°C, was normal ist, da sich das Umfeld ständig ändert (Wärme des Zulaufs steigt oder sinkt, Rücklauf des Heizkreises steigt, die Soll-Temperatur ändert sich kontinuierlich, der Durchsatz ändert sich durch öffnende und schließende Ventile...).

Bevor du die Tests startest

Die Einstellung ist eine Prozedur. Nimm dir mehrere Stunden Zeit, oder korrigiere deine Settings zwischendurch immer wieder.

  • Stelle sicher, dass während der Tests mindestens ein Stellventil offen ist. Wenn du die ITS wie oben entsprechend konfiguriert hast, schaltet die Pumpe erst entsprechend ein.

  • Mach dir für Kp% und Ki% virtuelle Eingänge als Schieberegler für die Visu, damit du den Miniserver nicht ständig neu starten musst. Wertebereich 0 bis 2, Schrittweite 0,001, DREI Kommastellen.

  • Lass dir die Vorlauftemperatur in der Visu anzeigen und aktiviere die Statistik (vorübergehend auf "JEDE Änderung (maximal ein Wert pro Minute")

  • Lass dir den AQ des Mischers (0 bis 10) in der Visu anzeigen (z.B. mit dem Baustein "Virtueller Status") und aktiviere die Statistik mit "JEDE Änderung (maximal ein Wert pro Minute".

Nur so kannst du sinnvoll beobachten, was dein Mischer macht.

Kennlinien aus meinem System (alles mit Fußbodenheizung)

Die Abtastzeit ist bei allen Beispielen 180 Sekunden, d.h. es erfolgt nur alle drei Minuten eine Mischerfahrt.

Loxone Standard-Konfiguration des Mischerbausteins

  • Kp: 2

  • Ki: 0,033

Wie zu sehen ist, ist die Standardkonfiguration von Loxone wahrscheinlich für Fußbodenheizungen nicht zu gebrauchen. Die Regelstellung (rot) schwankt stark zwischen 2 und 7, und die Vorlauftemperatur (grün) schaukelt sich sogar auf - beim dritten Ausschlag sind das bereits 36°C statt der angeforderten 28°C (orange). 

  • Nach 12 Intervallen (= 12 rote Punkte) wurden 3x das Soll überschritten mit einem Delta von +8°C.

"Optimierte" Konfiguration 

  • Kp: 0,5

  • Ki: 0,033

Bei diesem Setup ist der Proportionalanteil geviertelt (0,5 statt 2), d.h. die Abweichung des Reglers wird nur mit einem geringeren Gegensteuern korrigiert.

  • Das maximale Überschwingen bei der ersten Welle beträgt hier nur noch +4°C.

  • Nach 8 Intervallen (= 8 roten Punkten) ist praktisch die Soll-Temperatur erreicht.

Mein "Produktiv-Setup" im Untergeschoss

  • Kp: 0,3

  • Ki: 0,01

Der Proportionanteil ist noch etwas geringer, d.h. das Nachregeln ist nochmals "entschleunigt". Auch der Integralanteil ist kleiner (0,01 statt 0,033). Das macht die Regelung "pessimistisch"bzw. sehr langsam, aber gegen Überschwingen sicher.

  • Es gibt überhaupt kein Überschwingen mehr. Der Vorlauf sinkt durch das lange Beimischen des Rücklauf anfangs sogar ab.

  • Nach 11 Intervallen (= 11 roten Punkten) ist die Soll-Temperatur auf unter 1°C Delta erreicht.

  • Beim 12. Intervall ist die Soll-Temperatur fast exakt erreicht.

Die Regelung ist sehr langsam (in meinem Setup sind 11 Intervalle 33 Minuten), jedoch wird ja auch vorher schon - nur weniger - Heißwasser beigemischt. Diese vorsichtige Phase wirkt sich hauptsächlich derart stark aus, wenn die Heizung gerade startet, oder es ungewöhnlich große Änderungen bei den Temperaturen gibt. Läuft die Heizung jedoch, sind die Abweichungen so minimal, dass Stell-Intervalle des Mischers komplett entfallen (weil sich der Stellwert nicht ändert).

Letzter Schritt: Aufräumen!

  • Ggf. die Werte fest in die Bausteine übernehmen, wenn das vorher VIs waren.

  • Alle temporären, virtuellen Ein- und Ausgänge, Taster usw. entfernen.

  • Insbesondere Statistiken wieder deaktivieren, oder auf ein geringeres Intervall stellen

Trivia

Spielt euer Kind auch immer mit dem Heizungsmischer rum?