Funk-Datenlogger unterstützen Klimamessungen in Strassenbahnen

Der Einsatz von MSR Mini-Datenloggern kann helfen, Energie zu sparen

Ob Bus, Strassenbahn oder Zug: Verringert man die Temperatur im Fahrgastraum um wenige Grad, lassen sich die Heizkosten im öffentlichen Personennahverkehr erheblich senken. Um dies wissenschaftlich zu belegen, ermittelt die Hochschule für Technik in Rapperswil den elektrischen Energiebedarf für die Beheizung des Fahrgastraums – mit Hilfe kleiner Funk-Datenlogger des Typs MSR385WD.

Autor: Sven Strebel, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe Eneuerbare Energien, Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften. 

Elektrische Bahnen können Strom sparen – sowohl durch energieeffiziente Fahrzeuge und Anlagen (zum Beispiel Gleisanlagen, Sicherungssysteme, Bahnhöfe) als auch durch innovativen Fahrbetrieb mit modernen Traktionssystemen. Die Modernisierung der Fahrzeugflotte, die Rückspeisung von Bremsenergie und energiesparende Fahrweise senken einerseits den Stromverbrauch. Während also bei den Traktionsleistungen in den vergangen Jahren Effizienzsteigerungen realisiert wurden, ist andererseits dieses Einsparpotential für die Bereitstellung der Raumwärme, insbesondere für bestehende Fahrzeugflotten, noch nicht ausgeschöpft.

Grosses Einsparpotential beim elektrischen Personennahverkehr

Im öffentlichen Nahverkehr befinden sich Fahrgäste nur über einen relativ kurzen Zeitraum im Fahrzeug, so dass davon ausgegangen werden kann, dass die der Witterung angepasste Kleidung nicht abgelegt wird. Grosse Temperaturunterschiede zwischen Innen und Aussen können sich demnach allenfalls negativ auf die thermische Behaglichkeit auswirken und verursachen einen entsprechend hohen Energiebedarf. Insbesondere dann, wenn die elektrisch betriebenen Fahrzeuge im öffentlichen Verkehr für die Bereitstellung der nötigen Raumwärme konventionelle Widerstandsheizungen einsetzen, wie sie bei Gebäuden und Wohnungen (elektrische „Nachtspeicherheizungen“) aus Effizienzgründen seit einiger Zeit nicht mehr eingesetzt werden. Auch weisen die Fahrzeuge des öffentlichen Nahverkehrs aufgrund der relativ kompakten Bauweise einen im Vergleich zu Gebäuden relativ schlechten Dämmwert auf, so dass für die Beheizung des Fahrgastraums hohe Heizleistungen erforderlich sind.

Durch eine Absenkung der Innentemperatur in Strassenbahnen kann womöglich ohne grossen Komfortverlust – auch hier wegen kurzer Aufenthaltsdauer – eine Energieeinsparung erreicht werden. Dies ist insofern entscheidend, da verschiedene Untersuchungen diesbezüglich zeigen, dass der Energiebedarf für die Beheizung von elektrischen Fahrzeugen einen Anteil zwischen 10 und 50 Prozent des Gesamtenergiebedarfs ausmacht.

Im Rahmen einer Masterarbeit des Studiengangs MSE (Master of Sciences in Engineering) an der Hochschule für Technik in Rapperswil wurde der spezifische Heizenergiebedarf eines „Cobra-Trams“ der Verkehrsbetriebe Zürich im Winterbetrieb untersucht. Dazu wurden im regulären Trambetrieb der elektrische Energiebedarf für die Beheizung des Fahrgastraums, der solare Wärmeeintrag durch die Fenster, die Fahrgast- und Geräteabwärme sowie die Temperaturdifferenz zwischen dem Fahrgastraum und der Umgebung untersucht

Datenlogger mit Funk-Sensoren für drahtlose Klimamessungen

Für die Innentemperaturmessung musste allerdings ein Kompromiss gefunden werden um einerseits die Lufttemperatur der relevanten Zonen (Sitzplatz und Stehbereich) zu messen und andererseits die Sensoren so anzubringen, dass diese im Betrieb weder manipuliert noch entfernt werden können. Im Weiteren sind die unterschiedlichen Bereiche im Tram-Inneren (Fuss- und Kopfbereich, Türnähe, etc.) sowie der fünf Wagenteile zu beachten, so dass die Messpunkte über das ganze Fahrzeug zu verteilen sind.

Ganz wesentlich zu den dafür nötigen Messungen haben dabei kleine Sensormodule und Datenlogger beigetragen, die von dem Schweizer Messtechnikunternehmen MSR Electronics GmbH gefertigt werden und die sich bereits bei vielen unterschiedlichen Anwendungen im Industrie-, Verkehrs-, Logistik- und Maschinenbereich bewähren.

Da eine Verkabelung von traditionellen Temperatursensoren im Inneren nur mit sehr grossem Aufwand realisierbar gewesen wäre, wurden die Drahtlos-Temperatursensoren mit Sendemodul des Typs MSR385SM und ein Funk-Datenlogger der Serie MSR385WD dieses Unternehmens eingesetzt. Insgesamt wurden 20 Sensoren über das Fahrzeug verteilt, der zentrale Funkdatenlogger wurde dabei in der Tram-Mitte installiert, und mittels dessen Mobilfunkrouter konnten die Daten in die MSR-Cloud hochgeladen werden. Die Stromversorgung erfolgte bei den Sensoren autark durch Batterien. Die messtechnische Erfassung ergänzend wurden auch auf dem Dach des Fahrzeuges ein Lufttemperaturfühler und mehrere Solar-Strahlungssensoren angebracht, um die Aussentemperatur und die auf die Fensterflächen treffende Solarstrahlung zu  erfassen.

Die geringe Grösse des Temperatursensormoduls, die ausreichende lange autonome Betriebszeit mit der verbauten Batterie sowie die einfache Konfiguration und Überwachung der Messwerte mittels der Cloudlösung von MSR waren letztlich die entscheidenden Kriterien, die für das Komplettsystem dieses Unternehmens sprachen.

Vom Sensormodul in die Cloud

Mit dem Funk-Datenlogger MSR385WD lassen sich Temperatur, Feuchte und Druck an verschiedenen Messpunkten und bei Betriebstemperaturen von -20 °C bis zu +125 °C permanent aufzeichnen und standortunabhängig überwachen – Eigenschaften, die den Logger sehr gut geeignet für die Aufgabe im Tram machen. Der Datenlogger besitzt ein integriertes 868-MHz-ISM-Band-Empfangsmodul, über das er die Daten von bis zu zehn MSR385SM-Sensor-Sendemodulen entgegen nimmt und sie speichert. Diese Sendemodule erfassen mittels Sensoren Temperaturverläufe, Feuchte sowie Druck und senden die gemessenen Werte im lizenzfrei nutzbaren ISM-Band an den Datenlogger. Die Energieversorgung der Sendemodule wird – je nach Häufigkeit der Messungen und Funkübertragungen – für bis zu fünf Jahre gewährleistet. Aufgrund ihrer Wärmbeständigkeit erlauben die Sendemodule, je nach Gehäusetyp, messtechnische Anwendungen selbst bei hohen Arbeitstemperaturen von bis zu +125 °C – was hier allerdings so nicht benötigt wurde. Die Mess- und Übertragungsintervalle der Sendemodule sind wie folgt einstellbar: 1 s, 10 s, 1 min, 15 min, 1 h. Die Spannungsversorgung der Sendemodule erfolgt, je nach gewähltem Gehäuse-Typ,  mittels wiederaufladbarem Li-Po-Akku mit 260 mAh oder mit einer 800-mAh-Li-SOCl₂-Batterie. Ein optimiertes Power-Management sorgt dafür, dass die Energieversorgung der Mini-Sendemodule je nach Häufigkeit der Messungen und Funkübertragungen für bis zu fünf Jahre gewährleistet wird. Ein solches kompaktes Sendemodul verfügt in der kleinsten Gehäuse-Variante bei einem Gewicht von ca. 25 Gramm gerade über Aussenmasse von 35 x 55 x 25 mm und kann so auch an unzugänglichen Orten platziert werden, so wie hier. Ein integrierter Flash-Speicher sorgt für Datensicherheit bei Stromausfall.

Die vom Datenlogger aufgenommenen Messwertverläufe dieser Sendemodule können via USB-Schnittstelle ausgelesen und mit der MSR-PC-Software zur Datenanalyse weiter verarbeitet werden. Zusätzlich erlaubt ein GSM-Modul die Anbindung des MSR385WD an die «MSR SmartCloud», dem webbasierten Service von MSR Electronics zur standortunabhängigen Datenüberwachung. Zur Direkt-Anzeige von Daten ist der Funk-Datenlogger auch mit einem farbigen OLED-Display ausgestattet. Die hohe Anzeigequalität ermöglicht das einfache Ablesen von Messwerten selbst bei völliger Dunkelheit und aus praktisch jedem Betrachtungswinkel.

Aussagekräftige Ergebnisse

Aus den Messungen sollte vor allem Energiesparpotential abgeleitet werden. In diesem Zusammenhang zeigt die hier gezeigte Grafik über den Untersuchungszeitraum von über zwei Monaten hinweg den von den Sensoren und Loggern aufgezeichneten Verlauf der Traminnentemperatur, die äussere Lufttemperatur  sowie die mittlere Lufttemperatur über dem Stadtgebiet von Zürich.

Eine weitere Grafik zeigt ergänzend dazu den Wärmeeintrag der verschiedenen Wärmequellen (Heizung, Solareintrag Fenster, etc.) pro Tag während des Untersuchungszeitraums. Es gilt zu beachten, dass die Daten nicht normiert sind und entsprechend der Trameinsatzdauer am entsprechenden Tag ausfallen. An Tagen mit einem sehr geringen Wärmeeintrag (< 50 kWh/Tag) ist das Fahrzeug nicht im ordentlichen Einsatz. Aus der Darstellung wird ersichtlich, dass der allergrösste Anteil des Wärmeeintrags durch die elektrische Heizung erfolgt und sich je nach Trameinsatz und Umgebungstemperatur zwischen 100 und 800 kWh pro Tag und Tram beträgt. Zum Vergleich: Der mittlere elektrische Energiebedarf eines typischen 2-Personen-Haushalts liegt bei rund 4500 kWh pro Jahr.

Ausgehend von diesen Klimamessungen kann der jährliche Heizenergiebedarf auf rund 72 MWh für ein Cobra-Tram abgeschätzt werden. Aus einer Absenkung der Innentemperatur um 2 Grad Celsius liessen sich bereits Einsparungen von rund 25 Prozent realisieren. Unter der Annahme, dass die gesamte elektrisch betriebene Fahrzeugflotte der Verkehrsbetriebe Zürich denselben spezifischen Wärmestrombedarf aufweist, resultieren daraus Einsparungen von jährlich rund 3.3 GWh. Dies entspricht dem elektrischen Energiebedarf von rund 730 Einfamilienhäusern. Im Gegensatz zu anderen Massnahmen wie der Optimierung der Dämmung oder dem Einbau von effizienteren Heizgeräten stellt eine Absenkung der Innentemperatur eine aus technischer und finanzieller Sicht relativ einfache Massnahme dar, um den Energiebedarf zu senken.