Messsystem der Wärmepumpenanlage

Sensor zur Temperaturmessung der Erdsonde vor ...

... und nach dem Einbau in ein Schutzrohr

Pufferspeicher bestückt mit Temperatursensoren (ls). Die Sensoren sind auf die Aussenwand geklebt, Wärmeleitpaste sorgt für guten thermischen Kontakt (rt-o) und ein Stück Alufolie sorgt für gleiche Temperatur auf der Sensorrückseite (rt-u)

Die Effizienz der Wärmepumpe wird mit diversen Sensoren überwacht. Bei diesem Messsystem handelt es sich um eine Eigenkonstruktion.

Die Temperaturen im Heizsystem, der Erdsonde und deren Zuleitung sowie die abgegebene Wärme der Pumpe und der Verbrauch der einzelnen Verbraucher (Wärmepumpe und Umwälzpumpen) werden alle 30 s gemessen und aufgezeichnet.

Temperaturmessung

Das Heizsystem ist mit 16 Temperatursensoren, die Erdsonde und die Zuleitung je mit 7 Sensoren bestückt. Als Sensoren kommen NTC Widerstände mit einer Genauigkeit von 0.2°C zum Einsatz.

Die Position der einzelnen Fühler im Heizsystem kann nachfolgender Grafik entnommen werden. Die Temperaturen der beiden Speicher werden auf unterschiedlicher Höhe erfasst. Die Fühler sind an der Aussenwand unter der Isolation fixiert. Das führt zu einer leichten Trägheit gegenüber der Direktmessung im Fluid. In der Praxis ist dieser Effekt jedoch bei einem Messintervall von 30 s kaum ersichtlich. Weitere Fühler sind im Vor- und Rücklauf der Wärmepumpe und der Soleleitung, des Vorlaufs des Heizkreises jeweils vor und nach dem Mischer sowie dessen Rücklauf angeordnet. Zudem wird die Temperatur des abgegebenen und in den Wassererwärmer nachfliessenden Trinkwassers gemessen. Die Temperaturmessung des Wärmepumpen Rücklaufs erfolgt in einer Tauchhülse, der Rest am Rohr angelegt unter der Isolation.

Die Temperatur im Erdboden um die Sonde wird in 7 verschiedenen Tiefen gemessen: 2 m, 13 m, 25 m, 38 m, 50 m, 70 m und 100 m. Es werden die selben Sensoren wie für das Heizsystem verwendet, die jedoch druckresistent gemacht wurden. In einer Tiefe von 100 m können Drücke um die 10 bar oder mehr auftreten. Die Sensoren wurden in einem Kabelschutzrohr eingebaut und mit der Sonde zusammen in die Tiefe gelassen. Daher ist die exakte Position im Bohrloch nicht bekannt. Aus dem Grund können bei einzelnen Sensoren stärkere Temperaturschwankungen gemessen werden als bei anderen beim Betrieb der Sonde. Das lässt darauf schliessen, dass erstere näher beim Sondenrohr platziert sind als letztere. Allerdings ist in tieferen Schichten aufgrund einer höheren Temperaturdifferenz zwischen ungestörtem Erdreich und Sole auch eine stärkere Schwankung zu erwarten.
Nach dem Einbau der Sensoren stellte sich heraus, dass nur 2 der 7 korrekt funktionierten, jene in 70 und 2 m Tiefe. Die Sensoren in 25, 38 und 100 m Tiefe liefern zu tiefe Temperaturen, zeigen jedoch einen plausiblen Verlauf. Daher werden diese trotzdem angezeigt, allerdings mit einem konstanten Offset beim Widerstand beaufschlagt um die Werte in den erwarteten Bereich zu verschieben. Es ist möglich, dass beim Einbau eine Verbindung leicht beschädigt wurde, so dass der Widerstand der Leitung zunahm. Jener in 38 m Tiefe zeigt scheinbar auch einen plausiblen Verlauf. Jedoch scheint sich dessen Offset gegenüber den anderen Sensoren gegen Winter hin zu vergrössern (zu höheren Temperaturen). Es ist unklar, ob dies auf einen veränderlichen Widerstand in der Leitung oder tatsächlich konstante Durchschnittstemperaturen in dieser Bodenschicht zurückzuführen ist (evtl. Grundwasserfluss). Die Beantwortung dieser Frage kann erst Ende Heizsaison erfolgen. Daher werden dessen Werte nicht korrigiert.  Die restlichen Sensoren liefern komplett falsche Messungen (um die 100 bzw. -30 °C) mit starken Schwankungen über längere Zeit.

Ursprünglich sollte die Sonde bis in eine Tiefe von 230m mit 16 Sensoren bestückt werden, was jedoch aus terminlichen Gründen nicht ging. Daher wurden die übrig gebliebenen Sensoren im Erdboden um die Zuleitung zum Haus angeordnet um deren Einfluss auf das umgebende Erdreich zu untersuchen. Sie sind in einer Tiefe von 25, 50, 75, 100 und 120 cm auf der Vertikalen, die zwischen den Rohren durch geht, angeordnet. Der 100 cm Sensor liegt zwischen den beiden Rohren im Sandbett. In dieser Tiefe sind zwei zusätzliche Sensoren vergraben, 5 bzw. 25 cm neben dem Vorlauf.

Die Aussentemperatur auf 2 m und 5 cm über Boden und die restlichen meteorologischen Daten werden mit einer semi-professionellen Wetterstation aufgezeichnet, einer Davis Vantage Pro 2 Plus. Die Innentemperatur im Wohnbereich wird über die Konsole der Station ermittelt und ist nicht sehr genau. Diese steht zudem in einem eher kleinen Zimmer an der Südseite des Hauses, das sich bei Sonnenschein oder Nutzung des PC rasch erwärmt. Die Innentemperatur widerspiegelt daher nur ungefähr die echten Verhältnisse im Wohnbereich.

Messsystem mit Temperatursensoren und Leistungsmesser

Hauptplatine der Messschaltung mit Mikrokontroller, Ethernet-Kontroller und einer Menge Kabel zu den Temperatursensoren und der Wärmepumpe

Platine zur Energieversorgung der Schaltung und Leistungsmessung Drehstrom (ls) und der einzelnen Pumpen (Spulen unten) eingebaut in der Wärmepumpe

Wärmemessung

Die von der Wärmepumpe abgegebene Wärmemenge wird durch die beiden Temperatursensoren am Vor- und Rücklauf und einem Durchflussmesser im Vorlauf der Pumpe gemessen. Der Durchflussmesser war bis am 9.3.2008 1200h ein Mehrstrahl- Flügelradzähler und setzte pro 10 l einen Impuls ab. Das ergab 1-2 Impulse pro Messung. Daher schwankten die Momentanwerte der Wärmeleistung und Arbeitszahl stark, je nachdem ob 1 oder 2 Impulse gemessen wurden. Bei den Durchschnittswerten gleicht sich das jedoch aus. Neu ist ein Ultraschall Durchflussmesser im Einsatz. Dieser setzt pro Liter 50 Impulse ab und hat einen wesentlich geringeren Durchflusswiderstand als der Flügelrad Durchflussmesser. Ausserdem rattert er nicht mehr. Die Wärmemenge wird im Mikrokontroller der Hauptplatine berechnet.

Die Genauigkeit der Temperatur Differenzmessung liegt theoretisch bei 0.4°C, nach der Kalibrierung bei 0.1°C, die des Volumenstromzählers nach Datenblatt bei 2%. Dies ergibt eine Genauigkeit der Wärmemessung im mittleren Betriebspunkt von theoretisch rund 3%. Die Platzierung des Vorlauffühlers als Anlegefühler ist nicht optimal, so dass dieser tendenziell zu tiefe Werte und etwas verzögert misst. Der Rücklauffühler liegt in einer Tauchhülse. Daher ist die gemessene Temperaturdifferenz und damit die Wärmeleistung und Arbeitszahl eher zu gering.
Mit dem alten Durchflussmesser war die gemessene Wärmeleistung  jedoch 14-17% zu tief gegenüber dem Datenblatt der Wärmepumpe. Berechnungen der Rohrleitung haben ergeben, dass ein knapp 20% höherer Durchfluss als gemessen vorhanden sein sollte. Wäre der vom Durchflussmesser gemessene Durchfluss tatsächlich vorhanden, musste der Durchflusswiderstand 70% höher sein als berechnet. Da dies sehr unwahrscheinlich ist, kann darauf geschlossen werden, dass der Durchflussmesser deutlich zu wenig Durchfluss misst.
Der neue Ultraschall Volumenstromgeber misst tatsächlich einen 7% höheren Durchfluss als der alte Zähler (andere Rohrnetzkennlinie berücksichtigt durch abweichenden Druckverlust im Volumenstromgeber). Es bleibt jedoch noch immer eine Differenz von rund 10% zur Wärmeleistung der Wärmepumpe gemäss Datenblatt.

Leistungsmessung

Die elektrische gesamt Verbrauchsleistung wird über den offiziellen, amtlich geeichten Energiezähler gemessen an dem ausschliesslich die Wärmepumpenanlage mit allen Verbrauchern angeschlossen ist. Die Leistung wird über dessen optischen Impulsausgang ermittelt der 1 Impuls pro verbrauchter Wh liefert.

Um die elektrische Leistung auf die einzelnen Verbraucher aufzuschlüsseln werden selbst entwickelte Wattmeter verwendet. Diese laufen noch nicht zufriedenstellend, daher sind deren Daten noch nicht verfügbar. Zudem hat wahrscheinlich eine Spannungsspitze beim Umschalten vom Heiz- in den Warmwasserbetrieb einen Trafo zur Spannungsmessung zerstört.

Die Platine mit den Wattmetern diente auch der Energieversorgung der Messschaltung, wird jedoch zeit dem Trafo Ausfall extern gespiesen.

Hauptplatine

Auf der Hauptplatine sitzt die Schaltung zur Temperaturmessung, der Mikrokontroller und der Kontroller für die Ethernet Schnittstelle.

Daten Aufzeichnung

Die Daten werden von einem Server alle 30 s via Ethernet von der Hardware ausgelesen. Dabei wird jeweils eine Messung gestartet. Die Messung wird momentan noch vom Server initiiert. Später wird die Messhardware selbständig Messungen vornehmen, damit auch beim Ausfall des Servers die Messungen weiterlaufen. Dies ist jedoch aus Zeitgründen noch nicht implementiert.