masterplan logo
... gefördert im Rahmen des Berliner eEducation-Masterplanes!

E

Projekt-Idee

Warum wir uns entschieden haben, unsere Heizung zu optimieren

V

Projekt-Durchführung

Status-quo unserer Räumlichkeiten, notwendige Hardware und erreichte Meilensteine

Z

Projekt-Ergebnisse

konkreter Hard- und Softwareaufbau einschließlich (grafischer) Auswertungen

v

Projekt-Ausblick

auf guten Ergebnisse sollte man nicht sitzen bleiben. Hier unsere Ideen für weitere ressourcenschonende Ideen.

Projekt "Heizungsoptimierung" - Durchführung

Zu kalt, zu warm, sehr angenehm, zu stickig, endlich frische Luft - an diese Probleme haben wir uns in den Klassenräumen schon lange gewöhnt das wollen wir nun optimieren! In Zusammenarbeit mit unseren Stiftungspartnern Sauter-Cumulus sowie der Ruetgers-Stiftung und in enger Kooperation mit unserem zuständigen Bezirksamt nahmen wir die Arbeit auf, stellten den Status quo unserer Räumlichkeiten fest, bestimmten die notwendige Hardware, suchten uns Partner und berichten über unsere erreichten Meilensteine.

Status-quo unserer Räumlichkeiten

In einem ersten Schritt wollen wir die vier Räumlichkeiten des Fachbereichs Informatik, die alle auf einem Flur im ersten Stock unseres Hauptgebäudes liegen, optmieren. Folgende Eckdaten haben diese Räume:

  • Drei Computerkabinette mit je sechs Radiatoren-Heizkörpern, die sich auf der langen Fensterfront unterhalb eines durchgezogenen Kabelschachtes befinden. Ausreichend Netzwerkdosen sind vorhanden. Jeder Raum verfügt über einen eigenen Sicherungskasten.
  • Ein kleiner Computerraum (genannt "Ideenwerkstatt" und gleichzeitig AG-Raum) mit vier Heizkörpern unterhalb eines durchgezogenen Kabelschachtes.

Die vorhandene Vernetzung und die Kabelschächte erleichtern die Arbeit hier enorm.

Verwendete Hardware

Zur Lösung der uns gestellten Aufgaben haben wir nach Hardware gesucht, die kostengünstig, aber gleichzeitig auch qualitativ hochwertig verarbeitet, wartungsarm und einfach zu bedienen ist. Auch sollen sie in den "rauheren" Schulalltag passen. Zur Messung von Temperatur- und CO2-Werten sowie zur Ansteuerung der verkabelten Thermostatventile haben wir uns für professionelle Geräte in Industriequalität von der Firma Sauter-Cumulus entschieden, die uns im Rahmen des Projekts freundlicherweise gestiftet worden sind. Das Projekt "Funkthermostate" ist über eine eigene Projektseite hier vollständig dokumentiert einzusehen.

  • 4 Stück Temperatur- und CO2-Sensor (je einen pro Raum) mit 24V DC Betriebsspannung, Strom: max 250mA (siehe aktuelles Produkt hier - wir verwenden noch das Vorgängermodell)
  • 22 Stück Thermostatventile mit 24V DC Betriebsspannung (siehe aktuelles Produkt hier - wir verwenden noch das Vorgängermodell)

Zum Betreiben der Sensoren und Thermostatventile ließen wir uns in jedem Computerkabinett einen professionellen 24V-Schaltnetzteil einbauen, um die Thermostatventile sowie die CO2-Sensoren stabil und professionell betreiben zu können. Zu einem späterem Zeitpunkt wurden in unsere Kabelschächte Steuerleitungen zum Ansteuern der Thermostatventile über unsere Raspberry Pis gelegt und mit dem Schaltnetzteil verbunden.

  • Eltako Weitbereichs-Schaltnetzteil AC/DC WNT12-24VDC-48W/2A (kurzschlussfest); notwendiger Strom: 6 Thermostatventile zu je maximal 250mA beim "Anlaufen" --> ca. 1,5 A  (CO2-/Temperatursensor vernachlässigbar)
  • vieradrige Steuerleitung  0,8 mm2 Leitungsquerschnitt. Grund für Vieradrigkeit: Jeweils zwei dicht beieinander liegende Thermostatventile wurden über ein verlegtes Kabel angeschlossen. Die drei Kabel für die sechs Thermostatventile wurden dann zur "Raspberry-Zentrale" verlegt.

Nun haben wir die passende Hardware ausgesucht, die uns in enger Kooperation von der Ruetgers-Stiftung im Rahmen des Sonderförderprogramms "Erneuerbare Energien" zur Verfügung gestellt wurde (nur wesentliche Komponenten aufgeführt):

  • Raspberry Pi 2 mit 16GB Toshiba micro SDHC-Karte (Class 10) SD-C016UHS1
  • passendes offizielles Netzteil der Raspberry Foundation (weiß) für den Raspberry (5V, 2A original Raspberry) sowie für den CO2-Sensor und die Thermostatventile (24V, wurden während der AG-Arbeit zum experimentieren verwendet)
  • Gertboard IO Extension Board, um die Temperatur- und CO2-Werte über den enthaltenen A/D-Wandler einzulesen und über den aufgelöteten ULN2803A Darlington-Array die Thermostatventile anzusteuern (Beispiel-Link zu unserem Berliner Lieferanten)
  • Kleinteile zum Experimentieren (im Wesentlichen Drahtbrücken, Widerstände, LEDs, einfache Temperatursensoren)
  • externe Messgeräte zur Zimmertemperatur - um Vergleichswerte zu den eigens ermittelten Werten zu bekommen und damit Fehler zu vermeiden.

Einen guten Einblick einschließlich Erläuterung in unsere Arbeit können Sie über unser selbst gedrehtes Video auf der Startseite unseres Projektes erhalten. Die Arbeit mit Funk-Thermostatventilen haben wir in einem eigenständigen Projekt untergebracht und hier dokumentiert!

Im Verlauf des Projekts haben wir mehrere funktionsfähige Prototypen fertiggestellt, wobei während der Arbeit leider mehrere Raspberries sowie auch Gertboards aufgrund von Kurzschlüssen und anderweitigen Fehlern zerstört wurden. Kopf hoch: Die Gertboards ließen sich mit etwas Lötarbeit und einem Darlington-Treiber mit passendem Sockel sogar noch etwas optimieren. Zusammen mit Herrn Haase von der Firma Sauter-Cumulus haben wir unsere Lösungen angesehen und dabei mehrere Optimierungen vorgenommen: Das verwendete Gertboard wurde durch eine eigens gelötete Lösung kostengünstig optimiert. Auch das Raspberry Netzteil haben wir durch eine gute Lösung ersetzt. Dafür benötigten wir noch die folgenden Teile, die wir leider aus privaten Mitteln finanzieren mussten:

  • Analog-Digital-Wandler MCP3008 mit passendem Sockel - um über diesen die beiden Werte für Temperatur sowie CO2 einlesen zu können.
  • Verwendung eines Schaltrelais, um die Thermostatventile anzusteuern. Funktionstüchtig, aber das Ein-/Ausschalten ist zu laut. Bessere Lösung: ULN2803A.
  • Darlington-Array ULN2803A - um über diesen die einzelnen Thermostatventile ansteuern zu können
  • Ein kostengünstiges Prototyping-Shield für den Raspberry Pi zum Aufbau von eigenen Lösungen
  • Ein Netzteilmodul, das uns die 24V Spannung des Schaltnetzteils auf 5V Spannung für den Raspberry umwandelt (Step-down); ein Raspberry-Netzteil ist dann nicht mehr nötig.

 

konkrete Durchführungsschritte und Meilensteine

Zur Erreichung der Ziele sind wir in der AG Ressourcenwerkstatt dem folgenden Ablaufplan gefolgt:

Meilenstein 1 (bis Juni 2015):

  • Gründung der AG mit Zustimmung der Schulleitung im April 2015 auf Basis einer Schüleridee zur Optimierung der Heizung
  • positives Gespräch mit einem Vertreter des Schulamtes Vor-Ort sowie Förderungs-Zusage von der Firma Sauter-Cumulus einschließlich eines persönlichen Ansprechpartners
  • Stellen des Förderungsantrags an die Ruetgers-Stiftung fü das Sonderprogramm "Erneuerbare Energien"

Meilenstein 2 (bis Juli 2015):

  • die Schule besitzt eine Fernwärmeheizung im Keller der Schule mit sechs einzeln regelbaren Strängen.
  • Fernwärme ist laut zuständiger Behörde komplizierter zu handhaben, da hier feste Lieferverträge und Abnahmemengen vereinbart werden. Die Kosten ergeben sich aus der Temperaturdifferenz zwischen ankommendem und abgehendem Wasser.
  • Ein Einblick in die Heizungssteuerung ist nicht möglich, da das Zugangskennwort nicht bekannt ist. Es kann nicht nachgesehen werden, welche Heizzeiten eingestellt sind, ob die Ferien richtig definiert sind und ob weitere Optionen existieren. Einmal jährlich kommt die von der zuständigen Behörde beauftragte Heizungsfirma und führt Wartungsarbeiten durch. Sie haben den alleinigen Zugriff auf die Heizungssteuerung.
  • Es wurde beschlossen, diese Werte durch eigene Analyse nach Aufbau der eigenen Hardware aus dem laufenden Betrieb zu ermitteln.

Meilenstein 3 (bis Dezember 2015):

  • Erfolgreiches Kennenlernen des Mikrocontrollers Raspberry Pi einschließlich erste Programmierschritte mit Python und Einlesen/Ausgeben von Werten (Sensoren, LEDs etc.)
  • Beginn mit der Programmierung der Gertboards zum Einlesen der Sensordaten (Temperatur und CO2)
  • Aufbau einer über phpmyadmin administrierten Datenbank zur Aufnahme der Sensordaten mit Datum, Uhrzeit, Wert und Raumnummer
  • Ansteuerung der Thermostatventile über den ULN2803A sowie - aufgrund zahlreicher Hardware-Defekte beim Raspberry und den ULNs - über ein Relais-Modul
  • Ausstattung des Pilot-Raumes 1202 (Ideenwerkstatt mit vier Thermostatventilen) mit einem Raspberry Pi 2 
  • Weitere Schüler aus dem Informatik-Leistungskurs nehmen nun an der AG teil.

 Meilenstein 4 (seit Anfang 2016):

  • Optimierung der Software, Fehlerbeseitigung für den Testraum 1202; leider ergaben sich während des Schaltungsaufbaus zahlreiche Defekte an den Raspberrys durch fehlerhafte Verschaltungen. Dadurch reduzierte sich die Anzahl der frei verfügbaren Raspberries für die AG erheblich.
  • Unser in Python geschriebenes Heizungs-Skript stürzte bei Testläufen häufiger ab. Hier wurden und werden die Fehler analysiert und die Skripte durch entsprechende Anweisungsblocke (try -exept) robuster gemacht.
  • durch terminliche Engpässe bei der Elektrofirma konnten der beauftragte Einbau der 24V-Trafos sowie der kabelgebundenen Thermostatventile erst Mitte März 2016 realisiert werden. Die Inbetriebnahme der Räume verzögert sich demnach um mehrere Monate.
  • Erstellung der Verteilerkästen aus Holz, die einen Raspberry mit eigener Schaltung beinhalten. Aus Gründen des Feuerschutzes wurde später eine große feuerfeste Verteilerdose zur Zusammenführung der gesamten Technik verwendet.
  • Die Räume 1201, 1204 und 1214 sind seit Mitte April verkabelt, aber bisher noch nicht an unsere selbst entwickelte Technik angeschlossen (Stand: 25.03.2016). Wir arbeiten an einer zeitnahen Integration dieser Räume! Wir legen besonderen Wert darauf, dass unsere Skripte stabil laufen. Ein nicht laufendes Skript führt zu einem kaltem Raum und sinkender Akzeptanz bei den Kolleginnen und Kollegen. Defekte Hardware können wir aufgrund der zahlreichen anderen Defekte derzeit nicht zeitnah ersetzen.

Meilenstein 5 (parallel zu vier, seit November 2015):

  • Beginn der Arbeiten (Software, Suche von passender Hardware) mit Funkthermostatventilen, um auch die Räume zu erreichen, die über keinen Kabelschacht verfügen.
  • Ausstattung des Raumes 1217 im Flur der Informatik mit Funk-Thermostaten, die selbst zusammengebaut worden sind. Dieses eigenständige Projekt finden Sie hier!

 

Bei der Realisierung des Projekts "Heizungsoptimierung" wurden wir unterstützt von der Firma Sauter-Cumulus sowie der ruetgers