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Bachelor’sThesis
KonzeptundProgrammierungderMesswerterfassungundSteuerungeinersolarthermischenVersuchsanlage
(Conceptandprogrammingofthedataacquisitionandcontrolsystemofa
solarthermaltestbench)
verfasstvon
TobiasKilian
Matr.Nr.03663734
eingereichtam
LehrstuhlfürEnergiewirtschaftundAnwendungstechnikTechnischeUniversitätMünchen,
bei
Prof.Dr.-Ing.UlrichWagner
Betreuer:Dr.-Ing.PeterTzscheutschler
II
Kurzzusammenfassung
DievorliegendeArbeitbehandeltdieSteuerungundProgrammierungdersolarthermischen
VersuchsanlagedesLehrstuhlsfürEnergiewirtschaftundAnlagentechnik.DieAnlagewarmit
alterSoftwareundunübersichtlicherProgrammierungnichtmehraufdemaktuellenStand
derTechnik.WeiterhinwurdedieAnlagebaulichumweitereKomponentenerweitert,diese
galt esmiteinzubeziehen. Ziel war es, ein neues Konzept für dieMesswertaufnahme und
SteuerungderAnlagezuerarbeitenundanschließenddasKonzeptmitderSoftwareLabVIEW
umzusetzen.ImVorfeldwerdendieAnlagenkomponentennähererläutertundihreFunktion
beschrieben.DieKommunikationderFeldgerätemitderSoftwarewirdebenfallsbeleuchtet.
DarauffolgtdieBeschreibungdermodulargestaltetenProgrammierung.ImletztenBereich
der Arbeit wird der Funktionsumfang der Anlage erläutert, sodass dieser Teil auch dem
AnwenderalsFunktionsbeschreibungdienenkann.MitderneugestaltetenKonfigurationder
AnlagesowiederDokumentationdesFunktionsumfangswurdedieSolarthermieanlageauf
einenaktuellenStandversetzt.
Abstract
Thisthesisdealswiththecontrolandprogrammingofthesolarthermaltestfacilityofthe
InstituteforEnergyEconomyandApplicationTechnology.Thesystemwasnotuptodatewith
oldsoftwareandunclearprogramming.Furthermore,thesystemwouldbefurtherexpanded
byadditionalcomponents,whichhadtobeconsidered.Theaimwastodevelopanewconcept
for the recordingandcontrolof theplant, then implement theconceptwith thesoftware
LabVIEW.Thesystemcomponentsareexplainedindetailandtheirfunctiondescribed.The
communicationofthefielddeviceswiththesoftwareisalsoilluminated.Thisisfollowedbya
descriptionofthemodulardesign.Thescopeofthesystemisexplainedinthelastsectionof
the work. So this part can also be used as a function description for the user.With the
redesignedconfigurationoftheplantaswellasthedocumentationofthefunctionalscope,
thesolarthermalsystemwasupdated.
III
IV
Erklärung
Hiermiterkläreich,
Name:Kilian�
Vorname:Tobias�
Matr.Nr.:03663734
dassichdiebeiliegendeBachelor’sThesiszumThema:
KonzeptundProgrammierungderMesswerterfassungundSteuerungeinersolarthermischen
Versuchsanlage
selbständigverfasst,keineanderenalsdieangegebenenQuellenundHilfsmittelbenutzthabe,
sowieallewörtlichenundsinngemäßübernommenenStellen inderArbeitgekennzeichnet
unddieentsprechendeQuelleangegebenhabe.
VomLehrstuhlundseinenMitarbeiternzurVerfügunggestellteHilfsmittel,wieModelleoder
Programme,sindebenfallsangegeben.DieseHilfsmittelsindEigentumdesLehrstuhlsbzw.
des jeweiligenMitarbeiters. Ichwerde sienichtüberdie vorliegendeArbeit hinausweiter
verwendenoderanDritteweitergeben.
EinerweiterenNutzungdieserArbeitundderenErgebnisse(auchProgrammeundMethoden)
zuZweckenderForschungundLehre,stimmeichzu.
IchhabedieseArbeitnochnichtzumErwerbeinesanderenLeistungsnachweiseseingereicht.
München,28.08.2017
..................................................
(Bearbeiter:Kilian,Tobias)
V
InhaltsverzeichnisAbbbildungsverzeichnis...........................................................................................................VII
Tabellenverzeichnis................................................................................................................VIII
1 Einleitung...........................................................................................................................1
2 Anlagenkomponenten.......................................................................................................3
2.1 Solarkollektoren........................................................................................................5
2.2 Solarstation...............................................................................................................7
2.3 Solarspeicher.............................................................................................................8
2.4 Sensorik.....................................................................................................................8
2.5 Verbraucherzapfsystem............................................................................................9
2.6 Raumheizung.............................................................................................................9
3 MesswerterfassungundSteuerungmitLabview............................................................10
3.1 LabVIEWSystem......................................................................................................11
3.2 FieldpointModule...................................................................................................13
3.3 MesswerterfassungderFeldgeräte.........................................................................15
3.4 SteuerungderFeldgeräte........................................................................................17
4 Programmierung.............................................................................................................18
4.1 Programmstruktur...................................................................................................18
4.2 Programmbausteine................................................................................................20
5 FunktionsbeschreibungundHandhabung......................................................................23
5.1 ÜbersichtallerMesswerte......................................................................................23
5.2 SteuerungVerbraucherzapfsystem.........................................................................24
5.3 SteuerungundRegelungderRaumheizung............................................................26
5.4 Datenspeicherung...................................................................................................28
5.5 Messdatenbeispiel..................................................................................................30
6 ZusammenfassungundAusblick.....................................................................................32
AAnhang.................................................................................................................................33
A.1Datenpunktliste.............................................................................................................34
A.2ThermodynamischeKennwerte....................................................................................36
VI
A.3BlockdiagrammderProgrammbausteine.....................................................................37
A.4DatenaufCD.................................................................................................................46
Literaturverzeichnis.................................................................................................................47
VII
Abbbildungsverzeichnis
Abbildung1-1:4-PhasenModellzurBearbeitungsmethodik...................................................1
Abbildung2-1:AnlagenschemaSolarthermieanlage................................................................4
Abbildung2-2:AufbauVakuumröhrenkollektor[3]..................................................................5
Abbildung2-3:AufbauFlachkollektor[3]..................................................................................6
Abbildung2-4:VergleichWirkungsgradKollektorarten[1]......................................................7
Abbildung3-1:AufbauundKommunikationMSRSystem......................................................10
Abbildung3-2:NIMAXKonfigutation.....................................................................................12
Abbildung3-3:FieldPiontI/OLogik.........................................................................................13
Abbildung3-4:ÜbersichtFieldPointModule..........................................................................13
Abbildung3-5:Anschlussbelegung4-DrahtTemperaturfühleramModul[13]......................15
Abbildung3-6:PWMKennlinieErhitzerpumpe[21]...............................................................17
Abbildung4-1:LabVIEWProgrammstruktur...........................................................................19
Abbildung5-1:ÜbersichtRegisterkarten................................................................................23
Abbildung5-2:FrontpanelÜbersichtAnlage..........................................................................23
Abbildung5-3:FrontpanelVerbraucherzapfsystem...............................................................25
Abbildung5-4:DateifürVerbrauchersimulation....................................................................26
Abbildung5-5:FrontpanelBedienoberflächeRaumheizung..................................................27
Abbildung5-6:FrontpanelBetriebsdatenRaumheizung.......................................................27
Abbildung5-7:FrontpanelAutomatikbetriebRaumheizung..................................................27
Abbildung5-8:FrontpanelDatenspeicherung........................................................................28
Abbildung5-9:BeispielDatenspeicherung.............................................................................29
Abbildung5-10:MessdatenauswertungSolarkreislauf..........................................................30
Abbildung5-11:MessdatenauswertungVerbrauch...............................................................31
VIII
Tabellenverzeichnis
Tabelle3-1:ÜbersichtFunktionFieldpointModule................................................................14
Tabelle4-1:FunktionsübersichtProgrammbausteine............................................................20
Tabelle5-1:FunktionenVerbraucherzapfsystem...................................................................24
1
1 Einleitung
DieEnergiederSonne isteinsehrwichtiger regenerativerEnergieträger fürdiezukünftige
WärmebereitstellunginDeutschland.DasliegtanderenormenStrahlungsleistung,dieaufder
Erde einfällt. [1] Mit Hilfe einer Solarthermieanlage kann dieses Energieangebot genutzt
werden.DerLehrstuhlfürEnergiewirtschaftundAnwendungstechnikbietetStudierendendie
Möglichkeit,ErfahrungenaneinerSolarthermieanlagezusammeln.DieAnlagebefindetsich
amDachdesInstitutsgebäudesundwirdüberwiegendinRahmenvonPraktikagenutzt.
ÜberdieJahreistdieAnlagesukzessiveimFunktionsumfangundumAnlagenteileerweitert
worden.DiesehistorischeEntwicklunghatteauchvieleErgänzungenderSoftwarezuFolge,
wodurchdieEffizienzundÜbersichtlichkeitderSoftwarestarkbeeinträchtigtwurde.Umdie
AnlageineinenzeitgemäßenundübersichtlichenBetriebsstandartzuversetzten,wurdediese
Arbeitinitiiert.
Ziel der Arbeit ist es ein neues Konzept für die Regelung und Steuerung der Anlage
auszuarbeiten. Auf Basis dieser Konzeption soll die Solarthermieanlage in LabVIEW
programmiert und gestaltet werden. Übersichtlichkeit und Effizienz der Programmierung
stehen ebenso im Fokuswie die Benutzerfreundlichkeit für spätere Anwender. Dabei soll
neben der Erfassung und Anzeige der Betriebsdaten auch eine Speicherungmöglich sein.
AußerdemsollenneueAnlagenkomponenten,wiedieRaumheizung,implementiertwerden.
UmdenArbeitsumfangzustrukturierenundeinendefiniertenAblaufzuschaffen,wurdeauf
das4-PhasenModellausdemProjektmanagementzurückgegriffen[2].MitdieserMethodik
wurde die Arbeit in vier Bereiche unterteilt und durchgeführt. Im Laufe der Bearbeitung
entstandendieeinzelnenKapitel.DieeinzelnenPhasensindinAbbildung1-1dargestelltund
werdenanschließendkurzerklärt.
Abbildung1-1:4-PhasenModellzurBearbeitungsmethodik
Definition Planung Durchführung Abschluss
2
Definition:
IndieserPhasewurdendieAufgabenspezifiziertunddieZielsetzungderArbeitfestgelegt.
Planung:
Hier wurde die Solarthermieanlage mit ihren Komponenten näher betrachtet und ein
Anlagenschemaerstellt.AuchderAufbauunddieKommunikationderHard-undSoftwareder
SteuerungwurdenindieserPhaseanalysiert.DarausentstandenKapitel2und3dieserArbeit.
Ein erstes Konzept für die Umsetzung der Programmierung entstand ebenso in diesem
Abschnitt.
Durchführung:
DaszuvorerstellteKonzeptwurdesoftwareseitigausgeführt.DieProgrammgestaltungwie
auch die Programmierung sind in diese Phase einzuordnen. Weiterhin entstand die
BenutzeroberflächemitallenFunktionensowieanschließendeTestsundAuswertungen.Hier
wurdenKapitel5und6derArbeitumgesetzt.
Abschluss:
InderPhasedesProjektabschlusseserfolgtedieschriftlicheAusarbeitungdieserArbeitauf
BasisderzuvorerarbeitetenErgebnisse.DieDokumentationderSolarthermieanlagesowie
auchdiesoftwareseitigeAusführungsinddarinenthalten.
3
2 Anlagenkomponenten
EinesolarthermischeAnlagenutztdenphysikalischenVorgangderStrahlungsabsorption,um
Solarstrahlungder Sonne in thermische Energie umzuwandeln.DieserAbsorptionsvorgang
geschieht in den Solarkollektoren, von dort aus wird die gewonneneWärmeenergie dem
SystemzurVerfügunggestellt.DerKollektorkreislauftransportiertdieEnergie, inFormvon
heißemWasser,vondemSolarkollektorfeldindenSolarspeicher.DiesogespeicherteWärme
kannanschließendvonderVerbraucherseiteentnommenwerden.[1]
Im Folgenden wird der Aufbau und die Funktion der Komponenten der solarthermischen
VersuchsanlagedesLehrstuhlsfürEnergiewirtschaftundAnwendungstechniknähererläutert.
InAbbildung2-1sinddazualleKomponentenindemAnlagenschemazufinden.
4
Abbildung2-1:AnlagenschemaSolarthermieanlage
3.6 T
3.5 T
3.3 T
3.4 T
Hot w
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2
T3.0
T3.1
Solar
control
station
1
Solar
control
station
2
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Room
tem
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ture
4.5
5
2.1 Solarkollektoren
DieVersuchsanlagebesitztzweiverschiedeTypenvonKollektoren,diesichhinsichtlichihrer
Bauarten, Nutztemperaturen undwesentlich in ihremWirkungsgrad unterscheiden. Beide
VariantenwandelndieSolarstrahlungmitHilfeeinesAbsorbersinWärmeum.
DerVakuumröhrenkollektor(EvacuatedTubeCollector)stelltdasHerzstückdereinenAnlage
dar.DiehierverwendeteBauform(Abbildung2-2)arbeitetnachdemThermoskannenprinzip
undbestehtausspeziellenVakuumröhren,dieinihremAufbaueinerThermoskanneähneln.
DieVakuumröhrenbestehenauszweiineinanderliegendenRöhreninderenZwischenraum
einHochvakuumherrscht.GegenUmwelteinflüsseschütztdielichtdurchlässigeäußereRöhre.
Die innere Röhre ist hochselektiv beschichtet und fungiert als Absorber. Im Inneren der
Absorberröhre befinden sich Wärmeleitprofile, die von einem Wärmeträgermedium
durchflossenenwerdenunddiedortabsorbierteWärmeabtransportieren.Insgesamtsind18
Stück dieser Röhren verbaut und in einem SammelkastenmitWärmeübertragungseinheit
zusammenhydraulischverschalten.UmdieeinfallendeSolarstrahlungoptimalzunutzen,ist
hinter denVakuumröhren ein rinnenförmiger Compound Parabolic Collector (CPC)-Spiegel
verbaut.DurchdiesenReflektorwerdendieseitlichamAbsorbervorbei fallendenStrahlen
umgelenktundaufdenAbsorbergeleitet.DurchdiethermischeIsolationderVakuumröhren
unddieStrahlungskonzentrationderSpiegelwerdensehrhoheProzesstemperaturenerzielt.
[3][4].
Abbildung2-2:AufbauVakuumröhrenkollektor[3]
Komponenten einer thermischen Solaranlage
9
Vakuumröhrenkollektoren liefern Wärme imTemperaturbereich bis 150 °C und eignen sichdamit – neben der Warmwasserbereitung – zurRaumheizungsunterstützung, zur solaren Küh-lung in Verbindung mit Absorptionskälteanla-gen und auch zur Erzeugung von Prozesswärme.
Gebäudeintegrierte Kollektorbauformen
Kollektoren preisgünstiger herzustellen ist ei-nes der Ziele zukünftiger Entwicklungsanstren-gungen. Ein Weg dahin ist die Mehrfachnut-zung einzelner Bauteile, wie z. B. bei der Inte-gration eines Flachkollektors in die Gebäu-dehülle. Hierbei können zum einen Kollektor-komponenten entfallen – z. B. die rückseitigeWärmedämmung –, zum anderen werden soam Gebäude selbst Teile der Fassade oder derDacheindeckung eingespart. Gebäudeintegrier-te Kollektoren sind ein thermisch nicht trenn-barer Teil der Gebäudehülle, der den Witte-rungsschutz mit übernimmt und die Wärme-dämmung verbessert. Darüber hinaus bietet dieIntegration von Großflächenkollektoren in Süd-fassaden oder als komplette Dacheindeckungauch architektonisch interessante Optionen.
Beim sog. Thermoskannen-Röhrenkollektor(Abb. 2.3) sind zwei ineinander liegendeGlasröhren miteinander verschmolzen; derZwischenraum enthält das Vakuum. In derInnenröhre befindet sich ein ringförmigerAbsorber mit direktdurchströmtem Absorber-rohr. Teilweise wird zusätzlich rückseitig einebener oder rinnenförmiger Reflektor ange-bracht, der die seitlich vorbeigehende Sonnen-strahlung auf den Absorber zurücklenkt.
Beim Vakuumröhrenkollektor mit Wärmerohr(Abb. 2.4) befindet sich eine schon bei gerin-gen Temperaturen verdampfende Flüssigkeit ineinem verschlossenen Absorberrohr. Der Dampfsteigt im Wärmerohr auf und kondensiert amoberen Ende des Wärmerohrs. Die vom Dampfaufgenommene (Latent-)Wärme wird über ei-nen Kondensator im Sammelrohr („trockeneAnbindung“) an das Wärmeträgermedium ab-gegeben. Die kondensierte Flüssigkeit fließtanschließend wieder im Wärmerohr zurück. Da-mit der beschriebene Verdampfungs- und Kon-densationsprozess ablaufen kann, müssen dieseRöhren mit einer Mindestneigung von 25 Gradzur Horizontalen montiert werden.
Abb. 2.3:
Vakuumröhren-
kollektor im
Thermoskannen-
prinzip mit
rückseitigem
Reflektor
Abb. 2.4:
Vakuumröhren-
kollektor mit
Wärmerohr
(„heat pipe“-
Prinzip)
Absorber
Reflektor
Wärmerohr
Doppelrohr-WärmetauscherKondensator
6
DiezweiteAnlageistmiteinemFlachkollektor(FlatPlateCollector)ausgestattet.DieseBauart
stellt die am weitesten verbreitete Bauform eines Sonnenkollektors da. Der prinzipielle
AufbaueinesFlachkollekorsistinAbbildung2-3dargestellt.
Durch die hochtransparente Glasabdeckung fällt Solarstrahlung auf den Kollektor und
transmittiertzurund90%direktaufdenspeziellbeschichtetenAbsorber.Diesoerwärmte
AbsorberflächegibtdiethermischeEnergieandieangeschweißtenAbsorberrohreab.Durch
den so entstehenden Wärmestrom wird das zirkulierende Wärmeträgermedium in den
FluidrohrenerhitztundandasSammelrohrweitergeleitet.UmVerlustezumindern,istder
Kollektor gegen die Umgebung gedämmt und in einem Gehäuse untergebracht. Zudem
schützenGlasabdeckungundGehäusedenKollektorgegenUmwelteinflüsse.
Die Arbeitstemperatur dieser Kollektorart erreicht bis zu 100°C, daher ist er ideal zur
Trinkwassererwärmung geeignet. Vakuumröhrenkollektoren erreichen Temperaturen bis
150°C[3].
Abbildung2-3:AufbauFlachkollektor[3]
UmdieEffizienzbeiderKollektoreninAbhängigkeitderNeigungzubewerten,sinddieseüber
eineVorrichtungwinkelverstellbarmoniert.
DabeideKollektorsystemeunterschiedlicheTechnologienverfolgen,differenzierensichdie
AnlagenauchimHinblickaufihrenWirkungsgrad.DieUnterschiedevomFlachkollektorenund
VakuumröhrenkollektorenwerdeninAbbildung2-4deutlich.
Der Aufbau von Flachkollektoren wurde inden zurückliegenden 20 Jahren wesentlichoptimiert, was zu einer deutlichen Leistungs-steigerung und einer Verbesserung der Ge-brauchstauglichkeit führte.
Niedertemperatur-Flachkollektoren mit einerArbeitstemperatur bis zu 100 °C werden vor-wiegend zur Trinkwassererwärmung und teil-weise auch für die Raumheizungsunterstützungeingesetzt.
Vakuumröhrenkollektoren
Ein Vakuumröhrenkollektor besteht aus meh-reren evakuierten Glasröhren, in denen jeweilsein Absorberstreifen eingehängt ist. Ca. 5 bis 20dieser Glasröhren werden über ein Sammelrohran den Kollektorkreis angeschlossen. Durch dieunterbundene Luftbewegung im Gehäuse wer-den Konvektionsverluste zwischen dem heißenAbsorber und dem Deckglas vermieden. DieWärmeverluste werden so im Vergleich zuFlachkollektoren vor allem bei niedrigen Aus-sentemperaturen deutlich reduziert.
Bei der direkt durchströmten Vakuumröhre(Abb. 2.2) fließt der Wärmeträger – wie beimFlachkollektor – durch ein am Absorber ange-brachtes U-förmig verlegtes Rohr bzw. einkoaxiales Doppelrohr. Bei waagerechter Ver-legung können diese Absorberstreifen durchDrehen der einzelnen Röhren zur Sonne aus-gerichtet werden – abweichend von der Neigungder Aufstellfläche. So kann bei einer Verlegungauf einem nur gering geneigten Satteldach, aneiner senkrechten Balkonbrüstung oder aneiner Hauswand die Ausrichtung des Absor-bers zur Sonne optimiert werden.
Komponenten einer thermischen Solaranlage
8
Dämmung
Glasabdeckung
Absorber
Sammelrohr
Absorberrohr Gehäuse
2 Komponenten einerthermischen Solaranlage
2.1 Kollektoren sammeln das Sonnenlicht
Die photothermische Energieumwandlung
Die Umwandlung der Solarstrahlung in Wärmeerfolgt auf dem Absorber. Dieser besteht ausMetall (Aluminium, Kupfer oder Edelstahl)und ist mit einer dunklen, sog. „selektiven“Beschichtung überzogen, um die Solarstrah-lung besser einzufangen. Diese Oberfläche be-wirkt durch ihre besondere Struktur ein hohesAbsorptionsvermögen im sichtbaren Bereichund gleichzeitig eine geringe Emission für dieinfraroten Wellen der Wärmestrahlung. Die er-zeugte Wärme wird von der Wärmeträgerflüs-sigkeit aufgenommen und durch am Absorber-blech angebrachte Rohre abtransportiert.
• KollektorbauartenFlachkollektoren
Der Flachkollektor, wie in Abb. 2.1 darge-stellt, ist die am weitesten verbreitete Bauformeines Sonnenkollektors. Bei diesem liegt derAbsorber in einem meist aus Aluminium, teil-weise auch aus Stahlblech, Kunststoff oderHolz gefertigten Gehäuse. Zur Reduzierung derWärmeverluste durch Konvektion und Strah-lung ist das Gehäuse mit einer Abdeckung auseisenarmem, vorgespanntem Sicherheitsglasverschlossen, welches zumeist innen leichtstrukturiert ist. Dessen Lichtdurchlässigkeit istdem solaren Spektrum der diffusen und direk-ten Strahlung angepasst. Zur Minderung derVerluste durch Wärmeleitung werden auf derRückseite und an den Rändern des GehäusesWärmedämmungen angebracht.
Abb. 2.1:
Schnittdar-
stellung eines
Flachkollektors
Koaxial-Wärmesammelrohr
Abb. 2.2:
Direktdurch-
strömter Vaku-
umröhrenkollek-
tor mit koaxia-
lem (li.) und U-
förmigem (re.)
Absorberrohr
7
Abbildung2-4:VergleichWirkungsgradKollektorarten[1]
Der gewöhnliche Betriebsbereich der Anlagen liegt bei Temperaturdifferenzen größer 40
Kelvin.AusAbbildung5istersichtlich,dassderVakuumröhrenkollektorstetseinenhöheren
WirkungsgradaufweistalsderFlachkollektor.SpeziellindenWintermonatenerreichtzudem
der Vakuumröhrenkollektor bessere Erträge. Dieser Vorteil macht sich aber bei dem
Anschaffungspreisbemerkbar[1].DerhöhereWirkungsgraddesVakuumröhrenkollektorsist
auch der Grund dafür, dass die installierte Kollektorfläche kleiner ist als die des
Flachkollektors.DieseSkalierungistnotwendig,umindervergleichendenWertungähnliche
LeitungenderSystemezugewährleisten.
AlsWärmeträgermediumwirdeinespeziellfürdenGebrauchvonthermischenSolaranlagen
abgestimmtes Gemisch auf Wasser- Glykol- Basis verwendet. So wird ein thermischer
Arbeitsbereichvon-30°Cbis200°CderAnlagensichergestellt[5].
2.2 Solarstation
JederKollektortypbesitztimSolarkreislaufeineSolarstationvomTypBuderusLogasol.Diese
Einheit sorgt für einen geregelten Warentransport im Solarkreislauf. Bestandteile einer
Station sind neben der Steuereinheit, eine Solar- Hocheffizienzpumpe sowie diverse
hydraulische Komponenten und Temperaturfühler, die für einen harmonischen Betrieb
zwischen Kollektor und Speicher sorgen. Die Solarstationen sind autarke Einheiten in der
AnlageundregelnnacheinemParametersatz,derbeiInbetriebnahmeparametriertwurde.
28 2 Grundlagen
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Temperaturdifferenz Fluid – –Umgebung (TF
TU)
Wirk
ungs
grad
n
ach
DIN
EN
129
75 SchwimmbadabsorberFlachkollektorCPC RöhrenkollektorVakuumröhrenkollektorAR Flachkollektor
Abb. 2.8 Typische Kollektorwirkungsgrade in Abhängigkeit von der Differenz zwi-schen mittlerer Fluidtemperatur und Umgebungstemperatur für eine Einstrahlung von1000 W=m2 (Flächenbezug: Aperturfläche)
8
DerParametersatzmitSollwertenundaktuellenBetriebsdatenistanderStationersichtlich
[6].
ÜbermanuelleUmschaltventileunterdenbeidenSolarstationenkannausgewähltwerden,
welchesKollektorsystemindasjeweiligeSpeichersystemdieWärmeeinspeist.Sokanneine
AussageüberdieEffizienzderunterschiedlichenTechnologiengetroffenwerden.
2.3 Solarspeicher
EbensowiebeidenKollektorensindauchzweiunterschiedlicheBauartenvonSolarspeichern
installiert. Beide Speichersysteme fassen 290 Liter und sind speziell für den Betrieb in
thermischen Solaranlagen konzipierte Trinkwasserspeicher aus der Logalux Baureihe der
FirmaBuderus.DerimAnlagenschema(AnhangA)mitZiffer1nummerierteSpeicherarbeitet
mit einem Glattrohr-Wärmetauscher. Über diesen Wärmetauscher wird die thermische
Energie dem Trinkwasser im Behälter zugeführt und so erwärmt. Durch die
thermodynamischenEigenschaftendesWassersbildetsicheineTemperaturschichtungaus
unddasheißeWassersteigtnachobenzurEntnahmeöffnung[6][7].
Speichertyp zwei ist ein Thermosiphonspeicher und arbeitetmit einemWärmeleitrohr im
Inneren. Hier wird im unteren Bereich nur eine kleine Wassermenge vom Solar-
Wärmetauscher erhitzt. Das heiße Wasser steigt auf direkten Wege nach oben zum
Warmwasseraustritt.Auchhier stellt sicheineTemperaturschichtung imSpeicherein,dies
geschiehtsukzessivevonobennachunten.LiefertdieKollektoranlageaufgrundvongeringer
SonneneinstrahlungnichtdieTemperatur,dieimoberenBereichdesSpeichersherrscht,so
wird durch Schwerkraftklappen sichergestellt, dass auch das Wasser im richtigen
TemperaturbereicheingespeistwirdundsodieTemperaturschichtungaufrechterhaltenwird
[6][7].
2.4 Sensorik
Zur Temperaturerfassung werden Temperaturfühler vom Typ PT100 verwendet, die über
Tauchhülsen im System montiert sind. Durch die Tauchhülsenmontage haben die Fühler
direktenKontaktmitdemWasserundreagierensoaufTemperaturänderungensensibel.
ImSolarkreisundimVerbraucherkreiserfassenDurchflusszählerdieWassermengeundgeben
alle 72 ml einen Impuls an die Auswertegeräte. Um neben den Temperaturen und
Volumenströmen auch die Sonneneinstrahlung zu erfassen, besitzt die Anlage zwei
9
Pyranometer. Die von der Neigung abhängige Strahlung der Kollektoranlage sowie die
vertikale Sonneneinstrahlung werden aufgezeichnet und an die Mess-, Steuer- und
Regelungstechnik (MSR- Technik) gesendet. Die hier physisch erwähnte Sensorik wird in
Kapitel3.3näherinihrerFunktionsweiseerläutert.
2.5 Verbraucherzapfsystem
Wasserverbrauch wird in der Anlage über ein Zapfsystem realisiert. Je Speicher sind drei
elektromagnetische Ventile vorhanden, die einzeln angesteuert werden können. Über ein
vorgeschaltetesNadelventilkannderDurchflussbedarfsspezifischangepasstwerden,umso
verschiedeneVerbraucherzusimulieren.
2.6 Raumheizung
AlszusätzlichesVerbrauchersystemistnebendenZapfventileneineRaumheizunginstalliert.
DasHeizsystemistzweifachausgeführtundbeziehtdieEnergieausdemjeweiligenSpeicher.
Soistesmöglich,VerbraucherzusimulierenunddabeidenAnlagenraumzubeheizen.Zum
Einsatzkommt jeeineErhitzereinheit,dieübereinePulsweitenmodulation (PWM) in ihrer
Drehzahl verändert werden kann. Auch die dazugehörige Erhitzerpumpe für den
Wasserdurchsatz imHeizregister kann über ein PWM- Signal geregeltwerden.Über diese
drehzahlvariablen Aktoren ist es möglich, einen effizienten Betrieb zu gestalten. Weitere
EinzelheitenderAnsteuerungsindimKapitel3.4zufinden.
10
3 MesswerterfassungundSteuerungmitLabview
DieAnlagewirdmitLabVIEW,vonNationalInstruments(NI)gesteuert,dieseAbkürzungsteht
fürLaboratoryVirtual InstrumentEngineeringWorkbench.LabVIEWbieteteinegraphische
Entwicklungsumgebung,dienachdemDatenflussprinzipfunktioniert.DieSoftwarearbeitet
auf zwei Programmeben. Die ein ist das Frontpanel, das auch die Anwenderoberfläche
darstellt, dieanderedasBlockdiagramm,dasals graphischeProgrammierumgebungdient.
Beide Ebenden arbeiten parallel und ermöglich einen strukturierten Programmierstil. Eine
umfangreicheFunktionsbibliothekmitzahlreichenSchnittstellenwirdvonNIzurVerfügung
gestellt.[8]
SobietetLabVIEWdieMöglichkeit,übereineNetzwerkschnittstellemitNIFieldpointModulen
zukommunizieren.DiesesmodulareI/OFeldbussystemstelltinderbeschriebenenAnlagedie
SchnittstellezwischenFeldgerätenundLabVIEWher.BeideSysteme,dieFieldpoint-Module
sowiedernetzwerkfähigePCmitLabVIEWSoftware,sindimEthernetNetzwerkdesLehrstuhls
eingebunden und können so miteinander kommunizieren. Der schematische Aufbau des
SystemsistinAbbildung3-1gezeigtundwirdindenfolgendenPunktengenauererläutert.
Abbildung3-1:AufbauundKommunikationMSRSystem
Feldgeräte
TUM – EWK - Netzwerk
PC mit Netzwerkzugang und NI LabVIEW
NI FieldPointNetzwerkmodul129.187.90.196
Ventile
M
F
Durchflusszähler
T
Temperatur-fühler
Pumpen
NI FieldPointModuleSlot 1-7
11
3.1 LabVIEWSystem
Um das System starten zu können, wird ein Windows-Rechner und die Softwareversion
LabVIEW 2015 oder deren Vorgängerversionen benötigt. Dazu ist noch ein passender
HardwaretreiberfürdieFieldpointModulenötig,denNational InstrumentszumDownload
zur Verfügung stellt. Neuere LabVIEW Versionen unterstützen keine Hardwaretreiber für
FieldpointModulemehr.[9]
AnschließenderfolgtdieKonfigurationimMeasurementandAutomationExplorer(NI-MAX),
derstandartmäßigmitLabVIEWinstalliertwird.Abbildung3-2zeigtdieOberflächedesNI-
MAX,indemsämtlicheSystemkomponentenwieSoftware,Treiber,GeräteundSchnittstellen
verwaltet und projektiertwerden [8]. Das gilt auch für NI-Komponenten im vorhandenen
Netzwerk,wiedieFieldpointModule.UnterdemPunktDatenumgebungwerdendieModule
unter ihrer IP-Adresse aufgelistet. Die einzelnen modularen Einheiten werden dort
konfiguriertundbekommeneineSlot-Adressezugewiesen,dieidentischmitderphysischen
Modulreihenfolgeist.FürjedeseinzelneModulwirddortauchdiephysikalischeBeschaltung
der einzelnen Kanäle parametriert und benannt. Sind alle Module konfiguriert und alle
FeldgeräteihrenKanälenzugewiesen,sowirdabschließendeineKonfigurationsdateimitder
Endung.iakgeneriert.DieseDateiistessentiellfürdieKommunikationzwischendemLabVIEW
Programm und den Feldbusmodulen. Des Weiteren werden bei Import der Datei in ein
Programm alle Ein- und Ausgangskanäle der Module mit ihren Bezeichnungen bereits
übernommen.EinenochmaligeBenennungderFeldgeräteistnichterforderlich.
12
Abbildung3-2:NIMAXKonfigutation
ZusätzlichbietetderNI-MaxnochdieMöglichkeitzumOnline-MonitoringderFeldgeräte.Die
RohdatenderFeldgerätewerdeninEchtzeitangezeigtundAktorenkönnenbedientwerden.
MitdieserOption istein1:1Feldtestmöglich.SowerdenHandwarefehlererkanntunddie
MesswerteaufPlausibilitätgeprüft,bevordieDatenaneinLabVIEWProgrammweitergeleitet
werden.
In der LabVIEW Programmierebene werden die Ein- und Ausgänge über den
Funktionsbaustein FP-Read, für die Funktion „lesen“, bzw. FP-Write für „schreiben“
angesprochen. In Abbildung 3-3 ist der Aufbau eines Lese- und Schreibvorganges im
Blockdiagramm dargestellt. Als notwendigen Input benötigt der Baustein den Fieldpoint-
Kanal, der durch die importierte Konfiguration eindeutig festgelegt und benannt wurde.
Lesende Bausteine liefern einenWert, der für die weitere Programmierung genutzt wird.
SchreibendehingegenerwarteneinenWert,derdurchdieProgrammlogikgeneriertwird
13
Abbildung3-3:FieldPiontI/OLogik
3.2 FieldpointModule
DasmodulareI/OFeldbussystembestehtaus8ModulenundkannindreiFunktionsbereiche
eingeteilt werden. In einen Netzwerkteil, einen Eingangsmodulblock und einen
Ausgangsmodulblock. Eine Übersicht über die beschriebenen Bereiche und Module ist in
Abbildung3-4dargestellt.
Abbildung3-4:ÜbersichtFieldPointModule
AlleModulesindaufeinenModulträgeraufgestecktundsomiteinanderverbunden.Auchdie
SpannungsversorgungundKommunikationzwischendenModulenläuftübereinBus-System
aufdemModulträger[10].
DieFunktiondereinzelnenModultypenistinTabelle3-1beschrieben.
FP-2015Netzwerkmodul129.187.90.196
Slot 0
FP-CTR-500Counter Modul
8 x Zähler INSlot 1
FP-RTD-124Analog Modul8 x 4–Draht IN
Slot 2
FP-RTD-124Analog Modul8 x 4–Draht IN
Slot 3
FP-RTD-124Analog Modul 8 x 4–Draht IN
Slot 4
FP-AI-110Analog Modul
8 x U / I INSlot 5
FP-DO-403Digital Modul16 Kanal OUT
Slot 6
FP-PWM-520PWM Modul8 Kanal OUT
Slot 7
Eingangsmodule AusgangsmoduleNetzwerk
14
Tabelle3-1:ÜbersichtFunktionFieldpointModule
Steckplatz Funktion Typ
Slot0 EchtzeitanbindungderModuleaneinEthernet-Netzwerk
AdressierungdurchIP-AdressevonNetzwerkadministrator
Controllerunterstütztbiszu9FeldbusModule[11]
Netzwerk
Slot1 DiskretesCounter-Modul
ErfassungderdigitalenImpulsederDurchflusszähler
Impulsfrequenzbist50kHzmöglich[12] Eingangsmodule
Slot2-4 AnalogmodulzurVierleitermessung
SpeziellfürPT100Temperatursensoren
HoheAuflösungderMesswerte[13]
Slot5 AnalogmodulfürStrom-oderSpannungssignal
AufschaltungderSpannungssignalederPyranometer
HoheAuflösungderMesswerte[14]
Slot6 DigitalesAusgangsmodul
16Schaltkanälemitje2AmpereAusgangsstrom
AnsteuerungderVentile[15]
Ausgangsmodule
Slot7 AusgangsmodulfürpulsweitenmoduliertesSignal
AnsteuerungderErhitzerpumpenundHeizlüfter[16]
Eine Datenpunktliste der Anlage ist in Anhang A.1 enthalten, darin ist die Belegung der
einzelnenModuleundFeldgeräteaufgelistet.
Bei Bedarf kann die Anzahl der Module noch um zwei erweitert werden, um die volle
Ausbaustufe eines Controllers zu erlangen. Abschließendbleibt zu erwähnen, dass bereits
eineneueGenerationvonFeldbussystemenvonNationalInstrumentsaufdemMarktist.Die
CompactRIO- Plattform unterstütz auch neuere LabVIEW Versionen und bietet sehr
umfangreicheFunktionen[10].
15
3.3 MesswerterfassungderFeldgeräte
Wiebereits imKapitel2.2erwähnt,geschiehtdieTemperaturerfassungüberPT100Wider-
standsfühler. Das sind temperaturabhängige Platinwiderstände, die bei 0°C einen
Widerstandswertvon100Waufweisen.PlatinisteinKaltleiter,somitnimmtmitsteigender
Temperatur derWiderstandswert zu und beträgt bei einer Temperatur von 100°C bereits
138W [17]. Um möglichst genaue Messwerte zu erzielen, wird die 4-Draht- Messtechnik
eingesetzt.DieAnschlussbelegungistinAbbildung3-5abgebildet.
Abbildung3-5:Anschlussbelegung4-DrahtTemperaturfühleramModul[13]
DaseineLeitungspaarprägtüberEXCITE+undCOMeinenkonstantenStromaufdenFühler
ein.DeramzweitenLeitungspaardetektierteSpannungsfallwirdimFeldbusmoduldirekteder
dazugehörigenTemperaturzugewiesen.DieModulesindspeziellfürdenEinsatzmitPT100
Fühlern konzipiertunderzielen,mitHilfederVierleiterschaltung, sehr genaueMesswerte.
Weiterhinistzuerwähnen,dassdieZuleitungslängeundsomitauchderdamitverbundene
Spannungsfall über die Leitung eliminiert wird und die Messergebnisse nicht verfälscht
werden[13].DasistvoralleminderMSRwichtig,daMessfühlernahederAuswerteeinheit
oder weit davon entfernt liegen können. Um letzte Messfehler zu bereinigen, ist
softwareseitignochbeieinigenFühlerneineKalibrierkurvehinterlegt.DieMessfühlerwurden
bei der Installation der Anlage kalibriert, die Daten sind im Anhang A.1 unter der
Datenpunktlistezufinden.BeidenKalibrierkurvenhandeltessichumkubischeFunktionen,
diealsEingangswertedieermitteltenTemperaturenderFieldpointModulebekommen.Der
kalibrierteTemperaturwertgehtzurweiterenVerarbeitungindasProgramm.
AndersalsdiepassivenTemperaturfühler,sinddiePyranometeraktiveFühler.Dasbedeutet,
siegeneriereneinSpannungssignal,dasexterngemessenwerdenkann.Diehierverwendeten
[c]FP-TC-120 The [c]FP-TC-120 includes eight differential inputs for
thermocouples. It also provides cold-junction compensation using a
thermistor embedded in the terminal base or connector block.
An onboard microcontroller compensates and linearizes the
thermocouple reading to the NIST-90 standard, using an advanced
linearization routine for maximum accuracy.
[c]FP-RTD-122The [c]FP-RTD-122 includes eight inputs for 2 and 3-wire RTDs. The
module uses a stable current source for sensor excitation and
an onboard microcontroller that linearizes and scales the
measurements to temperature units. You can configure each channel
of the modules to return data scaled to temperature (°C, °F, or °K) or
resistance. The 3-wire configuration used with the [c]FP-RTD-122
eliminates errors caused by lead wire resistance but will not reduce
errors caused by noise. If your application involves high signal noise or
long wires, you should use a 4-wire RTD with the RTD-124 module.
[c]FP-RTD-124The [c]FP-RTD-124 includes eight inputs for 2 and 4-wire RTDs. The
module uses a stable current source for sensor excitation and an
onboard microcontroller that linearizes and scales the measurements
to temperature units. You can configure each channel of the modules
to return data scaled to temperature (°C, °F, or K) or resistance. If your
application involves long signal wires or high signal noise, you should
use a 4-wire RTD with the RTD-124 module. The 4-wire configuration
used with the [c]FP-RTD-124 eliminates voltage drop due to lead wire
resistance and reduces errors caused by noise.
IsolationThe TC-120 and RTD-12x modules feature optical bank isolation
with 2,300 Vrms of breakdown isolation. In addition, the
[c]FP-TC-120 and [c]FP-RTD-122 provide double insulation for up
to 250 Vrms of operational isolation. Compact FieldPoint can safely
be used in applications where hazardous voltages are present with the
cFP-CB-1 or cFP-CB-3 connector block. FieldPoint can safely be
used in applications where hazardous voltages are present with the
FP-TB-x terminal base. These Compact FieldPoint and FieldPoint
modules do not have channel-to-channel isolation.
Isothermal Connectivity for the [c]FP-TC-120For maximum accuracy, we recommend using an isothermal
connector block or terminal base with the [c]FP-TC-120.
Compact FieldPoint – The cFP-CB-3 isothermal connector block
minimizes the temperature gradient across wiring connections,
improving the accuracy of the cold-junction measurement, and
therefore, the thermocouple measurement.
FieldPoint – The FP-TB-3 isothermal terminal base minimizes the
temperature gradient across the wiring connections, improving
the accuracy of the cold-junction measurement, and therefore, the
thermocouple measurement.
Field I/O ConnectionsCompact FieldPoint and FieldPoint modules include a built-in power
distribution bus that provides multiple power connections on the
module. A field-wired power supply connected to the voltage (V) and
common (C) terminals is internally connected to a power distribution
bus that provides additional breakout terminals for voltage supply
(VSUP) and common (COM). These terminals provide a convenient
way to distribute power to field devices that require external power.
Each input channel on the TC-120 has two terminals for
differential input:
1. Thermocouple positive input (IN+)
2. Thermocouple negative input (IN-)
Each input channel on the RTD-122 has three terminals:
1. Excitation output (EXCITE)
2. Sensing input (SENSE)
3. Common input (COM)
Each input channel on the RTD-124 has four terminals:
1. Excitation output (EXCITE)
2. Positive sensing input (SENSE+)
3. Negative sensing input (SENSE–)
4. Common input (COM)
Thermocouple and RTD Modules for Compact FieldPoint and FieldPoint
2 National Instruments • Tel: (800) 433-3488 • Fax: (512) 683-9300 • [email protected] • ni.com
EX+ (Ch 0)
[c]FP-RTD-122
SENSE (Ch 0)
COM (Ch 0)
Two-Wire RTD
ShortJumper
Wire
EX+ (Ch 1)
SENSE (Ch 1)
COM (Ch 1)
Three-Wire RTD
EX+ (Ch 7)
SENSE (Ch 7)
COM (Ch 7)
Four-Wire RTD
Leave this wire unconnected
SENSE+ (Ch 0)
[c]FP-RTD-124
SENSE–(Ch 0)
COM (Ch 0)
EXCITE+ (Ch 0)
Two-Wire RTD
ShortJumper
Wire
ShortJumperWires
SENSE+ (Ch 1)
SENSE–(Ch 1)
COM (Ch 1)
EXCITE+ (Ch 1)
Three-Wire RTD
SENSE+ (Ch 7)
SENSE–(Ch 7)
COM (Ch 7)
EXCITE+
Four-Wire RTD
(Ch 7)
Thermocouple
[c]FP-TC-120
IN(–)
IN(+)
Shield
CV
To Next Channel
Figure 1. Wiring Schematic for RTD and TC Module
16
Pyranometer detektierenmit einer internen Fotodiode die einfallende Solarstrahlung und
gebeneinSpannungssignalandasFeldbusmodulweiter.DerSpannungspegelkanndurcheine
annähernd lineare Kennlinie einem Solarstrahlungswert in Watt pro Quadratmeter
zugeordnetwerden.Die linear approximierteKennliniederPyranometer ist softwareseitig
implementiertundgibtdenStrahlungswertindasProgrammweiter[18].
FürdieDurchflussmessungsindImpulszählerverbaut,diealle72MillilitereinenImpulsandie
Fieldpoint Module senden. Der Volumenstrom beider Solarkreise sowie der Verbraucher
werden erfasst. Mit den Hochgeschwindigkeitsmodulen ist es möglich, den Impuls im
Millisekunden-BereichzudetektierenumsodenMessfehlerzuminimieren[12].
DasZeitintervallDtzwischendenZählerimpulsenkannsoberechnetwerden.Weiterhin ist
dasVolumenzwischenzweiImpulsenDVmit72Milliliternbekannt.SokannderDurchfluss!indenRohrleitungenmitderFormel
! = DVDt
berechnetwerden.
AusdenbisherbekanntenTemperaturenunddenDurchflusswertenistesmöglich,auchden
gegenwärtigenWärmestrom&derAnlagenzuberechnen.
& =! ∗ ( ∗ ) ∗ (+, − +.)
Für die Berechnung der Temperaturdifferenz+, − +.werden die Temperaturenmöglichst
nahe am Speicher gewählt. So wird der tatsächlich geleitsteteWärmeeintrag erfasst und
etwaige Verluste berücksichtigt. Bemerkbar machen sich die Wärmeverluste bei den
Solarkollektoren.DieWassertemperaturenamKollektoraustrittsindmarginalhöheralsdie
TemperaturenamSpeichereintritt,bedingtdurchVerlusteimZugederRohrleitungen.
DieDichter,sowiediespezifischeWärmekapazitätcsindFaktoren,diesowohlvomMedium
selbst und auch von dessen Temperatur abhängen. In der Berechnung zumWärmestrom
werdendieseEigenschaftenübereineimProgrammhinterlegteKennlinieberücksichtigt.Die
KennliniendesWärmeträgermediumsderSolarkreisesowiediedesWasserssindimAnhang
A.2zufinden.[19]
17
3.4 SteuerungderFeldgeräte
ZudenAktorenderAnlagegehörenelektromagnetischeVentileindenVerbrauchereinheiten.
Die Ventile sind im stromlosen Zustand geschlossen.Über Schaltbefehle aus der LabVIEW
ProgrammierungschaltendieFeldbusmoduledieVersorgungsspannungenvon24Vaufdie
Ventile.Dieseöffnendannsolange,wiedieSpannungamdigitalenAusganganliegt.
DieHeizlüftersowiedieErhitzerpumpensindAktoren,dieinihrerDrehzahlvariabelverändert
werden können.Möglich ist das, über ein pulsweitenmoduliertes Signal,welches von den
Feldbusmodulen generiertet wird. Die PWM- Module erhalten über die LabVIEW
ProgrammierungeinSignalimBereichvon0–100Prozent.
EinpulsweitenmoduliertesSignalwirddurchzweiKennwertebeschrieben,demTastverhältnis
undderFrequenz.DasTastverhältnisbeschreibtdasVerhältnisderHigh-DauerzurLow-Dauer
währendeinerPeriodezudervorgegebenenFrequenz.JegrößerdieserWertist,destohöher
istauchdasPWM-Signal.EswirddieWeitedesHigh-Pulsesbeeinflusstundsomitauchdie
DrehzahlderKomponenten[20].DieHeizlüfterdrehzahlverhältsichproportionalzumPWM-
SignalderModule.Vondieser Logikabweichend, funktionierendieErhitzerpumpen.Diese
steigernihreDrehzahlmitabnehmenPWM-SignalwieinAbbildung3-6dargestellt.
Abbildung3-6:PWMKennlinieErhitzerpumpe[21]
18
4 Programmierung
LabVIEWbietetdieMöglichkeit,sehrstrukturierteProgrammezugestalten.Sobefindensich
alleBestandteileeinesProgrammesineinemLabVIEW-Projekt.DieKonfigurationsdateider
FieldpointModuleistebensoindiesemProjektenthaltenwiealleProgrammbausteine.Ein
solcher Programmbaustein wird unter LabVIEW als Virtual Instrument, oder Kurz VI
bezeichnet.StrukturiertisteinVIinzweiProgrammierebenen.DieEbeneimVordergrundwird
alsFrontpanelbezeichnet.DieserBereichstelltzugleichauchdieBenutzeroberflächedar.Im
Hintergrundwirkt das Blockdiagramm, auf dem die Programmierung stattfindet. Auf dem
Blockschaltbild befindet sich die Programmlogik, die nachdemDatenflussprinzip von links
nachrechtsaufdergrafischenOberflächefunktioniert.Dasbedeutet,Datenwerdenindas
ProgrammaufderlinkenProgrammseiteeingelesen,anschließendverarbeitetunddannim
rechtenTeil ausgegeben.Dabei kanneinProgramteil erst vollständigdurchlaufenwerden,
wennallegefordertenDatenanliegen.
Sub-VIssindProgrammbausteine,dieauseinemHauptprogrammaufgerufenwerdenkönnen.
Programmteilekönnensostrukturiertausgelagertwerden.DasDatenflussprinzipbleibtauch
hier erhalten, so startet ein Sub-VI erst, nachdem alle Eingangsdaten, aus dem
übergeordnetenHauptprogrammanliegen.ErstnachderBearbeitungderDatengibtdasSub-
VIdenDatenflussimHauptprogrammwiederfreiundsendetdieAusgangsdaten.Sowiedas
HautprogrammsindauchalleSub-VIsindemProjektverzeichnisenthalten.EinProjektkann
soübersichtlichmiteinemHautprogrammgestaltetwerden.DarauswerdendanndieSub-VI
aufgerufen,diedemHauptprogrammunterliegen[8].
Im Folgenden werden die Programmstruktur und Bestandteile des LabVIEW Projektes
erläutert.
4.1 Programmstruktur
Die Struktur für die Programmierung der thermischen Solaranlage ist in Abbildung 4-1
dargestellt.KerndesLabVIEWProjektsistdasHauptprogramm-VImitunterlagertenSub-VIs.
NachdemProgrammstartwirddasHauptprogrammgestartetundmitdenuntergeordneten
Sub-VIsabgearbeitet.DieserVorgangwirdübereineZeitschleifeerneutausgeführt,bisdas
Programmgestopptwird.DieBearbeitungvonHauptprogrammmitdenUnterprogrammen
dauert nur wenige Millisekunden. Um Ressourcen zu schonen ist die Schleife mit 100
Millisekundengetaktet.Sowirdalle100MillisekundendasProgrammerneutausgeführt.
19
Abbildung4-1:LabVIEWProgrammstruktur
FürdieSteuerungderMSR-Anlage istdieseZeitspanne,bedingtdurchdieSystemträgheit,
gerechtfertigt.WeiterhinwurdedieDurchlaufzeitwiefolgtvalidiert.
Die maximale Schleifendauer wird durch die Durchflussberechnung begrenzt.
Ausschlaggebend ist die Zeit zwischen zwei Impulsen der Durchflusszähler. Die ideale
Schleifendauer wurde iterativ ermittelt. Bedingt durch die Dimensionierung des
Rohrleitungssystems, sind höhere Volumenströmemit der vorhandenen Anlage technisch
nichtrealisierbar,sodassbeieinerTestmessungmitmaximalerAussteuerungeineZeitspanne
zwischen zwei Impulsen von größer als 300Millisekunden ermittelt wurde. Die gewählte
SchleifendauerbeträgteinDrittelderminimalenZeitspanneund isteinguterKompromiss
zwischenMessgenauigkeitundRessourcenauslastung.
Ein weiterer Vorteil der Zeitschleife ist die Zeitsteuerung in einem Programmablauf. Des
ÖfterenwirdeinEventnuralle10Sekundenausgeführt.Soentsprechen10Sekundengenau
100Schleifendurchläufe,aufBasisder100MillisekundenTaktung.MitdieserLogikkannein
effizientesTimingrealisiertwerdenundaufZeitbausteinevonNIverzichtetwerde.
Labview Projekt
Hauptprogramm- VI
Schleife100ms
Sub-VI Sub-VISub-VI Sub-VI
Start StopBlockdiagramm
Frontpanel
20
4.2 Programmbausteine
Jeder Programmbaustein im Projektverzeichnis hat eine bestimmte Funktion. Tabelle 4-1
liefert einen Überblick über die einzelnen Bestandteile und zeigt die Beschaltung im
BlockdiagrammmitEin-undAusgabewertenderSub-VIs.
AlleLabVIEWProgrammbausteinetragendieDateiendung .viundsind,fallsessichumein
Sub-VIhandelt,mitdemZusatz(SubVI)versehen.
UmjedenNutzerderAnlageeinenZugriffaufdasProjektzuermöglichen,sindalleDateien
aufderPartitionD,unterD:\NI_Solar_Testgespeichert.
Tabelle4-1:FunktionsübersichtProgrammbausteine
Dateiname FunktionundBeschaltung
Main_program.vi
HauptprogrammVI
StelltBenutzeroberflächezurVerfügung
AufrufallerSub-VIsimProgrammablauf
KommunikationzwischendenSub-VIs
ÜberZeitschleifegetriggert
Flow_Counter_Slot_1(SubVI).vi
VerarbeitungderImpulseausZählermodulSlot1
BerechnungderVolumenströme
AusgabederVolumenströme
Heating_System(SubVI).viSteuerungundRegelungderRaumheizungen
KoordinationderBetriebsarten
21
Power_Measurements(SubVI).vi
VerarbeitungderVolumenströmeundTemperaturenzur
BerechnungderWärmeströme
AusgabederWärmeströme
Pyranometer_Slot_5(SubVI).viVerarbeitungderMesswertevonModulSlot5
AusgabederSonneneinstrahlung
Save_Data(SubVI).vi SteuerungderDatenspeicherungineineDatei
Tapping_system(SubVI).viSteuerungderVerbraucherzapfsysteme
KoordinationundAusgabederBetriebsarten
Temp_Measurements_Slot_2(SubVI).viVerarbeitungderTemperaturmesswertevonModulSlot2
AusgabederTemperaturen
22
Temp_Measurements_Slot_3(SubVI).viVerarbeitungderTemperaturmesswertevonModulSlot3
AusgabederTemperaturen
Temp_Measurements_Slot_4(SubVI).viVerarbeitungderTemperaturmesswertevonModulSlot4
AusgabederTemperaturen
DieBlockdiagrammederProgrammbausteinesindunterAnhangA.3zufinden.
23
5 FunktionsbeschreibungundHandhabung
NachdemimvorherigenKapiteldieProgrammstrukturinderTiefeerläutertwurde,werden
nun die Benutzeroberfläche und der Funktionsumfang erörtert. Der Frontpanel des
HautprogrammsstelltdieBenutzeroberflächeher.ÜberRegisterkartenaufdemFrontpanel
kann zwischen vier Ansichten gewählt werden, die verschiedene Funktionen beinhalten.
Abbildung5-1zeigteineÜbersichtdereinzelnenRegisterkarten.
Abbildung5-1:ÜbersichtRegisterkarten
DerFunktionsumfangsowiedieHandhabungdereinzelnenBereichewirdnunbeschrieben
undabschließendeinMessdatenbeispielaufgezeigt.
5.1 ÜbersichtallerMesswerte
Die erste Registerkarte „measurements“ zeigt eine Übersicht der gesamten Anlage. Diese
BenutzeroberflächedientausschließlichalsMonitoring-OberflächeundistinAbbildung5-2
dargestellt.
Abbildung5-2:FrontpanelÜbersichtAnlage
24
Im linken Bildteil ist die Anlage des Vakuumröhrenkollektors und Solarspeicher eins
dargestellt.DerFlachkollektormitThermosiphonspeicherbefindetsich imrechtenTeilder
Ansicht. Alle Messwerte der Anlage werden angezeigt, ebenso der Betriebsstatus der
Verbrauchersysteme. Ein Signalverlaufsdiagramm zeigt die Sonneneinstrahlung und ist im
oberenBildteil in derMitte zu finden.Die aktuelle StellungderUmschaltventile ist in der
Bildmitteersichtlich.WirdeineUmschaltungderSpeichervorgenommen,sopasstsichdas
hydraulische Schema dynamisch an. Die Aktualisierung der Messwerte erfolgt im 100
MillisekundenTakt.
Bei Betätigung des Stopps- Knopfes werden alle Messwerte mit dem initialen Wert 0
beschriebenundangezeigt.
5.2 SteuerungVerbraucherzapfsystem
Die Bedienung des Verbraucherzapfsystems ist auf der Registerkarte „tapping system“ zu
finden. Über ein Auswahlfeld kann die Betriebsart gewählt werden, vorausgesetzt die
Raumheizungistausgeschalten.DieeinzelnenBetriebsartensindinTabelle5-1aufgezeigt.Es
wirddieFunktiondereinzelnenBetriebsartenbeschrieben,ebensoeinFrontpanelausschnitt
abgebildet.
Tabelle5-1:FunktionenVerbraucherzapfsystem
Betriebsmodus Funktion
Off DasZapfsystemistausunddieRaumheizungistfreigegeben.
Handtapping
HandbetriebdereinzelnenZapfventileüberTaster.
25
Automaxtemptapping
DiemaximaleSpeichertemperaturwirdeingestellt.Istdie
Maximaltemperaturüberschritten,öffnendieZapfventileso
lange,bisderSollwerterreichtwird.DieEinstellungkannfürjeden
Speicherseparatvorgenommenwerden.UmeineTaktungzu
vermeiden,isteineHysteresevonzweiKelvineingestellt.
Autofiletapping
UmeinenTageswasserverbrauchzusimulieren,wirdeineCSV-
Datei(Comma-separatedvalues)eingelesenunddieVentile
entsprechendderVorgabebetätigt.WelcheVentilegeöffnet
werden,dieUhrzeitunddiegezapfteEnergiemengewerdenvon
derDateivorgegeben.DieCSV-DateikannwährenddesBetriebs
neueingelesenwerden.
UnabhängigvonBetriebsmodusderZapfanlagewerdendieTemperaturenundDurchflüsse
beiderZapfsystemeangezeigt.DerBetriebszustandderZapfventilewirdaufdemFrontpanel
dynamischangezeigt.DieDarstellungeinerZapfeinheit ist inAbbildung5-3abgebildetund
zeigteinenAusschnittimaktivenBetrieb.
Abbildung5-3:FrontpanelVerbraucherzapfsystem
26
EinBeispielderCSV-DateifürdieVerbrauchersimulationistinAbbildung5-4dargestellt.In
dererstenSpaltewirddieUhrzeiteingestellt,wanndiejeweiligeSimulationstartensoll.Dabei
istzubeachten,dassdieZellennichtalsDatumformatiertwerden,sondernalsZahlmitder
NomenklaturHH:MM:SSeingestelltwerden.IndendarauffolgendenSpaltenwirdbinärdie
Ventilstellung eingetragen. Soll ein Ventil in einem Zapfzyklus geöffnet werden ist eine 1
einzutragen.BeieinemNulleintragbleibtdasVentilgeschlossen.IndenletztenbeidenSpalten
wirdfestgelegt,welcheEnergiemengeausdemjeweiligenSpeicherentnommenwerdensoll.
Die Energiemenge wird in Kilowattstunden als Dezimalzahl, nach Belieben mit einer
Nachkommastelle, eingetragen. Die erste Zeile dient zur Beschreibung und ist frei
verwendbar.
AlsSpeicherortderCSV-DateiwurdefolgenderPfadfestgelegt:D:\Tapping_Plan.csv.
Abbildung5-4:DateifürVerbrauchersimulation
5.3 SteuerungundRegelungderRaumheizung
In der Registerkarte „heating system“ ist die Regelung und Steuerung der Raumheizung
implementiert. Wie bei dem Verbraucherzapfsystem, gibt es auch hier verschiede
Betriebsarten.Dabeikannerstgewähltwerden,wennsichdasVerbraucherzapfsystemimOff-
Modusbefindet.EslässtsichzwischenHand-undAutomatikbetriebwählen.ImHandbetrieb
könnenalleAktorenderRaumheizungsanlagebeliebiggeschaltetwerden.DieDrehzahlder
Lüfter und Pumpen kann variabel verändert werden. Abbildung 5-5 zeigt die
BedienoberflächeaufdemFrontpanelimHandbetrieb.InAbbildung5-6istdasdazugehörige
SchemamitallenBetriebsdatenabgebildet.
27
Abbildung5-5:FrontpanelBedienoberflächeRaumheizungAbbildung5-6:FrontpanelBetriebsdatenRaumheizung
Im Automatikbetrieb ändert sich die Bedienoberfläche, dargestellt in Abbildung 5-7. Der
gewünschte Sollwert der Raumtemperaturwird eingestellt und die Anlage übernimmt die
RegelungderRaumtemperatur.
Abbildung5-7:FrontpanelAutomatikbetriebRaumheizung
Um eine Taktung zu vermeiden, ist eine Hysterese von zwei Kelvin der Raumtemperatur
eingestellt.DiebeidenRaumheizungenwerdeninderStandarteinstellungparallelbetrieben.
ÜberdiebeidenTaster „roomheating1(2)auto“kanndieBetriebsfreigebeder jeweiligen
Raumheizungentzogenodererteiltwerden.ImaktivenHeizbetriebwirddieLüfterdrehzahl
28
auf 100% gestellt, um denmaximalen Luftstrom durch das Erhitzerregister zu leiten. Die
DrehzahlregelungderPumpenerfolgtüberdieTemperaturdifferenzvonVor-undRücklauf
derHeizregister.StandardmäßigisteineTemperaturdifferenzvon15Kelvineingestellt,dieser
Sollwert kann auf dem Frontpanel verändert werden. Die Regelung der Pumpendrehzahl
erfolgt über PID- Regler. Veränderungen der Reglereinstellungen können im Sub-VI
„Heating_System(SubVI)“vorgenommenwerden.
DieLüfterderHeizregisterhabenimBetriebeinestarkeGeräuschemission.UmeineNutzung
desRaumes zuermöglichen, ist esnotwendig, dieRaumheizung zudeaktivieren.Mitdem
Präsenztaster wird die Raumheizung für einen einstellbaren Zeitraum deaktiviert und die
Nutzungermöglicht.NachAblaufderPräsenzzeitwirdwiedereinregulärerAutomatikbetrieb
hergestellt.DerPräsenzbetriebwirdübereineStatusLEDvisualisiertunddieverbleibende
ZeitimPräsenzmodusübereineCount-DownAnzeigevisualisiert.
5.4 Datenspeicherung
UmdieMessdaten fürAuswertungszweckeübereinen längerenZeitraumzuspeichern, ist
unterdemReiter „dataexport“eineMessdatenspeicherung implementiert.Abbildung5-8
zeigt die Frontpaneloberfläche dieser Funktion. Ist der Button „save data“ aktiv wird die
Datenaufzeichnunggestartet.RechtsnebendemKnopfbefindetsichdieEinstellungfürdas
Zeitintervall der einzelnen Messwerte. So kann beliebig angepasst werden, in welcher
zeitlichenAuflösungdieMessdatenaufgenommenwerden.
Abbildung5-8:FrontpanelDatenspeicherung
29
Wird die Aufzeichnung aktiviert, so generiert das Programm eine CSV- Datei mit den
Messwerten und ergänzt diese im eingestellten Intervall mit weiteren Datensätzen. Die
BezeichnungderExportdateikannunter„filesettings“eingestelltwerden.DieBezeichnung
derDateiiststandardmäßigwiefolgtaufgebaut
measurments1_45°_TT.MM.JJJJ_.csv
Das aktuelle Datum wird vom System eingetragen. Wird während der Aufzeichnung das
Textfeld im Frontpanel verändert, so wird eine neue Datei angelegt. Wird die Messung
unterbrochenundzueinemspäterenZeitpunktmitgleicherDateibezeichnungundamselben
Tag fortgesetzt, so werden die Messdaten an das Ende der Liste angehängt. Geht eine
Messungübereinen längerenZeitraum, sowird für jedenTageineDateiangelegt.Das ist
notwendig,umdieGrößederDateienzulimitieren.
Die Dateien werden in einem Ordner unter D:\Solar_Test_System_Measurements
gespeichert.DerOrdnerkanndirektüberdieFrontpanelBedienunggeöffnetwerden.
DieCSV-DateikannmiteinemTabellenkalkulationsprogrammgeöffnetundweiterverarbeitet
werden.JedeDateihateineKopfzeilemitdemDatumunddenMesserwertbezeichnungen.
DabeisindalleSensorenmiteinereindeutigenNummergekennzeichnet.DieSensornummer
entsprichtdenphysikalischenEingangamFieldpointModulundistauchimAnlagenschema
vermerkt.SowirddieZuordnungderMesswertevereinfacht.
UnterderKopfzeilewerdendieMessdatenfortlaufendmit ihremZeitstempelaufgetragen.
EinAusschnitteinerDatenspeicherungistinAbbildung5-9gezeigt.DortistderUmfangder
gespeichertenSensordatenersichtlich.
Abbildung5-9:BeispielDatenspeicherung
30
5.5 Messdatenbeispiel
MitHilfederMessdatenspeicherungistesmöglich,exakteBetriebsdatenübereinenlangen
Zeitraumzuerhaltenundauszuwerten.AusdendarausgewonnenErkenntnissenlassensich
AussagenüberdieEffizienzundoptimaleBetriebsbereichedesSystemstreffen.
EineexemplarischeMessdatenauswertung ist inAbbildung5-10dargestellt.Dabeiwurden
dieAnlagendatenübereinenVormittaghinwegerfasstundgraphischausgewertet.
Abbildung5-10:MessdatenauswertungSolarkreislauf
Die obere Trendlinie zeigt die in den Speicher eingespeist Temperatur. Im mittleren
Bildabschnitt istdieSolarstrahlungaufdenKollektoraufgetragen.DerunterTeil zeigtden
VolumenstromimSolarkreislauf.BeigenauererBetrachtungderAuswertungfallendiebeiden
orangemarkierten Bereiche besonders auf. Die linkeMarkierung zeigt die Startphase der
Anlage am Morgen. Detektiert die Solarstation, dass ausreichend Wärme im Kollektor
absorbiert wird, starte die Solaranlage. Dabei wird kontinuierlich der Volumenstrom im
Solarkreislauferhöht.ZuBeginnfälltdieTemperaturderEinspeisungleichtab,dadasüber
dieNachtabgekühlteFluiddieRohrleitungerstdurchströmenmuss.Anschließenderreicht
das warme Fluidgemisch den Temperaturfühler, was zu einem raschen Anstieg der
31
Temperatur führt. Nach dem Einschwingvorgang stellt sich ein stabiler Gradient der
Temperaturein,welcherannäherndproportionalzurdenStrahlungswertenist.
Im späteren Verlauf der Messung ist eine auftretende Bewölkung erkennbar. Die
SolarstrahlungswertebrechenschlagartigeinundsomitnimmtauchdieWärmeenergieder
Kollektorenab.DieshatwiederumzurFolge,dassdieTemperaturderEinspeisungabnimmt,
wasimrechtenBereichderAbbildungdeutlichwird.
Analog zu der Seite, die den Energieeintrag liefert, kann auch die Verbraucherseite so
analysiert werden. Dazu wurde parallel zu der Datenaufzeichnung eine
Verbrauchersimulation gestartet. In Abbildung 5-11 ist die grafische Auswertung dazu
abgebildet.WerdendieZapfventilegeöffnet,sosinktdieSpeichertemperaturab,abhängig
davon,welcheEnergiemengegezapftwird.WirdWärmeindenSpeichereingespeist,sosteigt
dieTemperaturwiederan.
Abbildung5-11:MessdatenauswertungVerbrauch
Bei den vorangegangenen Auswertungen wurde nur eine Kollektoranlage betrachtet. Die
AuswertungenlassensichbeliebigaufbeideKollektoranlagenausweiten.
0
10
20
30
40
50
60
Temperaturin°C
Uhrzeit
Verbrauchersimulation
Temperatur EinspeisungKollektoren Temperatur Speicher ZapfventileAUF/ZU
32
6 ZusammenfassungundAusblick
Ziel war der Arbeit war eine Neugestaltung der Steuerung und Regelung der
Solarthermieanlage des Lehrstuhls für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik. Als
Funktionsumfang wurde neben der Messwerterfassung und Bedienung der
AnlagenkomponentenaucheineMessdatenspeicherung realisiert.DurchdasAufteilender
Arbeit in einzelne Projektphasen war eine schrittweise und strukturierte Bearbeitung
gewährsleistet.
DabeiwurdediebestehendeSolarthermieanlagemitallenKomponentenanalysiertundauch
dokumentiert.DasdarausentstandeneAnlagenschemaistessenziell,umdieVersuchsanlage
undihrenBetriebsablaufnachzuvollziehen.DieInteraktionderFeldgerätemitdenFieldpoint
ModulensowiedieAnbindungandenLabVIEW-PCwurdenaufgezeigtundnähererläutert.
Mit der neuen Konfiguration der Feldbusmodule wurde eine einheitliche Nomenklatur
geschaffen,diesichüberdasAnlagenschemabishinzurAnwenderoberflächeerstreckt.Um
das Design des Programms zu erläutern, wurde eine Einführung in die LabVIEW
Programmierunggegeben.DermodulareundflexibleProgrammaufbaumitHauptprogramm
undSub-VIswurdeanschließendverdeutlicht.DieganzheitlicheFunktionsbeschreibungder
erstelltenProgrammierungsowieeinMessdatenbeispielschließendieArbeitab.
MitderbenutzerfreundlichenAnwenderoberflächebietetdieAnlagenundieMöglichkeitfür
wissenschaftlicheAnalysenderSolarthermieanlage.DieProgrammierungwurdeeffizientund
strukturiert realisiert und ist durch den modularen Aufbau leicht erweiterbar. In die
Gestaltung und Umsetzung der Analgenfunktionen sowie der Programmierung flossen
AnlagenkenntnisseundErfahrungenausderMess-,Steuer-undRegelungstechnikmitein.
DieSolarthermieanlagebieteteinesehrguteMöglichkeit,dieVorgängeundFunktionen in
einem Solarthermie System zu verstehen, sowie sehr aufschlussreiche Messungen und
Datenauswertungenzugenerieren.DashierausgearbeiteteundumgesetzteKonzeptbietet
dieidealeBasisfürdaswissenschaftlicheArbeitenmiteinerSolarthermieanlage.
33
AAnhang
AnmerkungzuQuellenangabenderBilderundIconsaufdemFrontpanel
IconsaufdemFrontpanel:
http://www.flaticon.com
http://www.iconarchive.com
BildRöhrenkollektor:
https://www.solarbayer.de/images/products/collectors/cpc_nero/Roehrenkollektor-CPC-
Nero-1200-1200.jpg,Zugriffam05.05.2017
BildFlachkollektor:
http://www.hohage-co.de/Solar%20technik.html,Zugriffam05.05.2017
BildSolarstationBuderus:
http://будерус.рф/catalog/solnechnye_kollektory_stanzia_logasol_ks/0105_sc20_white_77
47009471.html,Zugriffam28.06.2017
Pyranometer:
http://www.fuehlersysteme.de/pyranometer.html,Zugriffam28.06.2017
34
A.1Datenpunktliste
DATA
POINT
LIST
Fiel
dPoi
nt
Mod
ulSl
otA
dr.
Type
Nam
eC
allib
ratio
nFP-2015
0CP
U
FP-CTR
-500
10Co
unter-IN
flowcou
ntersolarcircuit1
1Co
unter-IN
flowcou
ntersolarcircuit2
2Co
unter-IN
flowcou
nterfe
edline
tank1
3Co
unter-IN
flowcou
nterfe
edline
tank2
4Co
unter-IN
5Co
unter-IN
6Co
unter-IN
7Co
unter-IN
FP-RTD
-124
20Analog-IN
tempe
ratureta
ppingtank1
1Analog-IN
flowte
mpe
ratureta
nk1
-0.206662835+1.002280938*x-7.71779E-05*x**2+5.81222E-07*x**3
2Analog-IN
returnte
mpe
ratureta
nk1
-0.252009582+1.003332176*x-9.18833E-05*x**2+6.50349E-07*x**3
3Analog-IN
feed
tempe
ratureta
nk1
-0.225423214+1.002770874*x-7.83357E-05*x**2+5.60887E-07*x**3
4Analog-IN
tempe
ratureta
ppingtank2
-0.137517949+1.002698605*x-7.30347E-05*x**2+5.16647E-07*x**3
5Analog-IN
feed
tempe
ratureta
nk2
-0.301075422+1.002815485*x-8.94786E-05*x**2+6.43917E-07*x**3
6Analog-IN
flowte
mpe
ratureta
nk2
-0.234452485+1.001704024*x-7.94949E-05*x**2+5.80302E-07*x**3
7Analog-IN
returnte
mpe
ratureta
nk2
-0.201464963+1.002433564*x-6.89502E-05*x**2+5.1004E-07*x**3
FP-RTD
-124
30Analog-IN
tempe
raturehotwaterta
nk1
1Analog-IN
tempe
raturehotwaterta
nk2
2Analog-IN
3Analog-IN
feed
tempe
ratureflatplatecollector
4Analog-IN
returnte
mpe
ratureflatplatecollector
5Analog-IN
feed
tempe
ratureevacuated
tube
collector
6Analog-IN
returnte
mpe
ratureevacuated
tube
collector
7Analog-IN
FP-RTD
-124
40Analog-IN
1Analog-IN
2Analog-IN
outdoo
rtempe
raturecollectorsurface
3Analog-IN
tempe
ratureflatplatecollector
4Analog-IN
tempe
ratureevacuated
tube
collector
5Analog-IN
room
tempe
rature
6Analog-IN
7Analog-IN
35
Fiel
dPoi
nt
Mod
ulSl
otA
dr.
Type
Nam
eC
allib
ratio
nFP-AI-1
105
0An
alog-IN
1An
alog-IN
pyrano
meterso
larS
P2
(x-0,004)*100000
2An
alog-IN
3An
alog-IN
pyrano
meterPVSP1
(x-0,004)*100000
4An
alog-IN
pyrano
meterCMP11
(x-0,004)*100000
5An
alog-IN
6An
alog-IN
7An
alog-IN
FP-DO-403
60Digital-OUT
tapp
ingvalve1tank1
1Digital-OUT
tapp
ingvalve2tank1
2Digital-OUT
tapp
ingvalve3tank1
3Digital-OUT
tapp
ingvalve1tank2
4Digital-OUT
tapp
ingvalve2tank2
5Digital-OUT
tapp
ingvalve3tank2
6Digital-OUT
7Digital-OUT
heatingvalve2
8Digital-OUT
enablesignalfanhe
ater1
9Digital-OUT
enablesignalfanhe
ater2
10Digital-OUT
heatingvalve1
11Digital-OUT
12Digital-OUT
13Digital-OUT
14Digital-OUT
15Digital-OUT
FP-PWM-520
70PW
Mhe
atingpu
mp1
1PW
Mhe
atingpu
mp2
2PW
Mcontrolsignalfanheater1
3PW
Mcontrolsignalfanheater2
4PW
M5PW
M6PW
M7PW
M
36
A.2ThermodynamischeKennwerte
TermodynamischeKennwerteDichteundWärmekapazitäz
Temperatur[°C] Temperatur[°C]Wasser Glycol Wasser Glycol
0 4,2199 3,52 0 0,99980004 1,04510 4,1959 3,56 4 120 4,1851 3,6 10 0,99970009 1,0430 4,1803 3,64 15 0,99920063940 4,1788 3,68 20 0,998302885 1,03450 4,1798 3,72 25 0,99710838660 4,1829 3,76 30 0,995718411 1,02970 4,1882 3,8 35 0,994035785
40 0,992260369 1,02145 0,99019704950 0,98804466 1,01555 0,98570724560 0,983187494 1,00865 0,98048828370 0,977708252 1,001
Anmerkung: InterpolationmitMicrosoftExcelQuellen:spez.Wärmek.Wasser: P.v.Böckh,M.Stripf,TechnischeThermodynamik,Berlin/Heidelberg:SpringerVieweg,2015.(Seite528)DichteWasser: K.Langeheinecke,P.JanyundG.Thieleke,ThermodynamikfurIngenieure,Wiesbaden:SpringerVieweg,2013.(Seite325)Glycol: T.Chemie,„TechnischeInformationGebrauchsfertigeSpezial-Wärmeträgerflüssigketi,“2013.[Online].
http://www.tyfo.de/uploads/TI/TI-TYFOCOR-LS_de_2013.pdf?PHPSESSID=73378e1f98a960fe5858a92966f91bb4.[19.07.17].
SpezifischeWärmekapazität[kJ/kg·K] Dichte[kg/dm3]
y=2E-05x2 - 0,0018x+4,2159
y=0,004x+3,523,43,63,84
4,24,4
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Spezifische
Wärmekapazitä
t[kJ/kg·K]
Temperatur[°C]
SpezifischeWärmekapazität
Wasser
Glycol
y=-4E-06x2 - 2E-05x+1,0002
y=-2E-06x2 - 0,0005x+1,0452
0,970,980,99
11,011,021,031,041,05
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Dichte[kg/dm
3]
Temperatur[°C]
Dichte
Wasser
Glycol
37
A.3BlockdiagrammderProgrammbausteine
Main_Programm.vi
38
Flow_Counter_Slot_1(SubVI).vi(FalseCase)
39
Flow_Counter_Slot_1(SubVI).vi(TrueCase)
40
Heating_System(SubVI).vi
NochScreenshotseinfügen
41
Power_Measurements(SubVI).vi
Pyranometer_Slot_5(SubVI).vi
42
Save_Data(SubVI).vi
43
Tapping_system(SubVI).vi(AutoModeFile)
Tapping_system(SubVI).vi(AutoModeMax.Temp.)
44
Temp_Measurements_Slot_2(SubVI).vi
Temp_Measurements_Slot_3(SubVI).vi
45
Temp_Measurements_Slot_4(SubVI).vi
46
A.4DatenaufCD
Inhalt:
Bachelorarbeit
AbschlussPräsentation
AnlagenschemainPDFundVisio-Format
LabVIEW-ProjektOrdner
VorlageVerbraucherzapfplan
MessdatenTestmessung
ThermodynamischeDatenDichteundWärmekapazität
Literatur
47
Literaturverzeichnis
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Wärmeträgerflüssigketi,“2013.[Online].Available:http://www.tyfo.de/uploads/TI/TI-
TYFOCOR-LS_de_2013.pdf?PHPSESSID=73378e1f98a960fe5858a92966f91bb4.[Zugriff
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http://www.ni.com/pdf/products/us/cfp_fp_thermocouple_rtd.pdf.[Zugriffam1407
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[Online].Available:http://www.ni.com/pdf/products/us/4dio553_555.pdf.[Zugriffam
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[Online].Available:http://www.ni.com/pdf/products/us/4dio569_571.pdf.[Zugriffam
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FieldPoint,“[Online].Available:http://www.ni.com/pdf/products/us/4dio581_582.pdf.
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http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/9C90B9A416A509DD86257EF2007C1926.
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[21]W.S.Xylem,„HVACOEMCirculators,“XylemWaterSolutionsItaliaSrl,Lainate,Italien,
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