Projekt 05654/01

Entwicklung einer elektronisch gesteuerten Wasserspararmatur

Projektdurchführung

essaIngenieurbüro für Elektronik
Postfach 103
57574 Hamm

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Wasserentnahme durch konventionelle überwiegend mechanische Wasserarmaturen bleibt ein nicht unerheblicher Anteil an Wasser und Energie infolge der Unzulänglichkeit des menschlichen Regelsystems ungenutzt. Der Einsatz einer bedarfsorientier- ten, elektronisch gesteuerten Wasserspararmatur für dezentrale Wasserentnahmestellen im Haushalts, -Industrie- und Hotelbereich sowie in kommunalen Einrichtungen ( z.B. in öffentlichen Schwimmbädern ), kann Verbesserung bewirken.
· Einsparung an Wasser durch Optimierung des Entnahmevorganges ( z.B. Zu -.und Abschaltvorgang.)
· Energieeinsparung durch den Einsatz eines elektronischen Reglers bei der Warmwasserentnahme.
· Entlastung des Ökosystems ( Wasser- Abwasserredukt. ) durch ereignisgesteuerte Wasserentnahme
· Sensibilisierung des Verbrauchers durch die Anzeige bzw. Offenlegung des Verbrauchsverhaltens.
· Funktionalitätsverbesserung des Entnahmevorganges durch optionale, integrierte Komfort- und Sicherheitsfunktionen unter Einbeziehung des Installationsstandards im Sanitärbereich.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung der elektronisch gesteuerten Wasserspararmatur erfolgte projektbezogen in den Phasen Konzeption, Prototypenbau und Nullserienauslegung. Die Konzeptionsphase umfaßte die Produktspezifizierung u. a. auf der Basis äquivalenter mechanischer Wettbewerbsmodelle Im Entwurf wurde der Aufbau des mikrocomputergestützten Systems definiert und die Systemkomponenten detailliert. Während der Prototypenerprobung wurden Grundsatzuntersuchungen zur Reglerauslegung, einer elektrisch steuerbaren Ventileinheit mit integrierter Notverstellung, geeigneter Sensoren und der Betriebssoftware durchgeführt. In einem Testaufbau wurden durch Vergleichmessungen unter normierten Meßbedingungen die umweltrelevanten Daten wie Wasser- und Energieverbrauch zwischen konventionellen Armaturen und dem ökomaten ermittelt. Die Resultate wurden anschließend zur ökomat-Auslegung ( z.B. Reglerparameter, Ventilansteuerfunktionen etc. ) verwendet. Der Aufbau des System unter serienmäßigen Aspekten erfolgte in der Nullserienauslegung. Schwerpunkte waren Optimierung von Systemaufbau, Bedienung und Zuverlässigkeit.


Ergebnisse und Diskussion

Zunächst wurden äquivalente mechanische Wettbewerbsmodelle den geplanten beiden Varianten ökomat-Standard und Komfort gegenübergestellt u.a zur Ermittlung gemeinsamer Komponenten.
Der ökomat-Standard umfaßt eine bedarfsorientierte Freigabe des Wasserflusses, eine Wassermengen- und Temperaturregelung und entspricht von seinen Produktmerkmalen einem mechanischen Einhebelmischer. Werkseitig wird dabei eine Basiseinstellung vorgegeben, die vom Endverbraucher individuell verfeinert und erneut gespeichert werden kann.
Bei der Komfortversion wurden die Funktionen Normalbetrieb (=ökomat-Standard), Automatik (=Wiedergabe des zeitlichen Verlaufs der Wassermenge, Wassertemperatur), Lernen (=Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs der Wassermenge, Wassertemperatur), Statistik (=Verbrauchsinformationen), Test und Hilfe (=Bedienungshinweise, Tips) sowie eine Anzeigeeinheit integriert. Das mechanische Äquivalent zum ökomat-Komfort ist die thermostatisch gesteuerte Mischbatterie.
Zur Verifizierung der umweltrelevanten Daten wurde ein normierter Versuchsaufbau bestehend aus einem Warmwasserspeicher, Meßbehälter, konventionellen Armaturen sowie den ökomaten aufgebaut. Durch Vergleichsmessungen des Energie- und Wasserverbrauch bei normierten Betriebszuständen (z. B. 30 Sekunden Handwaschvorgang bei vorgegebener Wassermenge und Temperatur) konnten Einspareffekte ermittelt und u.a. die Reglerparameter sowie die Ventilsteuersignale optimiert werden.
Schwerpunkte der Entwicklung waren u.a. die Auslegung und Erprobung der elektrischen Ventileinheit bei der unterschiedliche Antriebsverfahren untersucht wurden. Dabei wurde eine doppelmotorige GS-Motorenanordnung aus Kosten- aber aus Verschleißgründen gegenüber einer Verstellung über Schrittmotoren bevorzugt. Es wurden unterschiedliche Steuerelektroniken mit den Vorgaben einer möglichst elektrisch energiesparenden Motoransteuerung in Verbindung mit speziellen Ansteuerprofilen für bestimmte Ventilpositionen untersucht.
Bei der Integration der mechanischen Notverstellung war der ungestörte, möglichst reibungsarme Antrieb während des Normalbetrieb (z.B. ohne sich drehende Notverstellungsmechanismen) bei gleichzeitig vollem Zugriff auf die Ventilverstellung im Störungsfall eine wichtige Vorgabe. Gleichzeitiges Drücken und Drehen des Bedienungsteils ist hier ein guter Kompromiß.
Zur Reglerauslegung wurden unterschiedliche Konzepte von dem klassischen Ansatz über PID-Regler bis zu neueren Methoden der Unschärfenregelung simuliert und erprobt.
Die Sensorik wurde aus Temperatursensoren am Warmwassereinlaß bzw. gemeinsamen Auslaß, Näherungssensoren zur ereignisabhängigen Aktivierung des Systems und der Erfassung des Drehwinkels der Ventile aufgebaut.
Die ursprünglich geplante Mehrtasten-Bedienungsoberfläche wurde durch eine, aus nur 4 Tasten bestehende, menügeführte besonders anwendungsgerechte Ausführung ersetzt.
Die Grundsatzuntersuchungen zur Einsparung von Wasser und Energie wurden aufgeteilt in
· Optimierung des Entnahmevorganges mit der Zielvorgabe Reduktion von ungenutzt abfließendem Wasser vor bzw. nach der Nutzung, unter Einsatz des elektronischen Reglers bei der Wasserentnahme.
· Einsatz eines elektronischen Reglers zur Energieeinsparung bei der Warmwassernutzung.
· Weitere Einsparmöglichkeiten von Wasser durch die Ausnutzung der vorhandenen Kaltwasserleitungskapazität zur Speicherung von ungenutzt abfließendem Warmwasser.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Zur Zeit laufen Vorbereitungen zu Schutzrechtanmeldungen. Anschließend sind Veröffentlichungen in Fachzeitschriften, auf Ausstellungen aber auch auf Veranstaltungen von Fachverbänden geplant.


Fazit

Die Hauptvorteile des ökomaten liegen in den kurzeitigen Entnahmevorgängen. In den Vergleichsmessungen konnten dabei Einsparungen an Energie -und Wasser bis zu 70 % erzielt werden. Vor allem unter den Aspekten Kompensation der Unzulänglichkeit des menschlichen Regelsystems und ereignisabhängiger Aktivierung der Wasserentnahme. Dem gegenüber steht ein nicht unerheblicher technischer Aufwand, der sich erst bei höherer Stückzahl kostengünstig gestalten läßt. Da jedoch die Einsparung bzw. bessere Nutzung der Ressourcen Wasser und Energie ohne Zweifel von hoher Bedeutung sind, kann mit der Einführung dieser Technologie durchaus gerechnet werden.