Projekt
Der Alltag an unserer Schule in Hinsicht auf Umweltschutz: Lichtketten brennen stundenlang nutzlos, unbelegte Räume werden (teilweise sogar bei geöffneten Fenstern) (über-) heizt. Um dieses Problem zu beseitigen, habe ich eine Steuerung entwickelt, die die Energieverteilung im Schulgebäude mittels Mikroprozessoren dezentral regelt. Ein PC steuert auf Grund des Raumbelegungsplanes die Heizung und das Licht, so daß ungenutzte Räume weder geheizt noch beleuchtet werden. In Sonderfällen kann ein Raum lokal am Steuercomputer "freigeschaltet" (d.h. der Raum wird außerplanmäßig geheizt und beleuchtet) werden.
"Energiesparen" wird im Unterricht häufig sehr groß geschrieben. Aber zwischen Theorie und Praxis klafft oft ein tiefer Abgrund: die im Unterricht gewonnenen Erkenntnisse werden im Schulalltag nicht nur nicht umgesetzt, sondern sogar widerlegt: Lichtketten brennen stundenlang nutzlos, unbelegte Räume werden (teilweise sogar bei geöffneten Fenstern) geheizt.
Die Hauptursache dieses Problems liegt in der zentralen Steuerung der Heizung und des Lichtes. Bei dem heutigen Stand der Elektronik und Datenverarbeitung kann meines Erachtens jedoch leicht Abhilfe geschaffen werden. Mit dieser Idee im Hinterkopf habe ich ein Energiesparprogramm für Schulen entwickelt. Kerngedanke meiner Überlegungen ist der Schritt weg von der primitiven Zentralsteuerung hin zu einer vom Stundenplan abhängigen Heizungs- und Lichtsteuerung. D.h. ein Computer, der den Stundenplan kennt, steuert auch über den Raumbelegungsplan die Energieverteilung im Schulegebäude. Dieser Computer (Server-PC) steuert einzelne Steuercomputer, die sich in jedem Raum befinden, und sorgt so dafür, daß unbelegte Räume nicht geheizt werden, und daß dort das Licht abgeschaltet wird. Falls ein Raum außerplanmäßig genutzt werden soll, kann man diesen lokal am Steuercomputer "freischalten" (der Raum wird dann geheizt, und das Licht wird, falls nötig, eingeschaltet)
Für die Realisierung meines Projektes habe ich den Mikroprozessor MC 78HC705 von Motorola gewählt. Dieser Prozessor hat gegenüber anderen (z.B. dem Z80 von Zilog) den großen Vorteil, daß die wichtigsten Bausteine direkt in ihm integriert sind. So besitzt der MC 78HC705 300 Byte RAM, ein 7600 Byte großes EPROM, 3 I/O-Ports mit je 8 Bit und eine serielle Schnittstelle direkt auf dem Chip. Ein Nachteil ist jedoch, daß auch das EPROM direkt auf dem Chip integriert ist: da es sich bei der billigsten Version des Prozessors nicht um ein "echtes" EPROM, sondern um ein OTPROM (One-Time Programmable ROM) handelt, muß bei einem Software-Update der komplette Prozessor ausgetauscht werden. Die Version mit einem "echtem" EPROM kostet ca. 20 DM mehr und kann nicht mit einem standard EPROM-Brenner programmiert werden.
Ein weiterer Vorteil ist, daß man diesen Prozessor relativ günstig (ca. 25 - 40 DM) bei vielen Elektronikhändlern kaufen kann. Der Prozessor wird mit einer Frequenz von 2,4576 MHz betrieben, was für diese Aufgabe voll ausreichend ist.
Die Schaltung enthält die verschiedenen Hilfsbausteine für den Prozessor: zwei Anzeigentreiber vom Typ SN 7447, ein Display zum Anzeigen der aktuellen Temperatur, den 8-Bit A/D-Wandler ADC 804, einen Spannungsregler ( A 7805), zwei LEDs zur Statusanzeige und zwei Relais (eins für das Heizungsventil und das andere für das Licht). Die Schaltung ist sehr kompakt aufgebaut, so daß sich die ganze Steuerung in einem kleinen Gehäuse (ca. 80 mm x 110 mm) unterbringen läßt. Die Kosten belaufen sich pro Stück auf ca. 50 - 60 DM incl. Prozessor.
Für den A/D-Wandler ADC 804 habe ich mich entschieden, da dieser sehr preisgünstig ist (7,00 DM) und wenig zusätzliche Bausteine benötigt. Die Wandlungszeit von 100 s und die Auflösung von 19 mV bei einem Bereich von 0 - 5 V sind hier voll ausreichend. Die Erzeugung der Referenzspannung von 2,5 V (Mitte des Meßbereiches) übernimmt der IC LM 336-Z2,5.
Die Überwachung der Fenster wird durch eine einfache Stromschleife übernommen. Solange alle Fenster geschlossen sind, liegt Bit 5 an Port C auf "High", wird ein Fenster geöffnet, so wird die Stromschleife unterbrochen, und Bit 5 geht auf "Low".
Die Temperaturanzeige ist aus zwei Sieben-Segment-Anzeigen aufgebaut, die jede von einem SN 7447 angesteuert wird. Für zwei SN 7447 habe ich mich entschieden, da ein zweiter SN 7447 den Preis nur unwesentlich beeinflußt und ansonsten bei Verwendung nur eines SN 7447 der Aufwand für den Prozessor wesentlich höher geworden wäre. Diese Anzeige kann auch weggelassen werden, wodurch die Steuerung noch kompakter wird.
Die beiden LEDs symbolisieren die Zustände "Raum freigeschaltet" und "Fenster geöffnet". Die zweite Status-LED wird draußen neben der Tür angebracht, so daß die Lehrer und der Hausmeister, wenn sie wärend der Pause oder nach Schulschluß die Räume abschließen, schnell kontrollieren können, ob alle Fenster geschloßen sind.
Abb. 3.1: Bestückungsplan |
Abb. 3.2: Das fertige Gerät |
Die Datenübertragung vom Server-PC zu den einzelnen Steuercomputern erfolgt über eine RS-232-Schnittstelle im Simplexmodus, d.h. der Server-PC erhält keine Rückmeldung von den Steuercomputern, weshalb die Übertragung relativ störungsfrei sein muß. Die Signale vom PC, die die Standartspannungen von +3 bis +15 Volt für "High" und -3 und -15 Volt für "Low" benutzen, werden von einem MAX 232 auf TTL/CMOS-Pegel umgesetzt. Die Übertragung der Daten geschieht in kleinen Paketen mit je 5 Bytes, bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von 2400 Baud, so daß pro Sekunde ca 50 Datenpakete übertragen werden können. In einer Schule mit 100 Räumen dauert die Übertragung der Daten an alle Steuercomputer somit ungefähr 2 Sekunden.
Die fünf Bytes eines Paketes setzten sich wie folgt zusammen: als Startzeichen wird ein Asterisk (*, ASCII-Code 42) gesendet, deshalb muß man aufpassen, daß die vier folgenden Bytes nicht den Wert 42 annehmen. Danach folgen zwei Byte mit einer Adresse, mit der jeder Steuercomputer entscheiden kann, ob die folgenden Daten für ihn sind. Daraus ergeben sich theoretisch 65022 verschiedene Steuercomputer in einem System (65536 - 514; 513 Adressen fehlen, da keines der beiden Bytes den Wert 42 annehmen darf, und die Adresse 00 ist zum gleichzeitigen Ansprechen aller Steuercomputer reserviert); praktisch hat dies aber den Nachteil, daß die Datenübertragung an alle Steuercomputer ca. 20 Minuten dauern würde. Nach der Adresse wird ein Befehl-Byte übermittelt, durch welches dem Steuercomputer mitgeteilt wird, welche Informationen das fünfte Byte (das Daten-Byte) enthält:
| Befehlsbyte | Datenbyte |
| 1 | Pause* |
| 2 | Solltemperatur |
| 4 | Solltemperatur, wenn Raum freigeschaltet ist |
| 8 | Licht einschalten |
Ein weiteres Problem ist das Datennetz. In kleineren Schulen könnte man ein eigenes Netz aufbauen, aber dies ging aus Kostengründen und aufgrund der Größe unserer Schule nicht. Also habe ich nach Alternativen gesucht.
Als erste Alternative bot sich die Übertragung über Funk an, z.B. sind im Bereich von 40 MHz Aussendungen mit kleinen Leistungen zu Fernsteuerzwecken erlaubt, aber dieses Verfahren ist viel zu aufwendig, und gerade innerhalb von Gebäuden ist die Ausbreitung von Funkwellen sehr eingeschränkt. Als günstige, einfache und relativ gute Lösung hat sich die Übertragung mittels Induktion in ein bestehendes Netz, wie z.B. das Stromnetz oder das Leitungssystem der Schulsprechanlage, herausgestellt. Die Vorteile dieser Lösung sind, daß sie auf ein bereits bestehendes Leitungsnetz zurückgreift, und daß dieses Netz in allen Klassenräumen verfügbar ist. Eine andere einfache Lösung wäre die Benutzung nicht oder nur kaum genutzter Netze, so verfügt unsere Schule z.B. über ein ungenutztes Antennennetz, welches man relativ einfach umfunktionieren könnte.
Abb. 3.3: Schema des Systems
Um einen Heizkörper elektrisch regeln zu können, benötigt man ein Heizungsventil, welches man elektrisch öffnen und schließen kann, wie z.B. Ventile, die mittels einem Magneten die Schieberöffnung digital (= auf oder zu) regeln können. Diese Ventile haben aber den Nachteil, daß sie relativ teuer sind (ca. 80 DM), und außerdem muß man zum Einbauen den Heizungskreislauf auftrennen, was unter Umständen nicht einfach ist. Besser sind hier elektrisch steuerbare Ventilköpfe, die man anstatt des Thermostatventiles einfach auf den bestehenden Schieber aufschraubt. Weitere Vorteile sind ein wesentlich einfacherer Einbau sowie ein günstigerer Preis.
Das Programm für den Server-PC ermittelt die Daten für die Steuercomputer und leitet diese dann weiter. Auf Grund des Raumbelegungsplanes überprüft der Computer, ob die Räume in der nächsten Stunde genutzt werden oder nicht. Wenn ein Raum in der nächsten Stunde genutzt wird, errechnet es die optimale Raumtemperatur und die durchschnittliche Dauer, die ein Raum braucht, um auf diese Temperatur geheizt zu werden. Diese Berechnungen erfolgen auf der Grundlage der aktuellen Wetterdaten, die der Computer von einer Wetterstation erhält.
Der Raumbelegungsplan kann über Import-Filter von einer ASCII- oder einer dBase-Datei importiert werden, notfalls kann dieser Plan auch direkt eingegeben werden. Ungenutzte Räume bleiben während der Schulzeit nicht ganz ungeheizt, sondern werden z.B. im Winter nur auf ca. 16 °C abgekühlt, so daß ein schnelles Wiederaufheizen gewährleistet ist.
Das Programm läuft unter MS-Windows 3.1 und ist deshalb sehr einfach in der Bedienung. Über ein eigenes Menü kann man den aktuellen Soll-Status abfragen und kurzfristige oder zeitlich begrenzte Änderungen (z.B. Räume, in denen Klausuren geschrieben werden) schnell und einfach eingeben. Dem Programm können Termine, an den kein Unterricht stattfinden wird, übergeben werden (z.B. Ferien), so daß das Schulgebäude in dieser Zeit nicht geheizt wird. Systemvoraussetzung für das Programm ist ein MS-Windows-3.1-fähiger Rechner mit min. 2 Mb RAM und ca. 2 - 5 Mb freier Festplattenkapazität (je nach Anzahl der Räume).
Das Programm für den Steuercomputer ist ein kleines Assemblerprogramm, welches dem Mikroprozessor MC 78HC705 steuert. Das Programm ist relativ kompakt, es werden nacheinander alle Parameter abgefragt. Als erstes werden die Daten, die über die serielle Schnittstelle vom Server-PC kommen, ausgewertet (z.B. die Soll-Temperatur). Danach wird die aktuelle Temperatur vom NCT über den A/D-Wandler ermittelt, und es wird überprüft, ob die Soll-Temperatur größer als die Ist-Temperatur ist. Wenn dies der Fall ist und alle Fenster geschlossen sind, wird die Heizung eingeschaltet. Danach wird überprüft, ob die Freischalten-Taste gedrückt ist. Falls dies der Fall ist, wird die Solltemperatur auf den Standardwert (wird vom Server-PC übermittelt) gesetzt. Nun prüft der Prozessor, ob von Server-PC der Befehl Pause gesendet wurde; fall ja, so wird das Freigeschaltet-Flag wieder zurückgesetzt. Wenn das Freigeschaltet-Flag noch gesetzt ist, so wird mit der Ermittlung der Ist-Temperatur weitergemacht. Falls es nicht gesetzt ist, wird die Soll-Temperatur eingelesen.
Die anfänglichen Kosten zum Ausrüsten einer Schule mit diesem System sind natürlich relativ hoch. Wenn man z.B. von eine Schule mit 30 Räumen und einem Preis von 50 DM pro Raum für die elektronische Schaltung plus 50 DM für die elektrischen Ventile ausgeht , so belaufen sich die Kosten für die Steuercomputer auf 3000 DM. Dazu kommen 1000 DM für den Server-PC (386 - 33 mit 4 Mb RAM und 120 Mb Festplatte), evtl. 200 - 400 DM für eine Wetterstation und die Kosten für den Ausbau des Datennetzes (bis zu 800 DM). Das bedeutet, daß die anfänglichen Investitionen sich auf 4000 - 5000 DM belaufen. Wenn man jedoch bedenkt, daß an unserer Schule 10% Einsparung alleine beim Stromverbrauch knapp 6000 DM Einsparung pro Jahr bringen, rentieren sich diese Investitionen schon in kurzer Zeit.
Wenn man diese hohen Kosten scheut, kann man die dezentrale Heizungssteuerung auch etwas einfacher, aber nicht so komfortabel bauen. So würde anstatt der Steuercomputer auch ein D/A-Wandler reichen, der vom Server-PC ferngesteuert wird, und dessen Spannung mit der eines NTCs mittels eines Operationsverstärkers verglichen wird. Ist die Spannung des D/A-Wandlers höher, so wird die Heizung eingeschaltet, ist sie kleiner, so wird die Heizung abgeschaltet. Noch billiger wäre es, wenn man ein elektrisch schaltbar es Ventil, das von dem Server-PC gesteuert wird, vor ein normales Thermostatventil setzen würde. So kann man die Heizkörper in einem Raum einfach abstellen, und benötigt keine elektronische Steuerung. Nachteil bei diesen Lösungen ist jedoch, daß z.B. das Freischalten eines Raumes zentral vom Server-PC übernommen werden muß. Weiterer Nachteil ist, daß man diese System nicht oder nur schwer auf andere Aufgabenstellungen erweitern kann. Deshalb stellt sich mir die Frage, ob es sich lohnt, für - bleiben wir bei unserem Beispiel aus 3.3 - 500 bis 1500 DM Kostenersparnis auf die Vorteile des Mikroprozessors zu verzichten.
Eine andere Alternative wäre es, auf die elektronische Steuerung ganz zu verzichten und deren Aufgaben auf die Schüler zu übertragen. So könnte man etwa, wie es bei uns an der Schule geplant wird, zusätzlich zum Klassenbuchführer einen Energiebeauftragten einsetzen. Dieser Schüler hätte dann die Aufgabe, dafür zu sorgen, daß, wenn die Klasse den Klassenraum verläßt, die Lichter abgeschaltet, die Heizkörper heruntergedreht und die Fenster geschlossen sind. Diese Aufgabe dürfte allerdings nicht Pflicht sein, sondern die Schüler müßten sie freiwillig übernehmen, und sie müßten Spaß bei deren Erfüllung haben. Dies könnte z.B. durch einen Wettbewerb oder andere Anreize geschehen. Wenn der Unterricht auf diese Aufgaben eingeht und erklärt, welchen Zweck sie haben, und wenn weitere Anregungen und Ideen der Schüler aufgenommen werden, fördert dies das Umweltbewußtsein der Schüler sicherlich mehr als jeder theoretische Unterricht.
Energie ließe sich zusätzlich einsparen, wenn im Stundenplanprogramm auch energetische Randbedingungen enthalten wären, wie: z.B. "Belege die Räume kontinuierlich", "Belege große Räume nie mit kleinen Gruppen" etc. Außerdem könnte die Flurbeleuchtung über einen Bewegungsmelder gesteuert werden, wenn die Leuchtstoffröhren mit elektronischen Startern versehen würden, denn während der Unterrichtszeit werden die Flure nur selten genutzt, da Lehrer und Schüler in der Regel in ihrer Klasse sind. Außerdem würde ein von klein auf anerzogenes, umweltfreundlicheres Verhalten sicherlich auch sehr positiv sein. So existieren bei uns z.B. in jedem Klassenraum drei Mülleimer (Altpapier, Grüner-Punkt und Restmüll), doch von Müllsortierung merkt man nichts: der Müll wird einfach in irgendeinen Mülleimer geworfen.