1.     Herausforderung:

Die Infrarote Strahlung der Sonne 

Wenn die Sonne tagsüber einen Ort oder einen Gegenstand bescheint, wärmt sich dieser sehr stark auf. 
Genau das kann eine enorme Abweichung bei der Temperaturmessung bewirken.

Der Montageort des Sensors wird in unseren Breiten üblicherweise im Norden eines Gebäudes gewählt. Allerdings überstreicht die Sonne von 20. März bis zum 23. September weit mehr als 180° (siehe Abbildung 2). Deshalb wird ein Sensor in der Früh und am Abend auch auf der Nordseite von der Wärmestrahlung der Sonne getroffen und erwärmt.

Die Heizung regelt dann sofort die Vorlauftemperatur herunter, die Bewohner haben das Gefühl die Heizung schaltet ab. 

Im nachfolgenden Beispiel (Abbildung 3) ist ein Temperatursensor am 7. März zu drei Zeiten am Morgen aufgenommen. Und zwar so dass er teilweise von Osten her von der Sonne beschienen und anschließend wieder abgeschattet wird. 

Folgende drei Fälle sind in Abbildung 3 sichtbar: 
Abbildung 3 Links:          08:01 Uhr, der Sensor liegt noch im Schatten: Temperatur -2,3°C 
Abbildung 3 Mitte:          08:20 Uhr, der Sensor ist voll in der Sonne: Temperatur +11,5°C 
Abbildung 3 Rechts:       08:49 Uhr, fast eine Stunde später,
                                                              der Sensor ist erneut abgeschattet: Temperatur -1,2°C

Das heißt, die Außentemperatur hat sich innerhalb der Aufnahmezeit von 08:01 bis 08:49 Uhr um nur ca. 1°C erwärmt. Die Heizungsregelung jedoch bekommt in der Zeit, in der der Sensor von der Sonne beschienen wird, eine um 13°C zu hohe Außentemperatur gemeldet. Deshalb regelt die Regelung die Vorlauftemperatur so weit herunter, dass das Gefühl entsteht die Heizung ist ausgefallen. Im Falle einer Steigung von 1,00 bei der Regelung wäre die Vorlauftemperatur um 13°C heruntergeregelt worden.

Mit anderen Worten, die Heizung fällt quasi aus! 

2.     Herausforderung:

Der Wärmeübertrag aus dem Gebäude auf den Sensor 

Die Gebäudewand lässt, je nach Güte der Isolierung Wärme von innen nach außen durch (vor allem in älteren Gebäuden). Dadurch wird ein Sensor, der direkt auf der Außenwand montiert ist, indirekt geheizt. Dies ist beispielsweise besonders ungünstig, wenn sich auf der Innenseite ein Heizkörper befindet, oder sogar der Heizraum selbst oder die Kabeldurchführung nicht genügend abgedichtet wurde. 

Im gezeigten Beispiel (Abbildung 4) handelt es sich um eine Infrarot (IR)-Aufnahme einer Hauswand bei einer Außentemperatur von fast minus 20°C. Es sind zwei umrandete Bereiche gekennzeichnet, links ein Bereich, auf dem auf der Innenseite ein Heizungs-Radiator montiert ist, und rechts ein kleinerer Bereich, der durch ein dünnes Styropor-Stück (ca. 1cm) zusätzlich isoliert wurde. Die gemessene Temperaturdifferenz beläuft sich auf mehrere Grad Celsius zwischen dem Bereich des Radiators und des isolierten Bereichs. Ein Temperaturunterschied von 3°C macht für die Regelung bei diesen Temperaturen sehr viel aus. Deshalb ist eine großflächige Isolierung des Sensors gegen die Gebäudewand insbesondere im Altbau unbedingt anzustreben.

Machen Sie doch einfach im Winter ein IR-Bild vom Montagebereich Ihres Sensors und sehen Sie selbst. 

Was ist unsere Idee und wie funktioniert die Sensor-Abschirmung – What

Um diese abweichenden Einflüsse auf den Sensor zu verhindern und zu garantieren, dass die Raumtemperatur immer konstant und die Vorlauftemperatur immer genau dem Bedarf entspricht, haben wir die Sensor-Abschirmung (Sensor-Shade) erfunden. 
Nur damit funktioniert Ihre Heizungsregelung und die Raumtemperatur bleibt konstant auf dem eingestellten Wert, perfekt geregelt über die Außentemperatur und bei möglichst niedriger Vorlauftemperatur.

Jede Heizung hat eine Regelung (mit Einstellparametern wie Steigung, Niveau und einem Sollwert für die Raumtemperatur), die in Abhängigkeit des Umweltparameters Außentemperatur funktioniert. Allerdings der Schnittstelle zwischen Regelung und Umwelt, dem Außentemperatur Sensor selbst (Beispiele siehe Abbildung 5) wurde bisher nicht sehr viel Beachtung geschenkt. Deshalb zeigt dieser entscheidende Regelungsparameter aus den oben angeführten Gründen extreme Abweichungen, obwohl der Sensor selbst auf 0,1°C genau messen kann. 

Wir schlagen mit unserer Idee der Sensor-Abschirmung (Sensor-Shade) nun endlich eine Lösung vor, die eine genaue Außen-Temperaturmessung und damit auch Raum-Temperaturregelung auf ein Zehntel Grad genau ermöglicht.

Genau damit können Sie ein angenehmes Wohnklima sicherstellen und gleichzeitig Energie sparen. 

Die entscheidende Idee ist, den Sensor nach Innen zur Hauswand hin, wie auch nach außen gegen Sonnen-Einstrahlung  abzuschirmen bzw. zu isolieren. Umwelteinflüssen wie Regen muss der Sensor jedoch bedingungslos ausgesetzt sein, um eine auf ein Zehntel eines Grads genaue Messung der Außentemperatur in der Umgebung des beheizten Objekts zu ermöglichen.

Dafür verwenden wir thermisch isolierendes wenig wärmeleitendes Material, welches gleichzeitig Schatten spendet und vor Sonneneinstrahlung abschirmt. 

In Abbildung 6 ist unser Prototyp Version 2.1 dargestellt. Dabei handelt es sich um eine L-förmige Abschirmung zum Gebäude und zu einer Himmelsrichtung hin. Beim Verbau von 2 solcher Abschirmungen, die gegengleich selbständig und mit Eigenmitteln miteinander verschraubt werden, ergibt sich eine beidseitige Abschirmung nach Osten wie nach Westen hin. Eine Hausnummer wie in Abbildung 6 oder andere Aufdrucke können selbst aufgebracht werden.

Die Idee wurde durch mehrere Gebrauchsmuster geschützt (siehe Abbildung 7) und in verschiedenen Versionen von Prototypen umgesetzt und erprobt. 

Sind Sie interessiert, hier ist unser Angebot:

Private Nutzung:

Wir möchten die Verbreitung im Sinne von Energieeinsparung und Klimaschutz schnellstmöglich fördern. Deshalb freuen wir uns, wenn Sie unsere Idee im privaten Umfeld nutzen und selbständig und mit Eigenmitteln für den eigenen Bedarf umsetzen. Das kann ähnlich aussehen wie unser Prototyp2.1 oder auch ganz individuell gestaltet werden, wie es zu Ihrer Umgebung und dem Gebäude am besten passt. Wichtig ist, dass Sie die Anforderungen für eine erfolgreiche Abschirmung sicherstellen.

Als kleines Dankeschön für die Bereitstellung der Idee und die Nutzungsmöglichkeit würden wir uns über einen freiwilligen Dankeschön Beitrag, wie er auch im Softwarebereich üblich ist, freuen.

So können wir die weitere Verbreitung der Idee und die Verbesserung im Bereich Klima-Schutz mit Ideen für unsere Umwelt weiter vorantreiben.

Bitte überweisen Sie für die einmalige Nutzung der obigen Idee den Betrag von 10.- Euro auf unser Erfinder-Konto:

Inhaber:                             Dr. Thomas Rupp

Bank:                                  RB Landskron-Gegendtal  
IBAN:                                  AT80 3938 1000 0010 2970
BIC:                                     RZKTAT2K381 
Verwendungszweck:       Sensor-Abschirmung für verbesserte Regelung

Sollte es Fragen geben, oder Sie Interesse an unserem Prototypen Version 2.1 haben (siehe Abbildung 6), senden Sie uns eine E-Mail mit Ihrer Anfrage zu.

E-Mail: team@highspeed4you.at

Finden Sie den Beitrag interessant, dann leiten Sie den Link zu dieser Seite gerne weiter. 
Damit würden auch Sie einen wichtigen Beitrag für unser Klima leisten.

Geschäftliche Nutzung:

Sie sind Heizungsbauer, Sensorhersteller, Installateur oder im Vertrieb von Außentemperatur-Sensoren tätig?
Sie oder Ihre Firma finden die Idee interessant, und würden Sie gerne kommerziell in Ihrem Namen nutzen?

Nehmen Sie einfach Kontakt zu uns auf, um über eine gemeinsame Nutzung, eine Lizenzierung oder eine gemeinsame Herstellung bzw. den Vertrieb zu sprechen.

E-Mail: team@highspeed4you.at

Wir freuen uns auf eine Kooperation und eine weitere Verbreitung dieser Idee, um so zufriedene Nutzer, zufriedene Kunden, ein angenehmes Wohnklima, und vor allem die Energieersparnis sicherzustellen, die einen wichtigen Beitrag für unser Klima leistet.

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Im Nachfolgenden beantworten wir Fragen, die wir zu dem Thema bisher erhalten haben...

Frage: Mein Heizungs-Installateur hat den Sensor neben der Dachrinne montiert. Reicht das als Abschattung?

Da vom Heizungshersteller selbst keine Sensor-Abschirmung mit der Heizung mitgeliefert wird, „versteckt“ der Installateur den Sensor oft hinter einer Dachrinne, um die Sonne zumindest teilweise abzuschatten. 
Das ist jedoch nicht genug, denn die Sonne trifft den Sensor, wenn sie zwischen Haus und Dachrinne durchscheint, genauso wie auch später am Abend, wenn sie an der Dachrinne vorbeischeint. Im Haus fühlt sich das dann an, als ob jemand die Heizung zweimal hintereinander ausschaltet.

Frage: Bei mir ist der Sensor gut geschützt unter dem Vordach bzw. dem Dachüberstand und in einer Nische am Haus montiert. Erfüllt das nicht auch denselben Zweck wie eine Abschirmung?

Das sieht man sehr häufig, dass der Außentemperaturfühler unter einem Vordach „geschützt“ oder versteckt ist. Dadurch wird allerdings genau verhindert, dass er nass wird, wenn es regnet und er kann so nicht die richtige Temperatur anzeigen, die durch Verdunstungskälte entsteht.

Frage: Bei mir ist der Sensor in einer Nische am Haus montiert, dadurch wird er durch die Sonne nicht beschienen. Erfüllt das nicht auch denselben Zweck?

Leider nein, eine Nische am Haus, z.B. hinter einer Ecke der Garage ist ebenfalls nicht ideal, da das eine Art Windfang darstellt, und sich dort sehr leicht ein Mikroklima bildet. Besser wäre die Montage mit einer Sensor-Abschirmung auf einer richtigen Außenseite wie der Garagenwand.

Frage: Es gibt kommerziell angebotene Schutzhüllen für Außentemperaturfühler, die wie ein kleines Gehäuse aussehen. Kann ich diese verwenden?

Das kommt auf die Größe an. Die kommerziell erhältlichen Schutzhüllen sind sehr eng und eher für Wetterstationen gemacht, um sie vor Nässe und UV-Strahlung zu schützen. Sie erzeugen deshalb ein Mikroklima in der Schutzhülle. Der Sensor ist so zwar im Schatten und nicht der UV-Strahlung ausgesetzt, allerdings zeigt er wegen des Mikroklimas eine um mehrere Grad erhöhte Temperatur an.

Das Dach der Hülle verhindert weiters, dass der Sensor nass wird. Denn auch der Sensor soll wie die Hauswand nass werden, um die richtige Temperatur anzuzeigen, die durch die Verdunstungskälte (Wind-Chill) entsteht.

Frage: Ich habe einen mechanischen Ballschutz aus Blech bei mir montiert. Spendet der nicht gleichzeitig auch Schatten und schützt vor der Sonne?

Wie Sie richtig festhalten, schützt diese Abschattung den Sensor mechanisch. Sie spendet Schatten, jedoch wird Blech unter Sonneneinstrahlung sehr heiß, und gibt diese Wärmestrahlung nach innen zum Sensor weiter. Fassen Sie im Sommer, wenn die Sonne scheint, einfach mal auf die Motorhaube Ihres Autos, da spüren Sie den Effekt sehr gut. Weiters ist eine Abschirmung zur Gebäudehülle hin dadurch nicht gewährleistet.

Frage: Mein Heizungsinstallateur hat vorgeschlagen, in jedem Raum eine eigene Raumtemperatur-Regelung einzubauen. Funktioniert das und ist das eine Alternative?

Idealerweise legt der Heizungsinstallateur die Größe der Heizung bzw. der Radiatoren so aus, dass jeder Raum nach seiner Nutzung die richtige Heizleistung bekommt. Das funktioniert allerdings nur, wenn die Vorlauftemperatur gut geregelt ist.

Bei nicht stabiler Regelung ist die Installation von geregelten Thermostaten an jedem Heizkörper oder eigene Raumthermostaten in jedem Raum eine oft vorgeschlagene Methode, um eine nicht funktionierende witterungsgeführte Regelung zu kompensieren.

Um das zu ermöglichen, muss allerdings die Vorlauftemperatur des Heizsystems zu hoch eingestellt sein, denn die Raumregelung kann ja nur herunterregeln bzw. den Heizkörper (Radiator) zudrehen. Die Installation ist meist teuer und aufwendig, da in jedem Raum an geeigneter Stelle Strom zur Verfügung stehen muss.

Und nicht zuletzt, da die Vorlauftemperatur zu hoch ist, hat das zwei Dinge zur Folge:  
a) Die Heizung schaltet immer wieder ab, wodurch die Wand auskühlt, und ein Gefühl unangenehmer Kälte entsteht. 
b) Eine zu hohe Vorlauf-Temperatur hat auch höhere Heizkosten und damit mehr Rohstoffverbrauch und einen höheren CO₂ Ausstoß zur Folge.

Frage: Manche Heizungsfirmen setzen auf digitale Regelungen mit Temperaturwerten einer zentralen Wetterstation. Ist das nicht noch viel exakter als so ein Sensor an meinem Haus?

Diese Regelung, mit Temperaturvorgabe von einer Messstation irgendwo in der Stadt oder im Landkreis, wird mit Industrie4.0 sehr favorisiert, ist jedoch völlig ungeeignet.

So eine Wetterstation kann viele Kilometer von Ihrem Haus weg sein, wenn es bei Ihnen zuhause zum Beispiel ein Gewitter, einen Schneeschauer oder einen Schlagregen hat, dann kann 20km weiter in der Wetterstation noch schönstes Wetter vorherrschen. Oder wo Sie wohnen, ist Schatten, weil Sie einen Berg oder ein Gebäude um sich haben, die Wetterstation hat das jedoch nicht.

Allein dadurch ist die Anzeige dann um viele Grad daneben und völlig unbrauchbar. 
Weiters kann das zu beheizende Objekt in einem Bereich mit starkem Wind oder höherer Sonneneinstrahlung stehen, so dass die Umgebungsluft zeitweise deutlich wärmer oder kälter ist. Eine dezentrale Temperaturmessung würde hier völlig falsche Werte liefern.

Setzten Sie für Ihre Regelung auf einen eigenen Außentemperaturfühler. Diese funktionieren über Jahrzehnte verlässlich und werden zu Millionen eingesetzt. Sie zeigen die Umgebungs-Temperatur auf Zehntel Grad Celsius (0,1°C) genau an.

Allerdings muss der Sensor an Ihrem Haus so montiert sein, dass er der Umgebungs-Luft und der Witterung voll ausgesetzt ist.  Gleichzeitig sollte er durch eine Sensor-Abschirmung sowohl zum Gebäude hin als auch gegen Sonneneinstrahlung geschützt werden.

Frage: Ich habe eine Idee, wie ich eine Abschirmung selbst bauen kann? Funktioniert das?

Selbstverständlich, wenn die Abschirmung isolierend ist und nicht nur Schatten spendet, sondern auch die Wärmestrahlung der Sonne abhält, dann nichts wie los. Dabei können Sie Aussehen und Farbe ganz an Ihre Bedürfnisse und ihr Zuhause anpassen.

Wichtig ist, dass der Außentemperatur-Sensor nie von der Sonne getroffen wird, und dass er zur Hauswand hin isoliert ist. Weiters muss die Abschirmung groß genug sein, so dass die Umluft gut zirkulieren kann.

Frage: Ich reduziere meinen Sollwert für die Raumtemperatur? Reicht das, um Energie zu sparen?

Ja, jedes Grad weniger an Raumtemperatur spart ca. 6% Heiz-Energie. Auch deshalb, weil die Vorlauftemperatur reduziert wird. Allerdings, wenn ihr Regelung nicht genau funktioniert, weil ihr Außentemperatursensor nicht dauerhaft und kontinuierlich die wahre Außentemperatur ermittelt, dann werden Sie immer wieder frieren weil die Raumtemperatur um mehrere Grad schwankt. 

Frage: Bei uns sind nicht alle Heizkörper in Betrieb, kann das von Ihnen beschriebene Wohlempfinden im Wohnraum trotzdem entstehen?

Nein leider nicht. Sie müssen alle Heizkörper öffnen, damit alle Außenwände kontinuierlich beheizt werden. Falls es zu warm wird, müssen Sie die Steigung bzw. das Niveau ihrer Heizung weiter reduzieren. Wichtig dabei ist, dass der kälteste Raum (mit voll geöffnetem Thermostat und entlüftetem Radiator) noch angenehm beheizt wird. Falls es in anderen Räumen zu heiß ist, können Sie am besten mit einem fixen Ventil, keinem Thermostat den Durchfluss im Heizkörper reduzieren, so dass er geringer aber immer noch dauerhaft leicht heizt. Das ist wichtig, damit die Außenwand weiter kontinuierlich warm bleibt.

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