Smart Valve iTRV
Smart Valve® iTRV
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Anwendung Smart Valve iTRV

Elektronisches Heizkörperventil ohne Batterie

In vielen Wohnungen haben die neuesten Generationen der Raumtemperaturregelung Einzug gehalten. Bis dato ist das alte herkömmliche Thermostatventil (Handventil) mit einem Dehnstoffelement allgegenwärtig. Die meiste Heizenergie spart man jedoch durch programmierbare elektronische Thermostatventile. Hersteller sprechen von bis zu 30 % Heizkosteneinsparung, die nur durch gezieltes Heizen erreichbar sind. Größter Schwachpunkt moderner Heizungsventile – die Batterie! Je nach Regelungsbeanspruchung müssen diese einmal jährlich gewechselt werden, um eine optimale Stromversorgung garantieren zu können. In Privatwohnungen mag der Wechsel ja noch halbwegs überschaubar sein, in Wirtschaftsgebäuden indessen ist er mit enormem Aufwand und Kosten verbunden. Servicekräfte müssten stets dafür sorgen, dass in allen Systemen volle Batterien sind. Um zu vermeiden, dass beispielsweise Hotelgäste im Kalten sitzen, müssen Batterien zyklisch gewechselt werden, egal wie viel Energie sie noch besitzen. Die PM DM GmbH stellt nun ein Heizungsventil vor, das ohne Batterien auskommt und den benötigten Strom selbst produziert. Das neue Heizungsventil von PMDM nutzt die Wärmedifferenz zwischen Heizkörper und Raum, um elektrische Energie mittels eines thermoelektrischen Generators (TEG) zu gewinnen. Aus Wärme wird Strom!

Bei Vorlauftemperaturen über 40 °C und Raumtemperaturen um die 20 °C, beträgt der Temperaturunterschied mindestens 15 °C. Der chipartige TEG mit seinen Abmaßen von 2,5 x 3,3 x 1,1 mm baut mit der Temperaturdifferenz eine Spannung von 1 V auf. Der Kühlkörper hat den größten Einfluss auf die generierte TEG-Spannung, darum wurde mit hohem Simulationsaufwand ein ausgeklügeltes thermisches Design entwickelt. Anfangs war den Ingenieuren von PM DM war schnell klar, dass man die bestehenden batterie- oder kabelbetriebenen Systeme nicht einfach mit einem thermoelektrischen Generator umrüsten kann. Normalerweise redet man bei „Energy Harvesting“ von Mikro-/Milliwatt (mW). An einem normalen Wintertag liefert das TEG geringe Milliwatt. Diese müssen bei optimaler Funktion möglichst verlustarm gespeichert werden. Damit die gespeicherte und ständig gewandelte elektrische Energie für einen reibungslosen Betrieb ausreicht, wurde das komplette System neu überdacht. Es besteht aus Getriebe, Powermanagement, Speicher, Mikrocontroller und Sensorik. Ein neuartiges Getriebe entstand, das 5 bis zehnmal weniger Energie benötigt, um eine Ventilverstellung zu fahren. Natürlich spielten die Erfahrung aus der Motoren- und Gleitlagerentwicklung, Kerngeschäft der PM DM GmbH, eine große Rolle. Sämtliche Komponenten welche Reibung verursachen wurden unter die Lupe genommen und modifiziert. Dazu kommt das findige Umsetzen der Drehbewegung in die Linearbewegung, um den Ventilstößel zu stellen. Der Stößel im Heizkörper ist federnd gelagert und bringt eine Gegenkraft bis zu 40 N. Um das benötigte Drehmoment am Motor zu reduzieren, wurde eine intelligente Mechanik für einen Kräfteausgleich im Getriebe integriert. Des Weiteren analysierte man jede Komponente der Elektronik auf Leckströme und niedrigen Energieverbrauch und optimierte sie. Angefangen bei der Eingangswandlerschaltung, welche die generierte Energie des TEG in eine nutzbare Spannung umwandelt und sich dabei adaptiv auf die Quelle einstellt. Der erreichte Energienutzungsgrad liegt heute weit über 80 %. Weiter geht es mit einem Doppelschichtkondensator als Energiespeicher, der kaum noch Verluste durch Eigenleckage hat und mit den kleinen Ladeströmen zurechtkommt. Für den Motortreiber kamen integrierte Endstufen zum Einsatz, da sie Leckströme von unter 100 nA besitzen. Ein Ultra Low Power Mikrocontroller ist die Intelligenz des Systems und kontrolliert Antrieb, Positionierung, Kommunikation und Powermanagement. Spezielle Mikrocontroller verbrauchen heute im Schlafmodus weniger als 3 µW und können über eine Realtime Clock zyklisch aufwachen und alle nötigen Betriebsparameter messen. Durch moderne Controllerkerne und intelligente Peripheriemodule ist dabei die Verarbeitungszeit, d. h. die Zeit, in der das System mehr Energie verbraucht, minimiert worden. Eine intelligente Softwarearchitektur sorgt zusätzlich für eine bestmögliche Ausnutzung der Hardware und reduziert die Wachzeit des Systems. Auch bei der Sensorik und der Kommunikation wurden Detailverbesserungen vorgenommen. Vor allem der Positionssensor benötigt nur noch ein Bruchteil der Energie früherer Systeme und ist dabei gleichzeitig günstig und zuverlässig. Er arbeitet heute kapazitiv, nicht mehr optisch. Alle nicht benötigten Komponenten werden konsequent von der Energieversorgung getrennt. So soll beispielsweise die Sommerzeit, in der der TEG keine Energie liefert, überbrückt werden.

 

Mittlerweile gibt es standardisiertes RF-Protokoll, die für einen ganzjährigen Dauereinsatz geeignet sind. Jeder Raum kann mittels eines zentralen Kontrollers auf die gewünschte Temperatur eingestellt werden. Optional sind auch Ansteuerungen über Smartphones oder Tablets möglich. Des Weiteren programmiert der Nutzer sein individuelles Wochenprogramm, sozusagen die Zeiten, in denen die Wohnung verlassen ist und wann die Nachtabsenkung beginnt und endet. Während der Nichtanwesenheit können die Räume auf 16 °C abkühlen und pünktlich zum Feierabend wird es wieder warm. Wer die Temperatur permanent um ein Grad senkt, spart sechs bis acht Prozent der Heizkosten.

Bisher werden Heizkörperstellantriebe durch Kabelverbindungen oder wie anfangs beschrieben durch Batterien mit Strom versorgt. Leider ist die Installation der Kabel mit Aufwand verbunden. Kabelkanäle müssen vorbereitet und später wieder verputzt werden. Bei einem Neubau mag dies noch eine Akzeptanz finden aber als Nachrüstsatz einfach unklug. Sind die Heizungsventile von PM DM einmal installiert, kommt der Vorteil der Wartungsfreiheit absolut zur Geltung. Für manch einen Konsumenten möge das Einsparen natürlicher Ressourcen ein Kaufgrund sein doch für die meisten ist das Sparen von Heizkosten Hauptargument der Umrüstung. Discounter bieten „Stand Alone Geräte“ zu Schnäppchenpreisen an. Unter „Stand Alone Gerät“ sind Heizkörperstellglieder ohne Verbindung zu einer Zentrale gemeint. Diese Einzelsysteme müssen für jeden Heizkörper separat programmiert werden. In Räumen mit mehreren Heizkörpern können sich diese Geräte gegenseitig bei der Raumtemperaturregelung stören. Im schlimmsten Fall korrigieren sich die Stellglieder ständig, woraufhin die Batterielebensdauer auf wenige Monate reduziert wird. Düstere Aussichten, wenn man sich die Batterieberge vorstellt. Aus diesem Grund befasst sich ein Entwicklungsteam bei PM DM intensiv mit dem Thema Energy Harvesting. Energien aus der Umgebung wie Licht, Wärme oder Bewegung müssen genutzt werden, um Kleinsysteme mit Strom zu versorgen.

 

 

 
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