Monsun entstand aus der Idee heraus, die Wärme unseres Kachelofens besser zu nutzen, indem man sie durch die ganze Wohnung verteilt. Bis dato wurde es im Wohnzimmer immer extrem heiß, die restlichen Räume blieben jedoch wenig temperiert.

Anforderungen

Die Anforderungen für das Projekt waren Folgende:

• Verteilung der warmen Kachelofenluft durch die Wohnung (Die Bauart des Ofens und der Wohnung sind dafür gut ausgerichtet, da die Zimmer der Wohnung ringförmig aufgebaut sind und der „Ring“ nur durch die Luftklappen des Kachelofens geschlossen wird. Im Ankleidezimmer wird die Luft angesaugt, im Wohnzimmer ausgestoßen).
• Das Ansauggitter des Kachelofens soll abgedeckt werden, sodass eine Ansaugöffnung für ein Radialgebläse entsteht. Im Kachelofen entsteht somit ein Überdruck, welcher sich dann über die Austrittsöffnung im Wohnzimmer durch die komplette Wohnung hin bis zum Ankleidezimmer wieder ausgleichen kann.
• Der Lüfter soll extrem leise sein
• Es muss ein großer Luftdurchsatz erreicht werden, um die Luft in der Wohnung schnell zu verteilen.
• Der Lüfter soll selbständig ein- und ausschalten
• Das System soll energieeffizient sein (Wenn der Ofen noch nicht warm genug ist, darf man nur wenig Luftdurchsatz zulassen, da sonst mehr Luft als nötig durch die Räume geblasen wird und außerdem die Austrittstemperatur zu gering ist)

Konkrete Umsetzung

Mechanik und Luftführung

Als Erstes suchten mein Dad und ich gemeinsam nach einem passenden Radialgebläse im Fundus. Das war auch relativ schnell gefunden. Es hat ca. 340 mm Durchmesser. Ist also schon recht groß. Das ist auch gut so, denn wir wollen einen hohen Luftdurchsatz bei niedriger Drehzahl, um Lärm zu vermeiden. Gut, das Gebläse war also gefunden. Allerdings gab es hierbei noch ein paar Probleme. Zum einen ist das Gehäuse viel zu groß um in den Kachelofen zu passen und zum anderen handelt es sich um einen Drehstrom-Asynchronmotor. Möchte man diesen anständig drehzahlgeregelt betreiben, benötigt man einen Frequenzumrichter. Der Umformer braucht aber dann eben in dieser Leistungsklasse auch Drehstrom. Tja, das wäre dann schon das Problem. Wer hat in seinem Wohnzimmer schon einen Drehstromanschluss …

Gehäuse

Da die Gehäusegröße ebenfalls ungeeignet für uns war, haben wir uns entschieden, das reine Lüfterrad auszubauen. Für das nun fehlende Gehäuse war aber recht schnell eine Lösung gefunden. Wir bauen uns eine Blende für das Luftansauggitter im Kachelofen, schneiden eine Ansaugöffnung passend für das Lüfterrad aus und zentrieren das Lüfterrad genau auf dieser Öffnung. So wird die Luft durch die Öffnung aus dem Ankleidezimmer gesaugt und über die Fliehkraft 360 ° um das Lüfterrad herum wieder ausgestoßen. Also direkt ins innere des Kachelofens. Dort entsteht somit – wie bereits beschrieben – ein Überdruck, welcher sich durch die Luftaustrittsöffnung im Wohnzimmer ausgleichen kann. Das neue Gehäuse des Lüfterrades ist also der Kachelofen selbst.

Motor

Gut, jetzt war da aber immer noch das Problem mit dem Motor … Nach einigen Recherchen meinerseits bin ich zu dem Entschluss gekommen, einen Schrittmotor mit einem passenden Treiber hierfür zu verwenden. Der Schrittmotor besitzt eine sehr kleine Bauart und kann perfekt in der Drehzahl geregelt werden. Versorgt wird er direkt über den Schrittmotortreiber via 24 VDC. Also kein wirkliches Problem mehr. Die Ansteuerung ist relativ simpel gehalten. Über DIP-Schalter nehme ich die Motoreinstellungen vor (Spannung, Strom, Schrittanzahl). Soll der Motor einen Schritt machen, übermittle ich dem Treiber über 3 Eingänge die Freigabe, die Drehrichtung und einen Impuls. Schon macht der Motor einen Schritt in die gewünschte Richtung. Die perfekte Schnittstelle also für einen Arduino.

Mechanische Befestigung

Um die Montage des ganzen Systems inklusive aller Halterungen kümmert sich mein Dad. Ein Problem welches hierbei aufgetaucht ist, war die fehlende Entkopplung zwischen Motor, Halterung und Lüfterrad. So ein kleiner Schrittmotor kann ganz schön laut fiepen, wenn er genügend Resonanz durch das umliegende, mitschwingende Metall bekommt 😉
Doch auch hierfür fanden wir schnell eine passende Lösung. Der Motor selbst wurde durch ein paar Gummi-Schwingungsdämpfer vom Gestell und über eine modifizierte Klauenkupplung vom Lüfterrad entkoppelt. Die Lautstärke bei voller Drehzahl ist durch diese Maßnahmen deutlich gesunken.

Der mechanische Aufbau und die Luftführung von Monsun standen fest. Also folgt der elektronische Part.

Elektronik

Fangen wir beim Schrittmotortreiber an. Wie schon erwähnt, besitzt dieser 3 Eingänge:

• Freigabe (der Motor kann nur aktiv werden, wenn hier Spannung anliegt)
• Drehrichtung (liegt hier Spannung an, dreht der Motor rechts herum. Liegt keine Spannung an, dreht er links herum)
• Schritt (der Schrittmotor dreht bei einer ansteigenden Flanke am Eingang einen Schritt in die gewünschte Richtung)

Bei einer maximalen Drehzahl von 1.900 Schritte/s müsste ich also an ein Rechtecksignal von 1,9 kHz am Eingang des Schrittmotortreibers anliegen haben. Wie im Folgenden erläutert, setzte ich als Steuerung der Anlage einen RaspberryPi ein. Da habe ich allerdings ein Problem, solche hohen Frequenzen exakt und feinstufig regelbar auszugeben. Deshalb folgt hier noch ein Zwischenschritt.

Ein Arduino Nano wird mir als Schnittstelle zwischen Schrittmotortreiber und RaspberryPi dienen. Dieser kann solch hohe Frequenzen leicht und locker erzeugen. Wohingegen der RaspberryPi schon sehr beschäftigt/überfordert wäre und auch das Timing nicht so exakt hinbekommen würde. Der Arduino bekommt die gewünschte Drehzahl per I2C zugesandt und gibt dementsprechend das nötige Rechtecksignal, sowie Freigabe und Drehrichtung an den Schrittmotortreiber heraus.

Herzstück

Damit wären wir auch beim Herzstück der Elektronik angekommen. Da wir noch nicht wussten, ob das Ganze überhaupt wie geplant funktioniert, hatten wir den Wunsch, möglichst alle relevanten Parameter als Einstellungen zum implementieren. So können wir jederzeit einfach Änderungen vornehmen. Wir wussten ja vorher nicht, ob das Ganze überhaupt wie geplant funktionieren würde. Außerdem hat mein Dad die Anforderung, dass man den Temperaurverlauf und die Drehzahl des Lüfters (also das Regelverhalten) beobachten kann. Aufgrund dieser recht hohen Anforderungen habe ich mich also für einen RaspberryPi entschieden.

Der RaspberryPi übernimmt folgende Aufgaben:

• Apache-Server (Zur Visualisierung des Temperatur- und Drehzahlverlaufes und als Bedienfeld für die Einstellungen der verschiedensten Parameter)
• MySQL (Zur Speicherung der historischen Daten, sowie der Parameter)
• Auslesen der Temperaturen über den OneWire-Bus (DS18B20S Temperatursensoren)
• Ausführung des Python Programmes, welches die Steuerung und Regelung übernimmt.
• Senden der Soll-Drehzahl für den Schrittmotor per I2C an den Arduino

Als kleiner Überblick hier noch ein Schema zur Verdeutlichung der Abläufe:

Ablauf

Monsun überwacht ständig die Lufttemperatur am Luftaustritt des Kachelofens im Wohnzimmer.

Wird der Kachelofen nun angeheizt, strömt wärmere Luft – bedingt durch die Bauart des Ofens – aus dem Luftaustritt und der Temperatursensor erfasst diesen Anstieg.

Übersteigt die Temperatur nun einen gewissen Grenzwert, gibt das Python-Programm entsprechende Steueranweisungen über den Arduino zum Schrittmotortreiber. Der Lüfter fängt an sich zu drehen. Über die definierte Anfahrrampe wird sichergestellt, dass die Beschleunigung nicht zu stark ist. Andernfalls verlangen wir von dem Schrittmotor aufgrund der Massenträgheits des großen Lüfterrades ein zu hohes Drehmoment ab. Das führt dann dazu, das der Schrittmotor Schritte überspringt und irgendwann nur noch auf der Stelle steht. Da konnten wir genug Erfahrung damit sammeln, bis wir die optimale Anfahrrampe gefunden hatten 😉

Nun beginnt der Regelkreis. Der Regler vergleicht ständig die Soll-Temperatur mit der Ist-Temperatur am Luftaustritt. Bei einer positiven Abweichung, darf der Motor noch schneller drehen (wenn wir nicht bereits bei der maximal konfigurierten Drehzahl angelangt sind). Eine negative Abweichung führt dann natürlich dazu, dass der Motor verlangsamt wird, wodurch dem Kachelofen weniger Energie entzogen wird und die Luftaustrittstemperatur wieder ansteigt.

Ist der Kachelofen ausgeglüht, regelt das Programm also die Drehzahl von selbst herunter. Denn die Temperatur am Luftaustritt sinkt immer weiter. Irgendwann wird dann die parametrierte Mindestdrehzahl unterschritten. Hierbei schaltet der Regler den Motor ab. Denn erstens hat eine niedrigere Drehzahl keinen Nutzen mehr, das Lüfterrad fördert dann einfach nichts mehr und zweitens wird die Anlage gerade bei sehr niedrigen Drehzahlen ziemlich laut. Bedingt durch die Resonanzfrequenzen. Also schalten wir einfach ab.

Monsun – Weboberfläche

Abschließend noch ein paar Eindrücke von der Weboberfläche des Monsun: