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Die Überwachung meiner Heizungsanlage war eine meiner ersten Anwendung aus dem Umfeld 1-Wire. Schon seit einigen Jahren wird der Heiz- und der Warmwasserkreislauf protokolliert und grafisch mittels Cacti aufbereitet.

Nachdem ich Ende 2010 einen hydraulischen Abgleich meiner Heizungsanlage vornehmen ließ, konnte ich von der durchführenden Firma sehr gute Hinweise bzgl. der Optimierung erfahren. In diesem Artikel beschreibe ich den hardwareseitigen Aufbau der aktuellen Überwachung über den 1-Wire Bus.

Überwachung, alter Aufbau

Die bisher verwendete Überwachung besteht aus einem 2-adrigen Kabel an dem 4 Sensoren vom Typ DS18S20 angeschlossen sind. Die Temperatursensoren werden parasitär betrieben und sind jeweils am Vor- und Rücklauf des Heiz- und Warmwasserkreislaufs platziert. 

DS18S20Dazu habe ich damals die Sensoren direkt auf die Kupferrohre mit Sekundenkleber und einem Kabelbinder fixiert und anschließend das Rohr isoliert. Die Sensoren lese ich über mein Modul OWTEMP in FHEM alle 5 Minuten aus und speichere sie in einer Datenbank. Dadurch habe ich Daten über mehrere Jahre im Vergleich. Seinerzeit platzierte ich die Sensoren für den Warmwasserkreislauf direkt an dem Ein- bzw. Ausgang des Vor- und Rücklauf meines Brauchwasserspeichers. Die Sensoren für den Heizkreislauf waren ca. 1m nach der Therme auf dem Vor- und Rücklaufrohr positioniert. 

Alter "Bus" ;-)

Sensoren Heizkreis

Rücklauf Speicher

Als ich den hydraulischen Abgleich vornahm, bekam ich den Tip die Daten häufiger auszulesen und die Temperatursensoren besser zu positionieren. Im Laufe der Jahre habe ich mein 1-Wire Bus um mehrere Sensoren erweitert und in dem Zuge das 1-Wire Netzwerk erneuert. Als einzige Ausnahme blieb noch die alte Heizungsüberwachung.

Neue Anforderungen

Bei der Ablösung der alten Überwachung der Heizungsanlage sollten die Ratschläge der oben genannten Firma bezüglich der Messpunkte berücksichtigt werden und darüber hinaus wollte ich die Sensoren nicht mehr parasitär betreiben. 

MesspunkteDas bisher verwendete 2-adrige Kabel sollte durch ein CAT5 Ethernetkabel ausgetauscht und die Sensoren vom Typ DS18S20 sollten durch DS18B20 ersetzt werden. Die DS18B20 sollten jeweils mit einem 100nF Kondensator zwischen +5V und GND zur Stabilisierung des Busses versehen und in einer Edelstahlhülse vergossen auf den Rohren fixiert werden. Der neue Aufbau sollte nahtlos in mein neues 1-Wire Netzwerk integriert werden, was bei 1-Wire im Grunde kaum ein Problem darstellt.

Dazu sollten die Sensoren über einen selbst entwickelten 1-Wire Verteiler angeschlossen werden. Der Verteiler sollte mit einem DS2450 zur Strom- und Spannungüberwachung des 1-Wire Bus, sowie einem integriertem Temperatursensor DS18B20 ausgestattet sein. Er sollte über RJ45 (jeweils für "Eingang" und "Ausgang") an das Netzwerk angeschlossen werden und möglichst die Linear-Topologie beibehalten. Die Sensoren sollten über die dann im Verteiler geplanten RJ12 Buchsen angeschlossen werden.

Die Umsetzung

Für die eigentliche Umsetzung unternahm ich mehrere Anläufe. Die Anläufe sind einerseits immer wieder neuen Ideen zur Realisierung, sowie der meist fehlenden Zeit geschuldet. Meine Erfahrungen bei der Umsetzung möchte ich in den folgenden Abschnitten mit Interessierten teilen.

Erster Anlauf

Nach dem ich die Platine des oben beschriebenen Verteilers layoutet hatte - und das obwohl ich davon eigentlich keinen Plan habe -, verwarf ich die Idee wieder da ich kein passendes Gehäuse fand in der ich meine Schaltung halbwegs vernünftig unterbringen konnte. Außerdem rechnete sich das Vorhaben rein preislich nicht.

Als Alternative griff ich auf einen bereits fertigen passiven 1-Wire Verteiler 5-fach zurück. Dieser Verteiler hat einen RJ45 Stecker, sowie 5 RJ45 Buchsen. Zwar kam damit meine ursprüngliche Planung mit der Strom- und Spannungüberwachung nicht zum Zuge aber bei einem Preis von Rund 11 Euro war das in Ordnung. Die Anzahl der Buchsen sollte für mein Vorhaben genau passend sein: 2x Vor- und Rücklauf + 1x Brauchwasserspeicher 

Also ging es nun an die DS18B20 Temperatursensoren. Erst verschaffte ich mir einen Überblick, was der Markt so hergibt: Die Auswahl fertiger 1-Wire Temperatursensoren mit Edelstahlhülse ist recht überschaubar und bewegt sich je nach Ausführung im Preissegment von ca. 15 Euro bis über 40 Euro. Ebenso überschaubar ist der Markt, was gebrauchsfertige Edelstahlhülsen angeht.

Ich beschloss die Temperatursensoren selber anzufertigen. Unter anderen Anbietern hat Conrad eine Edelstahl-Schutzhülse für Rund 3,50 Euro im Sortiment. Passend dazu bestellte ich mir die wärmeleitende Vergussmasse GF 5000, Polyamid Folie, 100 nF Kondensatoren in SMD-Ausführung, sowie passende Schrumpfschläuche und noch ein paar andere Kleinteile von Reichelt Elektronik. Als ich alle Teile vorliegen hatte begann ich sogleich die Sensoren zu fertigen.

Leider ging ich zu euphorisch an das Thema, so dass ich nach der Fertigstellung feststellen musste, dass das von mir gewählte Kabel LIYY 4X0,25 vom Querschnitt partout nicht in einen RJ45 Stecker passte. Somit konnte ich die gefertigten Sensoren nicht an meinen 1-Wire Verteiler anschließen. Dumm gelaufen. Die Anfertigung der Temperatursensoren war im Rückblick kein großer Akt. Zwar ist die Umsetzung etwas zeitaufwendig und viel Fummelarbeit, doch wer gerne bastelt und mit dem Lötkolben umgehen kann sollte damit keine Probleme haben. Einzig sollte man vorher darauf achten, dass das eingesetzte Kabel zum gewählten Stecker passt ;-)

Mangels Zeit und der noch nicht getroffenen Entscheidung wie ich jetzt weiter vorgehe, sollten ein paar Monate vergehen. Die alte Lösung mit den DS18S20 lief ja noch ohne Probleme.

Mehr aus Zufall stieß ich während dessen über einen Tip auf den Anbieter Sure Electronics. Dieser ist bei eBay mit einem eigenen Shop vertreten und bietet bereits fertige Temperatursensoren mit DS18B20 in Edelstahlhülse und 3m Kabel Thermal Probe(Suche nach: "thermal probe ds18b20 rohs") für Rund 7,00 US Dollar, also ca. 5,30 Euro an. Bei mehr als 74000 positiven Bewertungen, holte ich mir über Sofort-Kauf erstmal 5 Stück. Da der Versand aus China und das noch kostenlos erfolgt, dauert die Lieferung etwas länger, also nicht ungeduldig werden! Ich habe Mittlerweilen mehrfach dort bestellt und niemals Probleme gehabt. Einzig über die evtl. anfallenden Zollgebühren und Steuern sollte man sich im Vorfeld beim Zoll erkundigen. Hält man die Bestellung in den zulässigen Freimengen, dann fallen keine weiteren Kosten an.

Zweiter Anlauf und finale Umsetzung

Seit September 2011 lagen 8 Temperatursensoren von SURE Electronics bereit und warteten auf ihren Einsatz. In einem Anfall von langer Weile machte ich mich am 20.04.2012 daran, meine alte Lösung zur Überwachung des Heiz- und Warmwasserkreislaufs endlich abzulösen. Ich skizzierte mir gedanklich einen Aufbau und machte mich sogleich ans Werk. Back to the Roots: Da die Sensoren keine Kondensatoren besitzen, musste ich diese auf meinen neuen, abgespeckten Verteiler unterbringen. Den am Sensor vorhandenen Stecker wollte ich nicht nutzen und da die Masseleitung des Sensors auch gleichzeitig als Abschirmung ausgelegt ist, konnte ich keinen RJ12 Stecker aufbringen. Ich entschied mit für 3-polige Anschlussklemmen. Da ich den Verteiler an mein inzwischen nicht mehr so neues 1-Wire Netzwerk mittels RJ45 Stecker anschließen wollte, musste also noch eine modulare Einbaubuchse, 8-polig untergebracht werden. Die Idee zum Aufbau stand damit und ich griff erst mal zum Lötkolben. Das Ergebnis ist zwar nicht sonderlich schön, dafür aber extrem selten! Darüber hinaus funktioniert es auch noch ;-)

Verteiler oben

Verteiler unten

im Gehäuse

fertiger Verteiler

 Die Temperatursensoren habe ich an den neuen Positionen jeweils am Vor- und Rücklauf des Heiz- sowie des Warmwasserkreislaufs unter der Isolierung mit Kabelbindern fixiert. Damit der Sensor bessere Werte erhält habe ich zusätzlich noch Wärmeleitpaste auf das jeweilige Rohr aufgebracht. Der fünfte Sensor verschwindet im Brauchwasserspeicher. Dieser ist mit einem Hülsenrohr zur Aufnahme eines Temperaturfühler ausgestattet. So konnte ich meinen Sensor zusätzlich zu dem bereits vorhandenen Fühler für die Heizung in dem Rohr unterbringen.

Platzierung Sensor

Neu neben Alt

Die alte Lösung habe ich bisher noch nicht zurück gebaut (auf dem letzten Bild links noch zu sehen). Ich werde sie noch ein paar Tage parallel monitoren.

Darstellung der Messwerte

Im Anschluss habe ich in Cacti die entsprechenden Graphen angelegt und so liefern nun die neuen DS18B20 ihre Werte:

Heizkreislauf alt	Heizkreislauf neu
Warmwasserkreis alt	Warmwasserkreislauf neu

Die Werte des Heizkreislaufs alt gegen neu sind nahe zu gleich geblieben. Die Sensoren der alten und der neuen Umsetzung liegen auch nur gut 10cm auseinander. 

Bei dem Warmwasserkreislauf sind die Unterschiede schon gravierender. In der alten Lösung hatte ich die Messpunkte zu dicht am Brauchwasserspeicher gewählt (jeweils direkt am Ein- und Austritt). Dadurch wurden die Werte verfälscht, da das Rohr am Brauchwasserspeicher die Wärme im Speicher abstrahlt. Die neuen Messpunkte befinden sich nun etwa in der Mitte zwischen Therme und Brauchwasserspeicher. Interessant ist nun die Kurve der Speichertemperatur. In den Einstellungen der Therme habe ich eine Temperatur von 50° Celsius für das Warmwasser voreingestellt. Die Kurve zeigt, das diese Temperatur +- 2° Celsius gehalten wird.

Berechnung der Bereitstellungskosten für Warmwasser

Anhand der Werte für die Speichertemperatur kann nun der Verlust bei der Bereitstellung errechnet werden. Mein Brauchwasserspeicher hat ein Gesamtvolumen von 156 Litern. Diese sind unterteilt in 24 Liter für den primären Kreislauf und 132 Liter für den sekundären Kreislauf. Der primäre Kreislauf erwärmt den sekundären Kreislauf, also das warme Brauchwasser.

Zur Berechnung nimmt man 2 Messpunkte. Ich habe aus meinen Graphen einmal die Temperatur um 22:00 Uhr mit 50,75° C und um 04:00 Uhr mit 46,25° C gewählt. In diesen 6 Stunden "verlor" der Brauchwasserspeicher 4,5° C, also 0,75° C pro Stunde:

50,75° C - 46,25° C = 4,5° C / 6 h = 0,75° C Temperaturverlust pro Stunde

Mit der Formel für die Wärmemengenberechnung (Q = m * cp * dT) "Leistung = Masse * spezifische Wärmekapazität * Temperaturunterschied" wird nun die benötigte Wärmeenergie für die 132 Liter (= 132 Kilogramm) Warmwasser im Brauchwasserspeicher berechnet. Dabei hat Wasser eine spezifische Wärmekapazität bei etwa 30–50° C von 4,182 kJ/(kg*K):

132 kg * 4,182 kJ/(kg*K) * 0,75° C = 414,018 kJ

Als nächstes erfolgt die Umrechnung in Kilowattstunden um einen Bezug zum benötigten Gasverbrauch herzustellen. 1 Kilojoule entspricht 0,000278 kWh:

414,018 kJ * 0,000278 kWh =  0,115 kWh

Der Arbeitspreis für Gas beträgt bei mir 0,0622 Euro brutto (Stand: 11/2011) je Kilowattstunde. Dies kann nun auf die errechneten Kilowattstunden angewendet werden:

0,115 kWh * 0,0622 Euro/kWh = 0,0072 Euro

Das Ergebnis wird nun auf das Jahr umgerechnet. Ein Jahr hat 8760 Stunden (365 Tage * 24 h).

8760 h / Jahr * 0,0072 Euro / h = 63,07 Euro brutto

Aus den Ergebnissen kann der tägliche Verlust des Brauchwasserspeichers für die Bereitstellung ermittelt werden:

0,115 kWh * 24 h = 2,76 kWh

Sollten meine Berechnungen korrekt sein, dann erscheint mir der Wert etwas hoch. Im Schnitt spricht man von etwa 1,4 - 1,6 kWh Verlust am Tag. Die Ursache können jedoch vielfältig sein: schlechte Isolierung des Brauchwasserspeichers (Baujahr 1990!), Umwälzpumpe wälzt das Wasser im Rohrnetz was zum Verlust führt, schlechte Isolierung beim Rohrnetz, etc.

Da muss ich mir wohl noch was einfallen lassen...

Fazit 

Mit relativ geringem Aufwand für meine Sensorik konnte ich überhaupt erst diese Werte ermitteln. Sicherlich geht das auch auf eine andere Weise. Dieses Beispiel zeigt jedoch einen (aus meiner Sicht) weiteren sinnvollen Einsatz von 1-Wire.