Selbstbauprojekt: Linux steuert Wärmepumpe

Eine Volksweisheit meint, ein Mann solle in seinem Leben ein Kind zeugen, einen Baum pflanzen und ein Haus bauen. Diese antiquierten Vorgaben habe ich erfüllt, merke aber an, dass sich der Hausbau im Vergleich zum Kinderzeugen und Bäumepflanzen wesentlich mühsamer gestaltet hat. Zumal dabei Entscheidungen zu treffen sind, die man(n) a priori in ihrer Tragweite schwer abschätzen kann. Eine ist die des Heizungssystems.

Der Familienrat wählte letztendlich eine Fußbodenheizung, gespeist über eine Wärmepumpe mit Tiefenbohrung. Das ist zwar teuer in der Anschaffung, dafür aber nahezu wartungsfrei und kostengünstig im Betrieb. Also ließ ich diese einbauen und zwei Löcher, je 90 Meter tief, in die Erde bohren.

Unscharf formuliert funktioniert ein Wärmepumpensystem umgekehrt wie ein Kühlschrank: Während der Kühlschrank seinem Inneren Wärme entzieht und über Metallrippen auf der Rückseite in die Raumluft abgibt, erwärmt die Wärmepumpe das durch die Rohre der Fußbodenheizung gepumpte Wasser durch "Kälteentzug". Ein Wasser-Glykol-Gemisch übernimmt diese "Kälte" über einen Wärmetauscher, führt sie über einen geschlossenen Kreislauf in den Erdboden ab und erwärmt sich dabei wieder.

Die technische Umsetzung des zugrunde liegenden thermodynamischen Vorgangs (Verdampfen, Komprimieren, Verflüssigen, Expandieren) benötigt elektrische Energie. Diese Antriebsleistung beträgt jedoch nur zirka ein Viertel der tatsächlich erzeugten Heizleistung. Das ist effizient und spart im Vergleich zu anderen Heizsystemen Kosten [1].

Scheitern als Antrieb

Für die Mehrheit der Hausbesitzer mag der physikalische Hintergrund uninteressant sein - sie will es einfach angenehm warm haben und möglichst wenig dafür bezahlen. Mir ging es nach der Inbetriebnahme im Sommer 2007 ähnlich. Der graue, waschmaschinengroße Kasten brummte im Keller mit seiner Standardeinstellung zufriedenstellend vor sich hin - vergleichbar mit einem Apache-Webserver, der mit der Default-»httpd.conf« auch (einigermaßen) funktioniert.

Andererseits: Bei jedem meiner 50-Euro-Elektrogeräte studiere ich brav die Gebrauchsanleitung und stelle es sorgfältig ein. Sollte ich einer Wärmepumpenanlage für 25 000 Euro weniger Aufmerksamkeit angedeihen lassen? Nach etlichen Fehlschlägen trieb mich mein Unvermögen, die wichtigen Parameter aufeinander abzustimmen und ein für Analysen geeignetes Benchmarking zu veranstalten, zu dem Projekt "Web-basierte Wärmepumpensteuerung mit Monitoring", das der Artikel beschreibt.

Träges System

Die Problemstellung lässt sich mit der Abbildung 1 skizzieren, die die eingestellte Heizkurve als lineare Funktion zeigt. Ausgehend von einer Grundeinstellung muss die Anlage umso mehr heizen, je kälter es draußen ist. Die Parameter Steilheit, Außentemperatur sowie Einsatz-/Basis-Solltemperatur (y=kx+d) bestimmen das Systemverhalten.

Das erscheint physikalisch plausibel, erweist sich in der Praxis jedoch in zweierlei Weise als problematisch: Zwar kann ich mit dem Bedienelement an der Wärmepumpe einzelne Einstellungen manuell ändern, dies verschiebt allerdings die gesamte Geometrie der Heizkurve und wirkt sich daher über den gesamten Außentemperaturbereich aus (Raumthermostate habe ich nicht). Dass sich die Werte überdies gegenseitig beeinflussen, was bei dem Bedienteil ohne grafische Darstellung unbemerkt bleibt, bringt das System gänzlich durcheinander. Eine Fußbodenheizung verhält sich überdies so träge, dass der Hausbesitzer die Auswirkungen seines Tuns nicht unmittelbar zu spüren bekommt.

So heizte die Anlage eines sehr kalten Tages unser Haus auf über 25 Grad auf - woraufhin ich die Basis-Solltemperatur um 3 Grad zurückregelte. Die Maßnahme erwies sich im Moment nicht als sonderlich wirksam, denn die Familie schwitzte weiter. Ein paar Tage darauf kletterte die Außentemperatur über den Gefrierpunkt, nun hatte meine Absenkung zur Folge, dass Eltern wie Kinder froren. Ich hatte die Heizkurve in geometrischer Hinsicht nämlich parallel nach unten verschoben, statt deren Steigung abzuflachen.

Sich eine lineare Funktion über einen diskreten Wertebereich hinweg bildlich vorzustellen und die Parameter exakt anzupassen geht in der Regel schief. Hier setzt mein Projekt den Hebel an, indem es die Heizanlage Web-basiert, benutzerfreundlich und grafisch bedienbar gestaltet und den Verlauf einzelner Werte übersichtlich aufbereitet.