Energieüberwachungssystem am Fritz-Reuter-Gymnasium
© 1997 by Knut Grahlmann, Peter Kruse und Christian Riechert
(Dies ist die Beschreibung eines Projektes, mit dem Peter Kruse, Christian Riechert und ich am Regionalwettbewerb Jugend forscht 1997 teilgenommen haben.)
Vorwort:
1994 wurde unsere Schule zur Umweltkontaktschule ernannt. In der Schule begannen daraufhin eine Reihe von Projekten, die sich mit der ökologischen Umgestaltung der Schule beschäftigen. Eine Hauptaufgabe dabei ist, Möglichkeiten zur Energieeinsparung zu finden.Mit Hilfe unseres Projektes ist es möglich, den gesamten Energieverbrauch an unserer Schule zu überwachen. So soll in Zukunft erforscht werden, wie sich Energiesparmaßnahmen auf den Energieverbrauch auswirken. Dieser wird mit unserem System ständig gemessen, getrennt nach den Energieträgern Strom, Gas und Heizöl.
Schaltungsbeschreibungen Meßfühler:
Spannungsfühler:
An dem Spannungsteiler, der aus R1 bis R4 besteht, wird die Netzspannung von ca. 230 V im Verhältnis 1:100 geteilt, so daß an der Diode D eine Wechselspannung von ca. 2,3 V anliegt. R1 bis R4 sind aus Sicherheitsgründen im Schaltkasten der Heizung bzw. im Zählerkasten untergebracht.
Die Reihenschaltung von R1 und R2 ergibt ca. 990k Ohm. Die Parallel -schaltung von R3 und R4 ca. 10 k Ohm. Damit ergibt sich das Teilungsverhältnis von 1:100. Die Diode D läßt nur einen positiven Strom fließen und lädt den Kondensator C auf. R5 (ca. 100k Ohm) sorgt für eine langsame Entladung von C, so daß sich am Kondensator eine mittlere Gleichspannung einstellt, die proportional zum Effektivwert der anliegenden Netzspannung ist.
Stromfühler:
Die drei Stromzangen liefern eine Wechselspannung (für jede Phase eine) von 1 mV/A. Dieser Wert ist zu klein, um vom A/D-Wandler vernünftig erfaßt zu werden. Die Wechselspannung wird daher verstärkt, wobei der Verstärkungs- faktor des OPV gegeben ist durch R2/R1 +1 (hier ca. 50). Die verstärkte Wechselspannung wird anschließend gleichgerichtet und zum A/D Wandler geleitet.
Temperaturfühler:
Die Diode D wurde am Außengebäude des Fritz-Reuter-Gymnasiums angebracht. Der Widerstand R3, der an einer stabilisierten Spannungsquelle angeschlossen ist, versorgt die Diode mit einem (fast) konstanten Strom. Die Spannung der Diode von ca. 600mV ist temperaturabhängig mit ca. -2mV/K. Die an D anliegende Spannung wird um den Faktor 5 verstärkt (abhängig von R2 und R1) und dem A/D Wandler zugeführt.
A/D-Wandler:
Der A/D-Wandler hat acht Spannungskanäle, die Spannungen im Bereich von 0 bis 5 Volt erfassen können. Er wird über die serielle Schnittstelle mit dem Computer verbunden.Beschreibung Software:
Meßsoftware:
Das Programm liest im Zehnsekundentakt das an COM1 angeschlossene Interface aus. Die so erhaltenen Daten müssen dann vom Programm in eine verständliche Form umgewandelt werden, was mit Hilfe von Kalibrierungs - und Umwandlungsformeln geschieht. Die so berechneten Werte werden auf dem Bildschirm ausgegeben, was ein sofortiges Ablesen ermöglicht. Erfaßt werden die aktuelle Außentemperatur, die elektrische Leistung und die Heizungslaufzeiten (getrennt nach Öl und Gas). Alle 15 Minuten wird der Durchschnitt der letzten Viertelstunde auf der Festplatte gesichert, um spätere Kontrollen zu ermöglichen. Jeweils um Mitternacht werden alle Durchschnittsdaten des abgelaufenen Tages auf einer Diskette gesichert.Um im Falle eines Systemabsturzes die Messungen nicht für einen längeren Zeitraum unterbrechen zu müssen, haben wir in den Meßcomputer eine Karte eingebaut, die überprüft, ob das System noch ordnungsgemäß läuft. Ist dies nicht der Fall, wird das System neu gestartet. Außerdem enthält der Computer noch eine DCF77-Empfängerkarte, die nur dem Zweck dient, die sehr hohen Systemzeitabweichungen auszugleichen, welche bei unserem Meßcomputer (INTEL 80286, 20 MB Festplatte, 1MB RAM), den wir verwendeten, um die vorhandenen Mittel sinnvoll zu nutzen, nicht unerheblich sind.
Die auf der Diskette gesicherten Daten lassen sich bequem mit unserem Auswertungsprogramm auswerten, dies ist aber auch mit jeder Tabellenkalkulationen (z.B. Excel) möglich, und auch Grafiken lassen sich auf diese Weise einfachst erstellen. Diese stellen den Stromverbrauch, eine Temperaturkurve oder andere Meßwertsammlungen anschaulich dar. Die Bedienung des Programmes gestaltet sich sehr einfach:
ESC-Taste: Das Programm wird beendet, die Daten noch gesichert
D: Die Daten werden sofort auf Diskette gesichert.
Noch ein paar Worte zum Dateiformat. Dieses ist sehr kompakt gewählt, um auch größere Zeiträume auf einer Standarddiskette abspeichern zu können. So benötigt beispielsweise die Stromverbrauchsdatei eines Tages gerade mal 8 Kilobyte, so daß sich auf einer 1,2 MB 5,25'' Diskette die Daten von etwa einem halben Jahr sichern lassen.
Auswertungssoftware:
Die Auswertungssoftware wertet die angefallenen Temperatur -, Strom - und Heizungsdaten hinsichtlich der Maxi- und Minimalwerte, dem Durchschnitt, der Brennerlaufzeiten und der Häufigkeit des Anschaltens aus.Ablauf:
Auf der Oberfläche des Programms wählt man die auszuwertenden Daten. Nach der Abfrage des Zeitraumes (Tag oder Monat) und des Verzeichnisses wird der Dateiname erstellt und auf Vorhandensein überprüft. Dann wird die Datei geöffnet und die Daten zeilenweise eingelesen.
-Strom:
Zuerst müssen die drei Phasen aus der Zeile "herausgefiltert" werden. Bei einem neuen Mini- oder Maximalwert werden die entsprechenden Variablen neu gesetzt und die dazugehörige Zeit wird ebenfalls gespeichert. Außerdem wird die Durchschnittsvariable für die einzelnen Phasen um den jeweiligen Wert erhöht. Diese Variablen werden am Ende der Datei durch die Anzahl der Werte geteilt und man erhält so den Durchschnitt für die drei Phasen.
-Temperatur:
Hierbei werden ebenfalls zunächst die Zeit und der zugehörige Temperaturwert voneinander getrennt. Dann wird der Wert geprüft, ob er eine neue Höchsttemperatur oder einen neuen Minimalwert darstellt. Mit dem Durchschnitt wird ebenso, wie im Abschnitt Strom beschrieben, verfahren.
-Heizung:
Da bei den Heizungsdateien das Format nicht wie bei den Strom- oder Temperaturdateien eine klare Zuordnung Zeit - Wert ist, sondern Zeit - Text, kann bei dieser Auswertung nicht so vorgegangen werden wie bei den anderen beiden. Hier werden die Daten, die als Text vorliegen, in eine Variable umgewandelt (z.B.:H1AUS in h1!=0).
Anschließend erfolgt ein Vergleich zwischen der Variablen und den gespeicherten alten Werten.
- Heizung 1 oder 2 AN: Das Programm merkt sich die Anschaltzeit und bei der Heizung 2 zusätzlich die Brennstoffart (Bei Heizung 1 nicht nötig, weil diese nur mit Öl betrieben werden kann.).
- Heizung 1 oder 2 AUS: Hier werden nun die Anschaltzeit und die Ausschaltzeit in Minuten umgewandelt und voneinander abgezogen, um die Laufzeit zu erhalten. Diese wird zur jeweiligen Brennerlaufzeit zugerechnet.
Bei der Heizung 2 wird die Laufzeit, je nach Brennstoffart, noch der Gas- oder Öllaufzeit hinzugerechnet.
Wenn das Dateiende erreicht ist, wird bei der Monatsauswertung der auszuwertende Tag erhöht bzw. bei einfacher Auswertung wird ein Fenster mit den herausgefundenen Daten erstellt.