ich reaktiviere den stillgelegten Solarthermie-Kreislauf meines Viessmann Vitocell 100-U (300 l) – statt Kollektoren hängt jetzt ein elektrischer Durchlauferhitzer (Heizpatrone) an der unteren Heizwendel. Ziel: im Sommerhalbjahr das Warmwasser aus PV-Überschuss heizen und den Gaskessel möglichst aus lassen („dem Brenner zuvorkommen") – Gas sparen, Therme schonen.
Warum extern statt Heizstab direkt im Speicher?
Der Vitocell 100-U (diese Variante) hat gar keine Muffe/Öffnung für einen elektrischen Heizstab. Also nutze ich die vorhandene untere Heizwendel (den alten Solarkreis) und heize sie mit der Heizpatrone. Schöner Nebeneffekt: die Patrone sitzt in einem geschlossenen Kreis mit entmineralisiertem Wasser – sie kommt nie mit frischem Trinkwasser in Kontakt und verkalkt daher praktisch nicht (anders als ein Heizstab direkt im Trinkwasserspeicher).
Wie’s funktioniert:
Home Assistant überwacht den PV-Überschuss (nach Haus + Akku) und schaltet ab ~3 kW den 3-kW-Heizstab über eine Zigbee-Steckdose zu – mit Hysterese und Min-Laufzeit/-Pause gegen Takten. Ein ESP misst die Temperaturen und liefert das ΔT über das Heizmodul als Durchfluss-Nachweis.
Komponenten:
Home Assistant – Steuer- & Sicherheitslogik
Waveshare ESP32-P4-ETH (PoE/Ethernet, kein WLAN) mit ESPHome – reine Sensorik
5× DS18B20 (1-Wire, ein Sensor pro GPIO)
2× SONOFF S60ZBTPF (Zigbee, 16 A, mit Energiemessung) für Heizstab + Solarpumpe – via ZHA
OLED 2,42" SSD1309 (I2C) als Status-Display
LD2410C mmWave-Präsenzsensor – weckt das Display bei Anwesenheit (gegen Einbrennen)
PV mit Batteriespeicher (Sigenergy) → eigener Überschuss-Template-Sensor
3D-gedrucktes Gehäuse (PETG/ASA)
Sicherheit (mehrschichtig – der Heizstab hängt nur an Zigbee):
Mechanischer STB an der Kartusche (hardware-unabhängig)
Leistungsmessung der Dosen: ziehen Pumpe/Heizstab wirklich Strom?
ΔT-Durchfluss-Sicherung – kein Heizen ohne nachgewiesenen Durchfluss
HA-Verriegelung: Pumpe vor Heizstab, Nachlauf, bei Sensorfehler/NaN → alles AUS
Leitsatz: Sicherheit vor Komfort – im Zweifel Heizstab AUS.
Nebeneffekt: das tägliche Aufheizen auf ~60 °C erledigt die Legionellen-Hygiene gleich mit.
Stand: Prototyp läuft – ESP am PoE, erste DS18B20 lesen, OLED läuft, Gehäuse gedruckt, Hydraulik-Teile da; der mmWave-Sensor ist unterwegs. Ich aktualisiere den Thread bei Fortschritt. Foto vom Prototyp im Anhang.
Frage an die Runde: Hat sowas schon jemand gebaut – PV-Überschuss über eine Heizpatrone im (ex-)Solarkreis statt über einen Heizstab-Flansch direkt im Speicher? Mich interessieren besonders eure Erfahrungen zu:
Durchfluss-/Trockenlauf-Absicherung (ΔT + STB, oder macht ihr das anders?),
Schichtung bzw. „dem Brenner zuvorkommen" (Fühlerposition, Zieltemperatur),
ob euch die reine Zigbee-Schaltung des Heizstabs reicht oder ihr ein Schütz/SSR vorseht.
Über Links zu ähnlichen Projekten oder Best Practices freue ich mich.
Letzlich hängt die Sicherheit am STB. Viele Heizpatronen haben einen eingebauten STB. Und da sollte dann auch in der Anleitung stehen, ob der STB auch Schutz bei Trockenlauf bietet. Ist bei vielen der Fall. Wenn nein, dann ist ein Durchfluß-Sensor eine gute Wahl.
Hi Linos, kurz zur Klärung, wie der Aufbau aktuell tatsächlich funktioniert:
Der ESP macht wirklich nur Sensorik – er misst Temperaturen und berechnet daraus Flags (Durchfluss ok? Übertemperatur? Sensorfehler?), hat aber kein eigenes Schütz und trifft keine Heiz-Entscheidung. Die komplette Logik (PV-Überschuss, Zieltemperatur, Ein/Aus) liegt in HA, die schaltet dann die Zigbee-Steckdosen.
Die hardware-unabhängige Absicherung ist kein Schütz, sondern der mechanische STB direkt an der Kartusche – trennt rein thermisch, ganz ohne ESP/HA/Zigbee.
Ist der ESP down, wertet HA das schon wie einen Sensorfehler und schaltet den Heizstab AUS – dein „HA schaut zu"-Punkt ist also bereits drin, stand nur in der Kurzfassung oben nicht explizit dabei.
Den lokalen Schalter nehme ich trotzdem gerne mit: Heizstab und Pumpe hängen zwar schon an eigenen Zigbee-Steckdosen (Stecker ziehen geht immer), ein fest verbauter, klar beschrifteter Schalter ist aber für Dritte/Wartung freundlicher. Danke für den Denkanstoß.
Hi Blockmove, guter Punkt. Aktuell ist die STB-Wirkung bei „kein Durchfluss" eine physikalische Annahme (Wasser am Heizstab heizt sich schnell auf, STB löst aus), keine Herstellerangabe – ob das auch bei echtem Trockenlauf (Luft statt Wasser) genauso schnell greift, ist nicht bestätigt. Deshalb gilt bei mir „nie trocken testen" als harte Regel, nicht als Vertrauen in den STB.
Zur Pumpenüberwachung: Die Leistungsmessung zeigt nur, dass der Motor läuft, nicht dass Wasser fließt – eine Kreiselpumpe zieht in Luft ähnlich viel Strom wie in Wasser. Die ΔT-Messung (Vorlauf/Rücklauf) ist daher schon eine zweite, unabhängige Schicht. Ein echter Durchflusssensor wäre eine dritte, direktere Bestätigung.
Ob Delta-T zuverlässig funktioniert … Bin ich mir nicht so sicher. Ist wahrscheinlich eine relativ träge Sache und abhängig von einigen Faktoren und Zuständen.
Oh spannendes Thema, direkt abonniert und erst mal moin in die Runde.
Ich habe in meinen 300L Boiler zwischen den 2 Wärmetauschern eine 3kW-3Phasen-Patrone sitzen. Sensorik ist schon vorhanden gewesen, wegen der Solarthermie am unteren WT. Oben Ölbrenner für den Winter.
Der ESP wird bei mir per HA mit Sensordaten, heartbeat und feedback-daten versorgt. Eigentliche Aufgabe des ESP ist die Ansteuerung von 7 Relais, um verschiedene Heizstufen zu realisieren (150W bis 3.15kW). So kann ich PV Überschuss recht elegant ab 700W nutzen. Der ESP hat eine Software Abschaltung, falls heartbeat fehlt oder Zieltemperaturen erreicht werden. Es läuft ein timer der von HA resettet werden muss, sonst geht der ESP in einen failed-state und muss händisch zurückgesetzt werden. Watchdog kümmert sich um “Abstürze” der Software mit selbem Effekt: failed-state.
Hi, es ist alles noch da Ausdehnungsgefäß und Überdruckventil + Manometer. Ich weiss noch nicht wie ich das mit der Entlüftung mache. Hast du eine Idee?
Moin adfx, danke fürs Abo und den richtig guten Input!
Klingt nach einem sehr durchdachten Aufbau — und ehrlich: das stufenweise Schalten mit den 7 Relais ist genau der Kniff, auf den ich nicht gekommen bin. Ich fahre (erstmal bewusst) nur On/Off über eine Zigbee-Steckdose mit Leistungsmessung; die lokale ΔT-Logik auf dem ESP liefert nur Daten, geschaltet wird über HA. Heißt in der Praxis: Ich springe erst ab ~3 kW Überschuss an — deine 150 W-Auflösung ab 700 W ist da natürlich meilenweit eleganter beim PV-Tracking. Für mich erstmal Ausbaustufe „später", aber du hast die Messlatte gelegt.
Spannend finde ich auch, dass deine Sicherheits-Architektur genau das ist, was ich als optionales Hardware-Upgrade geparkt habe (ESP schaltet ein Schütz statt „nur Zigbee"). Bei mir hängt die harte Absicherung am mechanischen STB der Patrone + Leistungs-Plausibilisierung über die Dose + „kein Heizstab ohne bestätigten Pumpen-/Durchflussnachweis". Dein Heartbeat + HA-resetbarer Timer + Watchdog → failed-state mit Handreset gefällt mir richtig gut als Deadman.
Ein paar Fragen, weil mich die Details echt interessieren:
Wie ist die Stufung physikalisch aufgebaut? 3-Phasen-3-kW-Patrone → 3 Elemente à ~1 kW, aber wie kommst du auf 150 W als kleinste Stufe?
Lastseitig: Schaltest du mit Schützen oder Lastrelais, und schaltest du im Nulldurchgang? Bei feinem PV-Nachführen kommt ja einiges an Schaltspielen zusammen — wie sieht’s mit Kontaktverschleiß/Funkenlöschung über die Zeit aus?
Schieflast: Bei Teilstufen läufst du zwangsläufig zeitweise unsymmetrisch auf den drei Phasen — ist die 4,6-kVA-Schieflastgrenze bei dir ein Thema, oder bei der Leistung praktisch egal?
Deadman-Details: In welchem Intervall pingt HA den Heartbeat, und wie lang ist die Timeout-Leine bis failed-state? Und warum bewusst manueller Reset statt Auto-Recovery — reine Sicherheitsentscheidung („im Zweifel aus bleiben")?
Trockenlauf/Übertemp: Verlässt du dich beim Patronenschutz rein auf Sensor + ESP, oder hast du zusätzlich einen mechanischen STB als hardwareunabhängige Rückfallebene? Und nutzt du die alte Solarthermie-Sensorik/ΔT noch aktiv mit?
Würde mich freuen, wenn du zum Stufen-Aufbau was zeigen magst — Schaltplan/Elementbelegung especially. Das ist definitiv mein Kandidat für Version 2.
ich versuche mal die Fragen der Reihe nach durchzugehen:
[ Disclaimer: Ich kann keine Verantwortung für den Nachbau und Einsatz dieser Schaltung übernehmen. Diese Schaltung darf nur von einer Elektrofachkraft installiert werden oder zumindest von einer solchen abgenommen werden.]
So sieht der Schaltplan aus. Meine Heizpatrone hat 3kW an 3Phasen. Es sind 3 identische Elemente zu ca 160 Ohm.
Links im Bild von oben nach unten L1,L2,L3 und die dazugehörigen Schließer L1-L3.
Rechts daneben 3UM’s N1,N2,N3. Diese können also auf die Phase oder auf N zeigen.
ACHTUNG: NIEMALS EINEN „N“ UMSCHALTEN, WENN DAS ENTSPRECHENDE „L“ AKTIV IST. DIE STRECKE IM UMSCHALTER IST ZU KURZ UND ERZEUGT EINEN KURZSCHLUSS. Ich habe das per Software-Interlock im ESP gelöst.
Mitte oben der “Dreieck-Zerstörer (R12)” oder auch ein Schließer, um eine Fehlstelle/Defekt im Dreieck künstlich zu erzeugen. Hier die Schaltstufen, grob als Excel. Es gibt weitere Schaltstufen, die hier nicht gelistet sind.
Kleinste Stufe ist dann also 2 Elemente in Reihe an 230V oder anders: N1 auf L1 umgeschaltet, L1 aktiv, R12 (Dreiecköffner) offen, N3 zeigt auf L3, L3 offen (1.Zeile) also ein toter Pfad
Keine Nulldurchgangserkennung. Ich habe auch hier per Software die Anzahl an Schaltvorgängen für die Regelung der Heizleistung begrenzt, um die Finder-Relais etwas zu schonen. Einzig die Abschaltung bei Netzbezug ist ausgenommen. Des Weiteren nutze ich für die Automation in HA nur Schaltstufen bis 2kW, 3kW kann nur manuell genutzt werden. Bei meinem Nutzvolumen (150L für die obere Hälfte) habe ich 10K/(h*1kW) Heizleistung. Es ist für mich absolut ausreichend mit 2kW zu heizen. So habe ich also nach einer Stunde 20K mehr im Boiler. Hier sei erwähnt, dass ich erst ab 750W nutze. Alles darunter ist für meinen Fall nicht sinnig.
Schieflast kann in den Heizstufen kompensiert werden, wo das R12 geschlossen ist, also zB in der 0.7kW oder 1.5kW Stufe. Ansonsten aber, siehst Du ja anhand der Tabelle das die generierten Schieflasten kaum der Rede wert sind, wenn die Schaltung im Einzelnen betrachtet wird. (Die Tabelle enthält kleinere Fehler. Bitte nicht als Referenz nehmen, sondern eher als proof-of-concept verstehen)
HA pingt nicht den ESP. Der ESP holt sich Sensor-Werte von HA. Hier sind 2 Interlocks drin:
Innerhalb von 15 Minuten muss eine Boilertemperatur von HA abrufbar sein, egal welcher Wert. Passiert das nicht –> Fail aktiv
Steigt die Boiler Temperatur während des Heizens nicht um 0.5K/30min –> Fail aktiv
In beiden Fällen wird ein binary_sensor an HA zurückgereicht, der HA mitteilt: ESP fail.
HA kann die GPIO’s auch nicht direkt steuern, sondern teilt dem ESP mit, dass ein Schalten gewünscht ist. Die Logik und ganz wichtig der Interlock in einer Gruppe (Nx Lx) bleibt beim ESP).
Hier auch wichtig: L zuerst aus oder zuletzt an. Auch das ist im ESP-Code verankert.
Meine Patrone ist wohl die dümmste die man bekommen kann Sie hat keinen STB. Trockenlauf gibt es bei mir nicht, da meine Patrone im Boiler hängt. Und ja, die Solarthermie ist aktiv. Aus den bereits installierten Tauchfühlern bekomme ich meine Daten für HA und die werden dann an den ESP weitergereicht.
Ein erster Abriss. Wenn weitere Fragen offen sind, gerne her damit.
VG
Das klingt alles extrem kompliziert. War denn bei der ursprünglichen Beschaltung keinerlei Sicherheitsmaßnahmen dabei wie Überhitzungsschutz oä? So dass du nun alles händisch nachrüsten musst? Ich würde erstmal die Notwendigkeit testen und mit einem kleineren Aufbau anfangen.
Was ich absolut befürworte ist die Konzentration der Schaltlogik in einem einzigen Gerätchen, hier ein ESP. HA kann nur Auslöser oder Protokollant sein. Die Infrastruktur wäre nicht sicher handelbar, wenn du funktionskritische Teile verstreust, vor allem nicht auf eine so “fluktuierende” Basis wie HA (ständige Reboots, die Timer killen, breaking changes-Updates…). Im Kleinen habe ich meine Wasserventilsteuerungen so realisiert, die nun sehr zuverlässig von einer µC-Instanz geregelt wird. HA ist nur noch Auslöser und Totmannschalterauslöser.
Konkret nochmal: warum Durchflussüberwachung? Wenn du die Temperatur in der unmittelbaren Nähe der Patrone misst, kannst du schnell genug reagieren. Das ursprüngliche Design sollte ja so ausgelegt sein, dass es auch diesen Fall handelt/übersteht. 60°C Zieltemperatur sind ja weiß Gott nicht viel, da ist viel Reserve bis zum Durchbrennen.
Die Patrone ist ein ohmscher Widerstand. Mit Funkenabriss ist nicht zu rechnen. Wenn’s allerdings Freude macht, gerne zwei Relais hintereinander…
Ich nutze eine Siemens Logo anstelle eines ESP32. An den Analog-Eingang ist ein PT100-Temperaturfühler über einen 0-10V-Wandler angeschlossen. In der Logo erfolgt die Temperaturbegrenzung. Von HA kommen über Modbus nur die Einschaltsignale für die Heizungen. Die Logo ist günstig, hat ein Display und ich habe somt auch eine VorOrt-Bedieung unabhängig von HA.
Ich habe eine Heizpatrone mit 3 getrennten Heizungen a 1,4 kW. Mir reichen 3 Leistungsstufen. Aber durch entsprechende Relais- / Schützverschaltungen sind natürlich mehr möglich. Der STB geht auf ein vorgeschaltenes Netzschütz. Trockenlaufschutz ist bei mir durch den STB gewährleistet. Er sitzt in der Mitte der Heizungen und wird dann (hoffentlich) durch die Strahlungswärme ausgelöst. Habs noch nicht getestet.
Das ist wirklich ein sauber durchdachtes Konzept — vor allem die Stufenschaltung über die N-Umschalter plus „Dreieck-Öffner" ist clever. Damit holst du aus einer stinknormalen 3-Phasen-Patrone quasi eine 6-stufige Leistungsregelung raus, ohne Dimmer/SSR-Gefrickel. Die Tabelle hilft mir sehr, das Prinzip nachzuvollziehen (auch als proof-of-concept mit kleinen Fehlern ).
Den Warnhinweis mit dem N-Umschalter unter Last habe ich verstanden — Software-Interlock im ESP plus „L zuerst aus / zuletzt an" ist genau die richtige Stelle dafür. Gefällt mir auch, dass die Logik komplett im ESP lebt und HA nur „wünschen" darf. Wenn HA hängt oder das WLAN zickt, bleibt das System trotzdem in einem definierten Zustand. Die beiden Fail-Bedingungen (15 min keine Boilertemp / kein Temperaturanstieg beim Heizen) merke ich mir, die übernehme ich sinngemäß.
Bei mir wird es deutlich simpler: Ich habe nur eine 1-phasige 3-kW-Patrone (230 V, mit Bimetall-Thermostat), die nicht direkt im Boiler sitzt, sondern in einer Glykol-Kartusche im alten, stillgelegten Solarthermie-Kreis — die Kollektoren sind ab, aber Pumpe, Leitungen und der Solar-Wärmetauscher im Speicher sind noch da. Geschaltet wird schlicht über einen 16-A-Zigbee-Plug mit Powermetering, d. h. bei mir gibt’s nur an/aus statt deiner feinen Stufen. Dafür regel ich über PV-Überschuss + Batterie-SOC als Einschaltbedingung mit Hysterese, und die Pumpe bekommt Pre-/Post-Flow. Als „Boiler voll"-Signal nehme ich die Spreizung Vorlauf/Rücklauf (wenn ΔT < 3 K, nimmt der Speicher nichts mehr ab).
Zwei Fragen hätte ich noch:
Wie halten sich die Finder-Relais in der Praxis? Du begrenzt ja die Schaltvorgänge schon per Software — auf wie viele Schaltspiele pro Tag kommst du damit ungefähr, und welche Typen hast du verbaut?
Regelst du die Stufen dynamisch dem PV-Überschuss nach (also z. B. 0,7 → 1,5 → 2 kW im Laufe des Vormittags hoch), oder wählst du eher einmal eine Stufe und lässt sie stehen?
Danke nochmal für den ausführlichen Abriss — genau solche Real-World-Details (kein STB, keine Nulldurchgangserkennung, trotzdem sicher durch Interlocks) findet man in keinem Datenblatt.
Sicherheit ab Werk ist dabei: Bimetall-Thermostat in der Patrone plus Überlast-/Übertemperaturschutz in den Zigbee-Plugs. Was ich baue, sind nur Schichten darüber — der Bimetall soll letzte Rettung sein, nicht das Regelkonzept.
Der Knackpunkt bei mir: Die Patrone steckt nicht im großen Speicher, sondern in einer kleinen Glykol-Kartusche (~8–10 L) im alten Solarthermie-Kreis. 3 kW auf 8 L sind gut 5 K/min — steht die Pumpe, koche ich in unter 10 Minuten. Deshalb die Pumpenüberwachung als Frühindikator; primäre Absicherung ist auch bei mir die Temperatur direkt an der Kartusche (85 °C Hard-Cut, lokal im ESP). Das ΔT Vorlauf/Rücklauf ist keine Sicherheitsfunktion, sondern nur mein „Speicher voll"-Signal.
ESP-Zentralisierung: volle Zustimmung, genau so geplant — Logik im ESP, HA nur Auslöser und Protokollant.
Zwei Relais: stimmt, kein Funkenabriss — der zweite Plug ist nur ein unabhängiger Abschaltpfad falls der erste klebt. Kam eh im 4er-Pack.
Und klein anfangen: ja, vor Produktivbetrieb gibt’s einen überwachten zweitägigen Dry-Run.
die Logo ist natürlich die „erwachsene" Variante — SPS-Zuverlässigkeit plus Display für Vor-Ort-Bedienung ist ein echtes Argument gegenüber dem ESP. Und die Arbeitsteilung ist ja identisch zu meinem Plan: Temperaturbegrenzung lokal im Gerät, HA liefert nur die Einschaltsignale.
STB aufs Netzschütz ist sauber. Nur das „hoffentlich" beim Trockenlaufschutz über Strahlungswärme würde ich nicht stehen lassen — das wäre mir einen kontrollierten Test wert (kurz trocken anfahren und schauen, ob und bei welcher Temperatur der STB wirklich kommt), bevor es der Ernstfall zeigt. Ich warte noch auf ein paar Teile und dann gibt es ein update
Ich habe Finder 40.31.7.0012.0000 verbaut auf diesem Sockel: Finder 48.31.8.230.0060. Das ganze sitzt also auf hutschienen. Die Anzahl der schaltvorgänge habe ich jetzt nicht gezählt, aber da kommen max 12 pro Stunde zusammen. Ich begrenze auf einen (um-)schaltvorgang pro 5 mins. In der Regel brauche ich ca 2h pro Tag dann ist der Boiler wieder voll. Kurzum, das läuft bei mir seit 2 Jahren mit den selben Relais. Zugegeben am Anfang habe ich beim “spielen und testen" 6 N-relais zerschossen, bis ich den interlock einprogrammiert habe. Hatte das anfangs über HA-skripte mit delay zwischen den schaltvorgängen. Ist alles mist gewesen, da HA die automation mehrfach ausgelöst hat und nicht auf das ende eines durchlaufs gewartet hat. Dadurch ist 6 Lehrgeld bezahlt worden. Deswegen ist das jetzt alles im ESP und seit dem ist kein einziges Relais mehr verschweißt worden.
Die Relais arbeiten am max spannungslimit wenn ich 400V darüber jage. Um die Lebensdauer etwas zu erhöhen darf sich HA max 2kW wünschen. So bleibt es bei “geringer" Leistung pro Relais. Die 3kW kann ich manuell ansteuern, wenn ich das benötige. Dann ist aber die automation geblockt. Mit einer flir-cam habe ich bei 3kW ca 50Grad nach 1h gemessen, bei 2kW 38Grad an den Relais.
Die Stufen schalten dynamisch wenn Wärmebedarf besteht und zwar so, das ein Überschuss von 150W ins Netz erhalten bleibt. Erst wenn die Netzeinspeisung 400W bei der nächsthöheren Stufe betragen würde, fordert HA die stufe an. Durch die großzügige Reserve werden Schaltungen zusätzlich reduziert (plus der oben erwähnte 5 mins timer). Ach so, die automation fordert nicht nur leistungsteigerung sondern auch minderung bei einer wolke an, bis hin zu pause bis wieder sonne da ist. Prio hat bei allen meinen autos stets netzbezug zu verhindern. Und nach einigen monaten habe ich schnell erkannt das eine “dusch-erkennung" noch rein musste. Das temp-delta für die fail-erkennung hat ständig gegriffen wenn jemand duschen ist und zeitgleich Geheizt werden sollte. Alles in allem eine stabile Sache mit der ich sehr zufrieden bin. Falls du code snippets haben möchtest, melde dich gerne.
VG
(Am Telefon verfasst. Das scheint keinen besonderen Wert auf groß und Kleinschreibung zu legen )
5V Bin mal gespannt.
Sie hat keinen STB. Trockenlauf gibt es bei mir nicht, da meine Patrone im Boiler hängt. Und ja, die Solarthermie ist aktiv. Aus den bereits installierten Tauchfühlern bekomme ich meine Daten für HA und die werden dann an den ESP weitergereicht.
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