„Smart Pool“: Die Steuerung des „zEroPool“

Smart Pool: Die Steuerung des zEroPool

Mit seinem Forschungsprojekt „zEroPool“ hat das Institut für Innovatives Design ein Außenschwimm­becken realisiert, das energieneutral und ohne Trinkwasser betrieben werden kann. In dieser Ausgabe stellen wir nun mit „zEroCon“ die Steuerung der „zEroPool“-Anlage vor, die umfangreiche Aufgaben erfüllt. Die nahtlose Einbindung in die Gebäudetechnik machen aus ihm somit einen „Smart Pool“.

Die richtige Poolsteuerung – die Qual der Wahl?

Zum Erreichen des „Zero“-Ressourcenverbrauchs benötigt der „zEroPool“ eine Reihe an elektromechanischen Komponenten, die schon heute in gut ausgestatteten und effizienten Pools zu finden sind. Zum Beispiel die motorische Poolabdeckung, eine drehzahlveränderliche Filterpumpe, LED-Scheinwerfer, die Niveauregulierung, Motorventile für Filterrückspülung, Solar- und Wärmepumpenheizung, Dosiergeräte zur Regelung von pH-Wert und Chlor sowie Attraktionen wie Gegenschwimmanlage, Wasserfall und Soundsystem.

Prinzipiell verfügt jede Komponente über eine eigene Steuerung, Netzteil und Bedienungseinheit – entweder am Gerät selbst oder in einem separaten Elektrogehäuse. Schnell beanspruchen all diese Gehäuse eine ganze Installationswand des Technikraums. Allerdings ist die Kommunikation unter den einzelnen Komponenten ohne eine übergeordnete Poolsteuerung nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Poolsteuerungen versuchen, mehrere Geräte einzubinden und deren Bedienung komfortabler zu gestalten. Ihre Auswahl ist groß und reicht von einfachen über komplexe und fest programmierte bis hin zu frei programmierbaren Steuerungen. Entsprechend groß ist die Preisspanne von wenigen Hundert bis mehreren Tausend Euro.

Diese Produkte unterliegen auch dem derzeitigen Entwicklungstrend, die Visualisierung und Bedienung über Smartphone und Tablet inklusive Fernzugriff auf den Pool zu erlauben, auch wenn dadurch das Automatisierungspotenzial keineswegs ausgenutzt wird. Neidisch blickt daher so mancher Poolbesitzer auf die Möglichkeiten etablierter „Home Automation Systems“ von sogenannten „Smart Homes“ und stellt sich die Frage, welche Poolsteuerung denn ähnliches zu leisten vermag.

Diese Frage wurde eingehender in unserer Studie untersucht, in der zunächst die vielschichtigen Anforderungen zusammengetragen und daraufhin unterschiedlichste Poolsteuerungen bewertet wurden. Das Ergebnis kurz gefasst: Einfache Steuerungen stoßen bereits aufgrund der begrenzten Anzahl an Ein- und Ausgängen schnell an ihre Grenzen. Komplexere Steuerungen bieten dagegen einen guten Funktionsumfang, der oftmals jedoch an bestimmte Gerätekonfigurationen gebunden ist. Individuellere Anpassungen sind nicht möglich. Wer dies will, muss sich für frei programmierbare Systeme entscheiden und hierfür deutlich tiefer in die Tasche greifen. Diese bieten die vollkommene Individualisierung, die durch zusätzlichen Programmieraufwand weitere Kosten verursachen kann.

Auf den Punkt gebracht ist die Hauptanforderung die maximal mögliche Entlastung des Poolbesitzers von routinemäßigen Prozessen durch eine „mitdenkende“ Poolanlage. Weitere Anforderungen sind die komfortable und intuitive Bedienung, die übersichtliche Informationsaufbereitung und Bereitstellung relevanter Parameter, erhöhte Sicherheitsfunktionen sowie ein möglichst ressourcenschonender Poolbetrieb. Und: Änderungen und Erweiterungen sollen mit wenig Aufwand und geräteunabhängig möglich sein.

Aus diesen Anforderungen ergab sich ­bereits die Notwendigkeit einer frei ­programmierbaren Steuerung, die sich ­zudem auch in eine vorhandene Gebäudeautomatisierung integrieren oder zumindest dahingehend ausbauen lässt. Doch gerade diese Anforderung konnte keine der untersuchten Poolsteuerungen erfüllen. Dabei liegt es auf der Hand, dass Besitzer eines „Smart Home“ auch einen Pool „smart“ steuern wollen und umgekehrt, ohne mehrere Systeme parallel aufbauen, pflegen und bedienen zu müssen.

Pool und Garten gehören wie auch Sauna, Heizungs-, Klima-, Lüftungstechnik, Multimedia und Überwachungssystem zum Gebäude. Erst die intelligente Verknüpfung aller zur Verfügung stehender Informationen mit den Komponenten von Haus und Pool lässt aus dem normalen Pool einen „Smart Pool“ werden, der auch individuellste Steuerungsaufgaben zu erfüllen vermag. Ein von der Gebäudeautomatisierung losgelöster Pool kann daher kein „Smart Pool“ sein.

Denkbar einfache Bedienung

Konsequenterweise wurde daher für dieses Projekt ein frei programmierbares „Home Automation System“ ausgewählt, um eine durchgängige Gebäudeeinbindung sicherzustellen. Herz der Steuerung ist der „Miniserver“ von Loxone, der bereits über jeweils zwölf Ein- und Ausgänge verfügt und jederzeit erweitert werden kann. Angebunden wurde er an einer üblichen „Fritz!Box“ über einen Powerline-Adapter (AVM). Mit dem kostenlosen Loxone-Konfigurationsprogramm lassen sich unter gewohnter Windows-Oberfläche digitale, analoge und virtuelle Ein- und Ausgänge über logische Funktionen und fertigen Programmbausteinen beliebig verknüpfen. Die Programmbedienung per „Drag & Drop“ ist denkbar einfach: Das Programm „übersetzt“ sogar die individuelle Visualisierung automatisch in die App oder in eine Web-Oberfläche. Im Folgenden sind einige Details der umgesetzten Lösung und deren logische Verknüpfungen beschrieben.

Neben der Touch-Bedienung über Tablet-PC oder Smartphone wurde nach wie vor an einer konventionellen Bedienung über mechanische Taster festgehalten, mit denen ausgewählte Funktionen auch von Hand gesteuert werden können. Im Gebäude übernimmt ein festinstallierter, intelligenter Tastschalter mit integriertem Farbdisplay (u::Lux) diese Aufgabe, der via Netzwerk mit der Steuerung kommuniziert. Funktion und Displayanzeige der vier Bedientasten lassen sich frei programmieren. Über die Pooltaste gelangt man in Untermenüs zur Bedienung von Abdeckung, Pumpen, Beleuchtung und anderen Attraktionen. Wichtige Poolinformationen werden visuell über das Display, die LED-Taste sowie auch akustisch über den integrierten Lautsprecher ausgegeben.

Die komfortable Bedienung aus dem Pool heraus oder in dessen Nähe erfolgt über eine Funkfernbedienung auf batterieloser „EnOcean“-Technologie (Eltako, Omnio). Vier Doppelwipp-Taster steuern dabei bis zu acht Geräte. Die Steuerung erkennt bei jeder Tasterbetätigung, ob es sich um eine Einfach- oder Mehrfach-Betätigung und deren zeitliche Dauer handelt. Prinzipiell könnten hier Morse-Codes abgesetzt und von der Steuerung „verstanden“ werden.

Für den alltäglichen Gebrauch wurde jedoch folgende einfache Tasterlogik festgelegt: Kurze Einfach- und Doppelbetätigungen schalten das jeweilige Gerät ein und aus. Ist es eingeschaltet, führen weitere Einfachbetätigungen zum Beispiel zu einem Wechsel der Lichtszene, der Pumpendrehzahl oder des Musiktitels. Länger anhaltende Betätigungen verändern etwa die Laut- und Beleuchtungsstärke des Soundsystems oder der Scheinwerfer. Optional können die Funktionen „Alles-Aus“, „Not-Aus“ oder sogar eine „Hilfe/Panik“-Taste programmiert werden.

Bei all diesen Bedienoptionen muss sich aber niemand Gedanken über den Gerätestatus machen, da eine programmierte Autofunktion jedes Gerät nach einer einstellbaren Zeit aus- oder einschaltet. Kriti-sche Vorgänge wie etwa die Beckenentleerung sind nur für bestimmte Nutzer freigeben und zusätzlich durch eine Passwortabfrage gegen versehentliches Aktivieren geschützt. Mit einem Befehl lässt sich der Betriebsmodus wählen, der den Pool zum Beispiel in den Modus Eco, Normal, Party, Urlaub, Wartung oder Über-winterung versetzt.

Poolzugang über „i-Button“

Der Zugang zum Pool führt natürlich über das Öffnen der Rollladenabdeckung, das hier um Besonderheiten ergänzt wurde: Anstelle des üblichen Schlüsselschalters wird ein „intelligenter Knopf“ („i-Button“), der in seiner Form einer Knopfzelle ähnelt, in eine Lesehalterung eingelegt. Die Steurung erfasst dessen unverwechselbare Chipkennung und verbindet damit direkt den hinterlegten „i-Button“-Besitzer wie etwa „Poolmaster“, Gast oder Kind. Ist der jeweilige „i-Button“ für das Öffnen der Abdeckung autorisiert, so schaltet sich das Netzteil des Rollladenmotors für die Dauer der Öffnungs- beziehungsweise Schließzeit an und wird danach vom Netz getrennt, was zudem die Standby-Verluste des Netzteils eliminiert. Nur während dieser kurzzeitigen Netzteilaktivierung kann der Rollladen also auf Befehle reagieren.

Wird versucht, die Abdeckung mit einem nicht dafür autorisierten „i-Button“ zu öffnen, sendet die Steuerung eine Pushmail oder einen „Caller-Service“ auf die hinterlegten Kontaktdaten. Aus der Ferne lässt sich dann, wie in einem „Smart Home“ üblich,  über die pooleigene Kamera mit dem Benutzer kommunizieren und der Pool freigeben. Auch lässt sich die Benutzung von Gegenstromanlage, Soundsystem und anderer Attraktionen für jeden „i-Button“ und auch in Abhängigkeit von Tageszeit und Wetterlage einschränken oder sogar sperren.

Während der Rollladenbewegung schalten sich sicherheitshalber Pumpen und Lautsprecher aus und die Unterwasserbeleuchtung ein. Dabei signalisiert die Beleuchtung in typischen Ampelfarben, ob sich Poolparameter wie Temperatur, Filterzustand oder Wasserwerte im vorgegebenen Komfortbereich (grün) oder geringfügig außerhalb liegen (gelb) und im Auge behalten werden sollten oder gar kritische Grenzwerte überschritten sind (rot), die einen sofortigen Eingriff erfordern. Nach der Dämmerung schaltet sich die Unterwasserbeleuchtung automatisch ein, wenn der Pool geöffnet ist oder, in Ver-bindung mit der Außenbeleuchtung,  wenn die Überwachungskamera und Mikrofone bei abgedecktem Pool ein bewegtes Objekt in Poolnähe erfasst.

Erweiterte Anwendungen

Sämtliche Sensoren sind kostengünstige und präzise messende „1-Wire-Sensoren“ (Wiregate). Bis zu 20 dieser Sensoren können dabei an eine zweiadrige Leitung, dem „1-Wire-Bus“, angeschlossen werden. Mit geringem Aufwand kann die Steuerung also um zusätzliche Sensoren und damit Anwendungen mühelos erweitert werden. So liefert etwa ein Temperaturfeuchtefühler im Außenbereich nützliche Wetterdaten und regelt aus dem Technikschacht heraus Lüftungsventilator und Entwässerungspumpe. Die Sensorwerte können für spätere Auswertungen laufend „mitgeschrieben“ werden.

Exemplarisch für die Vielzahl der Möglichkeiten sei hier die Umsetzung einer
Niveauregulierung beschrieben, die lediglich einen zusätzlichen Temperatursensor für circa zehn Euro erfordert: Neben dem Temperatursensor in der Zirkulationsleitung wurde ein zweiter Sensor seitlich im Rollladenschacht auf Höhe des Sollwasserspiegels angebracht, der ebenfalls die Poolwassertemperatur messen soll. Sinkt der Wasserspiegel um fünf Millimeter, liegt der Wasserspiegelsensor außerhalb des Wassers und liefert dadurch unterschiedliche Temperaturmesswerte, wodurch sich das Frischwasserventil für eine eingestellte Zeitdauer öffnet. Um störende Einflüsse wie eine „kalte“ Zirkulationsleitung, Wasserbewegungen und Solareinstrahlung zu eliminieren, erfolgt die Vergleichsmessung jeden Morgen zehn Minuten nach dem Start der Filterpumpe bei geschlossener Abdeckung.

Energieverbrauch überwacht

Während des Tages überwacht der gleiche Wasserspiegelsensor die solare Wasser­erwärmung unterhalb der Abdeckung und erhöht gegebenenfalls die Pumpendrehzahl zur besseren Kühlung. Bei drohender Materialschädigung durch etwaige Überhitzung wird eine Warnmeldung abgesetzt und die Abdeckung automatisch aufgefahren. Energieverbrauch und Energiegewinnung (PV) des Pools werden laufend über Verbrauchsmengenzähler an die Steuerung „gepulst“, wohingegen der Wasserverbrauch über die Öffnungsdauer des Frischwasserventils errechnet und protokolliert wird.

Somit kann der aktuelle Ressourcenverbrauch jederzeit eingesehen und mit den historisch gespeicherten Werten detailliert nach Stunden, Tagen, Monaten und Jahren verglichen werden. Etwaige Unregelmäßigkeiten sind also jederzeit nachprüfbar. Auch werden diverse Gerätezustände und Änderungen gespeichert. Bei Überschreitung festgelegter Grenzen erfolgt eine Meldung in der App und optional eine E-Mail-Benachrichtigung. Die App erinnert aber auch, wann etwa die letzte Rückspülung erfolgte oder wer die Abdeckung öffnete. Wichtige Meldungen lassen sich besonders komfortabel über den „Caller-Service“ an die hinterlegte Rufnummer verschicken und von einer Computerstimme vorlesen.

Wetterservice inside

Der Wetterservice stellt lokale Wetterdaten der kommenden 72 Stunden bereit, die von der Steuerung rechtzeitig in notwendige Maßnahmen umgesetzt werden. Bei Blitzschlaggefahr werden die Badenden rechtzeitig unter anderem auch visuell über den Scheinwerfer gewarnt oder das Öffnen der Poolabdeckung von vornherein verhindert. Bei nahendem Unwetter werden Poolabdeckung und Sonnensegel vorzeitig (!) eingefahren; denn sind die Böen erst einmal da, ist es meist auch schon zu spät. Ein lokaler Windsensor vermag dies nicht zu leisten, was Versicherungen zu schätzen wissen.

Der Wetterservice wird auch genutzt, um die automatischen Filterrückspülungen ressourcenschonend vor Niederschlägen auszuführen und so unnötige Frischwassernachspeisungen und Gartenbewässerungen, die ebenfalls von der Steuerung mit übernommen werden, zu unterdrücken. Selbst der in der Poolanlage arbeitende Mähroboter ist wetter- und poolgesteuert und pausiert bei offenem Pool oder nassem Gras.
Die Filterzeiten wurden optimiert nach Saison, Poolnutzung, Temperatur und Solareinstrahlung. Die tägliche Grundfilterung von bis vier Stunden wird durch die jeweiligen Betriebsmodi gesteuert und verlängert sich automatisch, solange die Pool integrierten Fotovoltaikmodule eine festgelegte Leistung liefern – das ist eine Steigerung des Eigenverbrauchs. Damit ist die wasserseitige Kühlung der Abdeckung ebenso gewährleistet wie die optimale thermische Nutzung der Solarstrahlung.

Während der Pool geöffnet ist, filtert die Pumpe abwechselnd in den Drehzahlstufen 1 und 2. Einmal täglich wird auch die Leistungsaufnahme der Filterpumpe gemessen und bei Übersteigen eines Grenzwertes ein Rückspülvorgang je nach Wettervorschau eingeplant. Sollte nach erfolgter Rückspülung die Leistungsaufnahme nicht auf die historischen Werte zurückfallen, erfolgt unter anderem die Meldung „Vorfilter und Skimmer reinigen“.
Ein Ausschalten der Filterpumpe während der vorgesehenen Filterzeiten bewirkt ein Autoeinschalten, ein Einschalten außerhalb der Filterzeiten ein Autoausschalten nach jeweils frei vorgegebenen Zeiten.

Kosten und Fazit

Eine Basissteuerung bestehend aus Miniserver, DMX- und „1-Wire-Modul“ inklusive fünf Sensoren sowie Netzteil liegt bei circa 1 000 Euro. Die „EnOcean“-Erweiterung, mit der weitere 128 Aktoren per Funk gesteuert werden können und ein passender Mehrfachfunktaster sind für circa 350 Euro erhältlich. Durch geschickte Auswahl und Integration von Komponenten lassen sich gegebenenfalls Netzteile, Sensoren und Steuerungsteile einsparen.

Fazit: Frei programmierbare Steuerungen für Poolanlagen erlauben individuellste Lösungen, die (fast) keine Wünsche offen lassen und leicht für künftige Anforderungen aufgerüstet werden können. Aber erst die steuerungstechnische Verbindung aller Poolkomponenten mit der vorhandenen Gebäudetechnik ergibt neue Lösungsansätze, die aus herkömmlichen Pools „Smart Pools“ werden lassen. Aufgrund von Produkthaftung und Gewährleistung werden solch
e individuellen und komplexeren Lösungen trotz ihrer Vorteile es aber schwer haben, konventionelle Poolsteuerungen zu verdrängen.

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