Zirkulationspumpen-Steuerung
Warum dies?
Hauptsächlich aus Komfort-Gründen wird in vielen Einfamilienhäusern in der Warmwasser-Versorgung eine Zirkulationspumpe eingesetzt. Dadurch wird gewährleistet, dass das Warmwasser jederzeit bis unmittelbar vor der Entnahmestelle (Wasserhahn) ansteht und bei der Entnahme von Warmwasser nicht erst einige Liter kaltes Wasser weglaufen, bevor Warmwasser aus dem Hahn läuft.In diesen Systemen kommt eine Zirkulationspumpe zum Einsatz, die in einer Ringleitung permanent Warmwasser zurück zum Warmwasserspeicher transportiert.
Soweit, so gut. Was mich an dieser Lösung schon immer gestört hat ist die Tatsache, dass die Zirkulationspumpe quasi rund um die Uhr läuft - auch, wenn schon längst alle Entnahmestellen mit heißem Wasser versorgt sind. Das führt -auch wenn die Zirkulationspumpen mit ca. 20-30 W Leistungsaufnahme nicht gerade zu den Stromfressern gehören- zu jährlichen Stromkosten von einigen zig EURO.
Eine Verbesserung der Situation lässt sich bereits simpel durch die Abschaltung der Zirkulation in den Nachtstunden durch eine Zeitschaltuhr erreichen, damit wird in der übrigen Zeit aber immer noch Warmwasser befördert, auch wenn die Zirkulationsleitung bereits vollständig mit heißem Wasser gespült ist.
Die hier beschriebene Schaltung geht daher einen Schritt weiter - Vollständige Abschaltung der Zirkulationspumpe in vordefinierten Zeiten (i.d.R. Nachts) und während der übrigen Zeit Messung der Temperatur in der Rücklaufleitung, um die Pumpe nur dann einzuschalten, wenn die Temperatur unter einen eingestellten Schwellwert sinkt.
In meiner Heizungsanlage (Einfamilienhaus) lassen sich dadurch jährlich Stromkosten von ca. 30 EUR gegenüber der Standard-Lösung mit Zeitschaltuhr einsparen (Strompreise 2012) - die Schaltung hat sich also in weniger als einem Jahr amortisiert. Wenn Sie heute noch eine Zirkulationspumpe gänzlich ohne Zeitschaltuhr einsetzen sind die Einspar-Effekte noch größer.
In Zeiten stetig steigender Strompreise also eine durchaus sinnvolle Investition.
Das System
Die Schaltung arbeitet ohne Eingriff in die vorhandene Zirkulationsanlage und ist als Zwischenstecker-Lösung für die 230V-Versorgung der Zirkulationspumpe vorgesehen.Die Schaltung ist also einfach in die Leitung der Zirkulationspumpe einzuschleifen und der Temperatur-Fühler kurz vor der Zirkulationspumpe (Saugseite) an der Zirkulationsleitung zu befestigen.
Die Schaltung selber basiert auf einem Mikrocontroller der Fa. Microchip, PIC16F690, und bekommt Unterstützung von einer Echtzeituhr DS1307.
Als Anzeige dient ein 4-stelliges LED-Display, das aus 7-Segment-Anzeigen besteht. Die Benutzereingaben zur Konfiguration erfolgen über drei Kurzhubtaster.
Der Controller übernimmt die Aufgaben
- Display-Ansteuerung im Multiplex-Betrieb (d.h. die Stellen werden nacheinander angesteuert und das so schnell, dass das Auge dies als permanentes Leuchten sieht)
- Auslesen der Real Time Clock (RTC) über eine per
Software-emulierte I2C Schnittstelle
- Benutzer-Interaktion durch Auswerten der Schalter
- Temperaturmessung durch externen Temperatur-Sensor
- Schalten der Pumpe über ein Relais
Innerhalb dieser Zeit misst die Schaltung alle 10 Sekunden die Temperatur am Rücklauf der Zirkulationsleitung. Sinkt die Temperatur unter den eingestellten Temperatur-Wert minus 5° (Hysterese), dann schaltet die Pumpe ein. Erreicht die Temperatur die eingestellte Solltemperatur, wird die Pumpe wieder abgeschaltet.
Die RTC wird in der Schaltung über einen Goldcap mit einer Kapazität von 0,1F gepuffert. Das reicht aus, um die Uhrzeit über einige Tage zu halten. Kurzzeitige Stromausfälle haben also keine Beeinträchtigung der Funktion zur Folge.
Die Voreinstellungen wie Start- und Endezeit sowie Temperatur werden im internen EEPROM des Controllers gespeichert und stehen daher permanent zur Verfügung.
Die Schaltung ist als Sandwich auf zwei Platinen -Anzeige & Tastatur sowie der ganze Rest- geplant. Die Platinen sind so bemessen, dass sie in ein Bopla Steckergehäuse vom Typ SE432 passen. Andere Gehäuse sind sicher auch möglich. Die beiden Platinen sind via Flachbandkabel miteinander verbunden (siehe Bilder). Im Prototypen kommt dazu eine einreihige Pfostenstecker-Verbindung zum Einsatz. Wer Geld sparen will kann die natürlich auch weglassen.
Im Prototypen habe ich als Anschluss für den Temperatursensor eine normale Chinchbuchse vorgesehen. Hier ist jedoch jede andere Steckverbindung, die ins Gehäuse passt, möglich. Eine Abschirmung durch Verwendung eines abgeschirmten Kabels ist jedoch zu empfehlen.
Anmerkungen zum Layout:
- Sofern der ICSP-Anschluss zur In-Circuit-Programmierung bestückt (und benutzt) werden soll, müssen auf der Unterseite der Platine Kabelverbindungen zwischen Pin 4 der ICSP Buchse und PIN 19 des Controllers sowie von Pin 5 der Buchse und Pin 18 des Controllers hergestellt weden, hierfür war auf der einseitigen Platine kein Platz mehr.
- Auch auf der Displayplatine war der Platz zu knapp bemessen. Hier ist auf der Platine eine Kabelverbindung zwischen den Pins 10 der ersten und vierten Displaystelle herzustellen.
- Bitte vor der Bestückung der Bauteile unbedingt die Brücken
(siehe Bestückungsplan) einlöten. Zum Teil befinden sich die Brücken
unter den Bauteilen.
Nach ein paar Jahren des problemlosen Betriebes wurde bei uns eine neue Zirkulationspumpe fällig. Kurz nach deren Inbetriebnahme häuften sich die Probleme mit dieser Steuerung - derart, dass die Uhr sporadisch stehenblieb. Als Ursache konnte ich eine Rückwirkung der neuen Pumpe auf die RTC ausmachen, vermutlich bedingt durch Störungen beim Abschalten des induktiven Pumpenmotors. Um das abzustellen habe ich das Gehäse des Uhrenquarz auf Masse gelegt (kurzes Kabel anlöten und an die nächste Massefläche anlöten) und ein Snubber-Netzwerk parallel zu der Last eingefügt. Entsprechende Kommentierung ist nun auch in dem überarbeiteten Schaltplan enthalten.
Hier ein paar unkommentierte Bilder der Elektronik - Klick auf die Miniatur öffnet größere Ansicht.
Temperatur-Sensor
Als
Temperatur-Sensor kommt ein preiswerter Halbleiter-Sensor vom Typ
KTY81-110 zum Einsatz. Dieser wird über ein abgeschirmtes Kabel an die
Schaltung angeschlossen. Die Anschlüsse sollten am Sensor durch
Schrumpfschlauch gegen Kurzschlüsse gesichert werden. Gut geeignet zur
Befestigung an der Warmwasser-Leitung sind Kabelbinder, wie im Foto zu
sehen. Nach der Montage sollte die Wärmeisolierung des Rohrs wieder
ordnungsgemäß angebracht werden.Software
Das Gerät kommt mit einem überschaubaren Benutzerinterface daher. Eine 4-stellige LED Anzeige und nur drei Tasten müssen reichen:
Im Standard-Zustand wird im Display die aktuelle Uhrzeit dargestellt. Die Status-LED (im Bild links unten sichtbar) leuchtet, wenn die Pumpe eingeschaltet ist, die Schuko Steckdose also mit Strom versorgt wird.
Die Tastenbelegung selber ist trivial.
OK/Menu verzweigt aus der Standardansicht in das Menu oder bestätigt einen Menupunkt.
< und > wechseln im Menu zwischen den Menupunkten (siehe unten) oder verändern innerhalb der Menupunkte die Werte.
Wird die linke Taste °C während der Standard-Anzeige (also der Uhrzeit) gedrückt, wird für ein paar Sekunden die aktuell gemessene Temperatur angezeigt und dann wieder zur Uhrzeitanzeige gewechselt.
Menüstruktur
Dieser
Menüpunkt steht für "ready" und dient einzig und allein dazu, das Menu
wieder über "OK" zu verlassen. 
Diese
Abkürzung steht für "Start" und dient zum Einstellen der Startzeit.
"<" erhöht die Stunden, ">" erhöht die Minuten. "OK" speichert
die Einstellung
Hier wird
ebenso wie bei "Start" die Endezeit eingestellt.
Dieser
Menupunkt dient zum Stellen der Real-Time Clock. Aufgrund der
Limitierung des 7-Segment-Displays wird das "m" in "time"als "n"
dargestellt. "OK" sichert die neue Uhrzeit permanent in der RTC.
Dieser
Menüpunkt heiß so viel wie "temp" und dient zur Einstellung der
Temperatur, ab deren die Zirkulationspumpe abgeschaltet wird. Der
Einschaltzeitpunkt ist in der Software fest auf 5° unter diesem Wert
eingestellt. Werte zwischen 20°C und 70°C sind möglich.Sonstiges - was noch zu erwähnen ist
Warmwasser-Verteilnetze können unter Umständen eine willkommene
Brutstätte für sogenannte Legionellen
sein. (externer Link) Legionellen sind Bakterien, die sich in Wasser
gerne bei Temperaturen zwischen 25° und 50° C vermehren und potentiell
krankheitserregend sind.Heizungsanlagen erhöhen daher -abhängig von der Art der Anlage- regelmäßig die Temperatur des Warmwasser-Speichers auf über 70°C, um die Legionellen abzutöten. Wird nun durch energiesparende Maßnahmen wie auch durch diese hier vorgestellte Schaltung die Temperatur dauerhaft auf niedrigere Temperaturen eingestellt, können sich potentiell Legionellen vermehren.
Ich habe selber mit der Schaltung bisher keine derartigen Probleme identifizieren können- vor allem wohl auch geschuldet an der Tatsache, dass die Anlage (Einfamilien-Haus) relativ klein ist und das in der Zirkulation befindliche Wasser ein kleines Volumen ausmacht. Dieses Wasser wird nach wie vor regelmäßig in den Warmwasser-Speicher gespült, in dem Temperaturen herrschen, die Legionellen jede Daseinsberechtigung entziehen.
Ich möchte jedoch darauf hinweisen, dass ich für diesbezügliche Probleme & Risiken keine Verantwortung übernehmen kann. Es wird vom Nachbauer erwartet, dass er sich diesem Sachverhalt bewusst ist.
Die Schaltung ist aus diesem Grunde daher definitiv nicht für große Installationen, bei denen sich größere Wassermengen in der Zirkulation befinden, gedacht.
Downloads
SchaltplanPlatinenlayouts und Bestückungsplan
Software (ASM und HEX)
Frontplattenentwurf
Für die Funktion der Schaltung kann ich trotz sorgfältiger Prüfung keine Gewährleistung übernehmen. Da hier mit Netzspannung umgegangen werden muss sollte nur derjenige den Nachbau angehen, der weiß, was er tut! Nachbau und Nutzung also auf eigenes Risiko!