{"id":3221,"date":"2023-01-26T20:25:45","date_gmt":"2023-01-26T19:25:45","guid":{"rendered":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/?p=3221"},"modified":"2023-02-27T18:49:47","modified_gmt":"2023-02-27T17:49:47","slug":"heizungsueberwachung-mit-esp8266-energiesparen-mit-iot","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/heizungsueberwachung-mit-esp8266-energiesparen-mit-iot\/","title":{"rendered":"Heizungs\u00fcberwachung mit ESP8266 – Energiesparen mit IoT"},"content":{"rendered":"

Am Beispiel einer Heizungs\u00fcberwachung mit ESP8266 (einem Microcontroller) l\u00e4sst sich der Forschungsprozess in der Wirtschaftsinformatik, der sich nahe am Design Science Research bewegt, darstellen. Der Beitrag zeigt zun\u00e4chst den Forschungsprozess auf und leitet dann daraus ein kleines Forschungsprojekt ab.\u00a0<\/em><\/p>\n

Die hinter diesem Beitrag stammende Technik wurde im Rahmen des Projektes Biene40<\/a> entwickelt.<\/p>\n

Stand: 26.01.2023<\/p>\n

Forschungsprozess<\/h2>\n

\"Visualisierung<\/a><\/p>\n

Abb. 1: Visualisierung des Forschungsprozesses<\/em><\/p>\n

Was ist Forschung?<\/h3>\n

Forschung ist der Prozess, wie Menschen methodisch an neue Erkenntnisse kommen<\/p>\n

Ausl\u00f6ser f\u00fcr Forschung ist oft ein Problem, das auf eine L\u00f6sung wartet, oder eine Beobachtung, die erkl\u00e4rt werden will.
\nDaraus leitet sich eine handlungsleitende Fragestellung ab, die zu einer Konkretisierung eines Forschungsvorhabens f\u00fchren kann (siehe Abb. 1)<\/p>\n

Forschung an Universit\u00e4ten vs. Forschung an Fachhochschulen<\/h3>\n

Forschung an Hochschulen bedeutet i.d.R. gef\u00f6rderte Forschung. Hei\u00dft, es gibt ein (politisches) Programm, aus dem die Forschung bezahlt wird.<\/p>\n

Das politische Programm hat oft Einfluss auf das Forschungsziel. Aus der o.g. Fragestellung und dem Forschungsziel leiten sich im n\u00e4chten Konkretisierungsschritt die Forschungsfragen ab. So fragen Universit\u00e4ten, die Grundlagenforschung betreiben, „was gibt es“. Fachhochschulen, die angewandte Forschung betreiben, fragen „wie kann man es besser machen“.<\/p>\n

Von Fragen zum Forschungsprojekt<\/h3>\n

Ge\u00fcbte Forscher:innen w\u00e4hlen nun aus dem Fachspeszifischen Methodenportfolie eine odere mehrere Methoden<\/strong> aus, mit denen die Fragen beantwortet werden sollen.<\/p>\n

Ist die Finanzierung gekl\u00e4rt, startet ein Forschungsprojekt<\/a>. Wie jedes Projekt<\/strong> ist auch ein Forschungsprojekt durch ein Ziel, einen zeitlichen Anfang, ein zeitliches Ende und die zur Verf\u00fcgung stehenden Ressourcen bestimmt.<\/p>\n

Im Rahmen des Forschungsprojektes kann ein Prototyp<\/strong> entwickelt werden (Design Science Research, gestaltungsorientierter Ansatz), es k\u00f6nnen Messungen<\/strong> erfolgen oder Befragungen<\/strong>. Messungen und Befragungen generieren Daten. Die Daten werden nach Kriterien, die sich an den Forschungsfragen orientieren, ausgewertet \u2013 das ist die Datenanalyse<\/strong>.<\/p>\n

Aus der Datenanalyse und \u2013Interpretation werden die Forschungsfragen beantwortet<\/strong> \u2013 das leitet die Zusammenstellung des Forschungsergebnisses ein.Ein Forschungsergebnis kann auch ein Artefakt<\/strong> sein: Ein Computerprogramm, ein Ger\u00e4t, eine Handlungsempfehlung …<\/p>\n

Projektergebnisse publizieren und verwerten<\/strong><\/h3>\n

Damit andere von den Forschungsergebnissen<\/strong> profitieren k\u00f6nnen, werden die Forschungsergebnisse in einem Paper<\/strong> zusammengetragen und (in einem Journal) ver\u00f6ffentlicht<\/strong>. Ist das Ergebnis eine Lehre zum technischen Handeln, kann ein Patent<\/strong> angemeldet werden. Ist das Ergebnis ein Ger\u00e4t, ist ein Patent oder ein Gebrauchsmuster m\u00f6glich. Diese Schutzrechte sollen die Verwertung und den Wettbewerbsvorteil absichern.<\/p>\n

Konkretisierung am Beispiel Energiesparen<\/h2>\n

Motivation<\/h3>\n

Die Gaskrise in 2022 hat bei vielen Menschen Fragen zur Energieversorgung, insbesondere bez\u00fcglich der Heizkosten, aufgeworfen. Auch unabh\u00e4ngig von der Gaskrise ist das Einsparen von Energie interessant, da hiermit die negativen Klimaver\u00e4nderungen verlangsamt werden k\u00f6nnten.<\/p>\n

Handlungsleitende Fragestellung<\/h3>\n

So r\u00fcckt der Gasheizkessel und seine Einstellung wieder st\u00e4rker in den Fokus, und aus dem Problem des stark gestiegenen Gaspreises leitet sich die Fragestellung ab: Welche M\u00f6glichkeiten haben ich, mit meiner Heizung anders umzugehen und dadurch gff. Gas und damit Heizkosten einzusparen.<\/p>\n

Forschungsziel<\/h3>\n

Daraus leitet sich ein m\u00f6gliches Forschungsziel ab: Es sollen Einstellparameter der Heizung erkannt werden, mit denen der Energieverbrauch gesenkt werden kann.<\/p>\n

Zeitraum<\/h3>\n

Als Zeitraum ist f\u00fcr Messungen die kalte Jahreszeit geeignet, da dann die Heizung l\u00e4uft. Zur Umsetzung von Ma\u00dfnahmen ist dann folgend die warme Jahreszeit geeignet, ha hier auch etwas an der Heizung ge\u00e4ndert werden kann, ohne das Hausbesitzer:innen kalte F\u00fc\u00dfe bekommen. Zur Konkretisierung f\u00fcr ein Forschungsprojekt sei der Zeitraum einmal festgelegt auf 01.09.2022 bis 31.03.2023.<\/p>\n

Forschungsfragen<\/h3>\n

Die aus der handlungsleitenden Fragestellung abgeleiteten Forschungsfragen k\u00f6nnten sein:<\/p>\n

F1: Wirkt sich eine \u00c4nderung der Raumtemperatur auf den Energieverbrauch aus?<\/p>\n

F2: Falls F1 mit einem Effekt beantwortet wird: Wie gro\u00df ist die Effektst\u00e4rke, hei\u00dft, wie gro\u00df ist die Einsparung je nach Absenkung?<\/p>\n

Forschungsmethode Design Science<\/h3>\n

Als Methode wird der gestaltungsorientierte Ansatz \/ Design Science Research<\/a> gew\u00e4hlt. Der Ansatz hat sich bereits im Bienen-Digitalisierungsprojekt http:\/\/bieneviernull.de<\/a> bew\u00e4hrt.<\/p>\n

Konkret hei\u00dft das: Wir entwickeln ein (kosteng\u00fcnstiges) System (Prototyp), mit dem wir den erwarteten Effekt der Temperatursenkung messen k\u00f6nnen (siehe Topologie<\/a> in Abb. 2). Aus dem Messdaten leiten wir dann im Rahmen der Datenanalyse eine Energieersparnis ab und evaluieren damit zugleich den Prototypen.<\/p>\n

Das Forschungsergebnis kann in eine Ver\u00f6ffentlichung m\u00fcnden. F\u00fcr ein Patent ist voraussichtlich die Erfindungsh\u00f6he zu gering.<\/p>\n

Prototyp<\/h3>\n

Die Topoloie<\/a> in Abb. 2 zeigt den Aufbau der Messanordung. Als Messaufnehmer wird ein Microcontroller verwendet (Zun\u00e4chst kam ein Raspberry Pico, programmiert in Micro-Python<\/a>, zum Einsatz. Das erwies sich als unstabil. Es folgte ein ESP8266-01S<\/a>, programmiert in C mit der Arduino IDE). Am Messaufnehmer sind zwei digitale Temperatursensoren (DS18B20) angeschlossen. Die Temperaturmessungen erfolgen am Abgasrohr und am Zuleitungsrohr der Fu\u00dfbodenheizung.<\/p>\n

Die Heizung regelt die Raumtemperatur \u00fcber die Vorlauftemperatur, die wiederum Au\u00dfentemperatur-gesteuert ist.\u00a0 Das Abgasrohr ist hier ein Indikator, ob der Brenner der Heizung l\u00e4uft und damit Gas verbraucht.<\/p>\n

Die Daten werden \u00fcber WLAN und den Internetanschluss an einen Webserver \u00fcbertragen. \u00dcber das Internet sind die Daten auf dem Webserver abrufbar. Die Daten werden f\u00fcr die leichtere Interpretation visualisiert (siehe Abb. 3).<\/p>\n

\"Visualisierung<\/a><\/p>\n

Abb. 2: Toplogie der Messanordnung mit Microcontroller, Webserver, Heizung ….<\/em><\/p>\n

Messungen<\/h3>\n

Vorbereitung.<\/strong> Im Vorfeld wurde abgesch\u00e4tzt, wie viel Gas die Heizung f\u00fcr einen Heizvorgang ben\u00f6tigt. Dazu wurde vor und nach dem Heizvorgang der Gasz\u00e4hler abgelesen.<\/p>\n

Intervention.<\/strong> Um eine Varianz in der Raumtemperatur zu erzeugen, wurde die Heizung auf Nachtabsenkung eingestellt: Von 12:00 bis 15:00, wenn mit etwas Sonneneinstrahlung zu rechnen ist, ist die Nachtabsenkung aktiv, ebenso nachts von 00:00 bis morgens 5:00.<\/p>\n

Abb. 3 zeigt die gemessenen Daten \u00fcber einen Zeitraum von 48 Stunden.<\/p>\n

Blau ist die Vorlauftemperatur dargestellt, rot ist die Temperatur am Abgasrohr zu sehen.<\/p>\n

Eine Messung des Gasverbrauchs kann nun einfach durch Z\u00e4hlen der Spitzen in der roten Kurve f\u00fcr einen bestimmten Zeitraum erfolgen.<\/p>\n

\"Visualisierung<\/a><\/p>\n

Abb. 3: Visualisierung der Temperaturmessung \u00fcber 48 Stunden<\/em><\/p>\n

Interpretation der Messung<\/h3>\n

In den Messkuren sind zu beobachten:<\/p>\n

B1: Kurze Aufheizvorg\u00e4nge mit moderaten Ansstiegen der Temperatur. Das sind normale Heizvorg\u00e4nge.<\/p>\n

B2: Etwas l\u00e4ngere Aufheizvorg\u00e4nge mit gr\u00f6\u00dferer Temperaturerh\u00f6hung. Vermutlich h\u00e4ngt dies mit der Brauchwassererw\u00e4rmung zusammen.<\/p>\n

B3: Langsamer Temperaturabfall der Vorlauftemperatur in der Nachtabsenkung. Dass die Temperatur nicht schlagartig auf den niedrigeren Wert eingeregelt wird (werden kann) h\u00e4ngt damit zusammen, dass ein Vierwegemischer als k\u00fchlstes Medium das Wasser mit der R\u00fccklauftemperatur zur Verf\u00fcgung hat. Die R\u00fccklauftemperatur sinkt aber erst langsam, da das Heizungswasser (und der Fu\u00dfboden) eine Menge Energie gespeichert hat. Ein haus k\u00fchlt i.d.R. langsam aus.<\/p>\n

Auswertung<\/h3>\n

Die quantitative Auswertung der Daten steht noch aus. Der Augenschein (Augenschein ist in der Forschung wichtig, daher nimmt die geschickte Visualisierung von Messdaten eine entscheidende Rolle ein) zeigt bereits, dass es in Zeiten der Nachtabsenkung weniger Aufheiz-Vorg\u00e4nge und damit weniger Gasverbrauch gibt.<\/p>\n

F\u00fcr einen Aufheizvorgang – erkennbar in der Visualisierung an einem Peak in der roten Kurve – wird eine Gasmenge von 0,13855 cbm ben\u00f6tigt. grob gesch\u00e4tzt entspricht das 1,4 kWh. 1 kwH kostet derzeit (Januar 2024) bei den Stadtwerken Willich 13 Cent.<\/p>\n

ToDo\r\n\r\nEin m\u00f6gliche quantitative Auswertung w\u00e4re:\r\n\r\nAusz\u00e4hlen der Aufheizvorg\u00e4nge bei Nachtabsenkung, damit Berechnung des gesamten Energieverbrauchs und des durchschnittlichen Energieverbrauchs w\u00e4hrend der Zeit der Nachtabsenkung.\r\n\r\nAusz\u00e4hlen der Aufheiz-Vorg\u00e4nge ohne Nachtabsenkung, damit Berechnung des gesamten Energieverbrauchs w\u00e4hrend der Zeit ohne Nachtabsenkung.\r\n\r\nDie Unterschiede in den mittleren Energieverbr\u00e4uchen k\u00f6nnen dann in Beziehung gesetzt werden zur Temperaturabsenkung in der Nachtabsenkung. Damit h\u00e4tte man eine Ma\u00dfzahl in kW\/\u00b0C und k\u00f6nnte die Gesamtkosteneinsparung f\u00fcr eine Heizperiode berechnen.<\/pre>\n
Kritische Reflektion<\/h3>\n
Eine kritische Reflektion des eigenen Vorgehens geh\u00f6rt zum Forschungsprozess.<\/p>\n
So gilt das Messergebnis nur f\u00fcr ein bestimmtes Haus mit einer bestimmten Heizung. Sicherlich ist das ein Hinweis, aber kein Beweis f\u00fcr alle H\u00e4user.<\/p>\n
Weiterhin wurde nur oberfl\u00e4chlich gepr\u00fcft, ob ein Aufheizvorgang unter allen m\u00f6glihn Umweltbedingungen die gleich Gasmenge ben\u00f6tigt.<\/p>\n
Es w\u00e4re zudem sinnvoll, die Messungen nach verschiednen Au\u00dfentemperaturen zu differenzieren.<\/p>\n
Somit wirft dieses kleine Forschungsprojekt mehr neue Fragen auf, als es beantwortet \u2013 das ist i.d.R. ein Indiz f\u00fcr ein gelungenes Forschungsprojekt.<\/p>\n
Anhang<\/h2>\n
Vorstudie Ermittlung der Gasmenge f\u00fcr einen Aufheiz-Vorgang<\/h3>\n
Am 19.12.2022 wurden f\u00fcr eine Serie von 27 Aufheizvorg\u00e4ngen die Z\u00e4hlerst\u00e4nde notiert:<\/p>\n
Vorher: 994,141 cbm, Nachher: 997,890 cbm, Differenz: 3,749 cbm.<\/p>\n
Durch Division ergibt sich die Gasmenge f\u00fcr einen Aufheiz-Vorgang: 3,749 cbm \/ 27 = 1,3885 cbm.<\/p>\n
Glossar<\/h3>\n
(Das Glossar wurde teilweise mit der Hilfe von chatGPT erstellt)<\/p>\n
Microcontroller<\/h4>\n
Ein Microcontroller (oft abgek\u00fczt auf MCU, \u00b5Controller oder \u00b5C) wie auf dem ESP32, dem Raspberry Pico oder dem Calliope Mini sind sehr kleine Schaltungen, die auf einem einzigen Chip aufgebracht sind und ein vollst\u00e4ndig in sich geschlossenes System bilden (Single On Chip, SOC). Ein Microcontroller\u00a0 wird in vielen Alltagsgegenst\u00e4nden verwendet , um diese zu steuern und zu \u00fcberwachen. Es ist eine Art „Gehirn“ f\u00fcr elektronische Ger\u00e4te und enth\u00e4lt einen Rechner, Speicher und verschiedene Ein-\/Ausg\u00e4nge.<\/p>\n
Sie sind daf\u00fcr gedacht, dass sie nur ein einzelnes Programm periodisch ausf\u00fchren. Sie eignen sich daher gut f\u00fcr vorprogrammierte, automatisierte Aufgaben, um diese in einem einzigen Szenario wiederholt auszuf\u00fchren. Dies geschieht \u00fcblicherweise in einer zeitgesteuerten Schleife, die man als embedded application (dt. \u201eeingebettete Anwendung\u201c) bezeichnet. Demgegen\u00fcber steuern Mikroprozessoren (MPs oder CPUs) wie auf dem raspberry Pi vielseitigere und allgemeinere Anwendungen.<\/p>\n
Internet of Things (IoT)<\/h4>\n
IoT steht f\u00fcr Internet of Things und bezieht sich auf die Verbindung von allt\u00e4glichen Gegenst\u00e4nden (wie z.B. Haushaltsger\u00e4ten, Autos, Thermostaten) mit dem Internet. Dies erm\u00f6glicht es diesen Gegenst\u00e4nden, Daten zu sammeln und auszutauschen und so eine intelligentere Steuerung und \u00dcberwachung zu erm\u00f6glichen. Zum Beispiel kann ein Thermostat, der mit dem Internet verbunden ist, automatisch die Raumtemperatur regeln, wenn Sie nicht zu Hause sind.<\/p>\n
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