Experimente

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|keywords=Projektarbeit Energie, projektarbeitenergie.tk, Experiment, Haushalte, Stromverbrauch, Verkleinerung, kurzfristige Energiesparmethoden
|description=Informationen zu den Experimenten von Projektarbeit Energie
|published_time=2022-05-27

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Es wurden zwei Experimente durchgeführt, welche die Effektivität von kurzfristigem Energiesparen herausfinden sollen. Zudem sollten diese Experimente Demoexperimente sein, um zu prüfen, wie viel Strom man in der gesamten Schweiz reduzieren könnte. Zur Prüfung unserer Thesen und um Erkenntnisse zu sammeln, standen uns zwei Haushalte bzw. zwei Familien zur Verfügung.

mathematische Statistik

Um die Daten auch richtig zu interpretieren, muss man sich mit Mathematik beschäftigen, genauer gesagt mit einem Teilbereich der Mathematik: der Statistik. Dabei erklären wir wichtige Begriffe, welche wir für die Interpretation und Auswertung der Daten unabdingbar finden. Alle Variablen haben für die Formeln die gleiche Bedeutung.

arithmetisches Mittel

Das arithmetische Mittel ist im Volksmund auch als «Durchschnitt» bekannt. Man addiert dabei alle Werte zusammen und rechnet dann durch Anzahl der Werte. Das arithmetische Mittel ist mathematisch mit dieser Formel schreibbar:

x ̅ ist die Darstellung für das arithmetische Mittel, n steht für die Anzahl Werte und x_i für einen Wert, der Datenreihe. Der Vorteil des arithmetischen Mittel ist, dass die Abstände der Quadrate der Werte zum arithmetischen Mittel minimal sind. Die Funktion hat ihren minimalen Wert:

Median

Der Median wird als Zentralwert bezeichnet und ist ähnlich wie das arithmetische Mittel. Um den Median herauszufinden, muss man zuerst alle Werte der Grösse nach sortieren. Danach wird der zentrale Wert gesucht. Wenn n ungerade ist gibt es einen mittleren Wert. Wenn n aber gerade ist, werden die zwei mittleren Werte genommen und daraus das arithmetische Mittel berechnet.

Der Vorteil des Medians ist, dass die Summe der Abstände zum Median von den Werten am kleinsten ist. Das heisst, dass sich der Median beim Minimalwert der Funktion befindet.

Standardabweichung und empirische Varianz

Ein weiteres wichtiges Werkzeug ist die Standardabweichung bzw. die empirische Varianz. Um die Streuung der Daten zu haben braucht man irgendeine Masszahl. Genau geht es um die Abweichung der einzelnen Werte vom arithmetischen Mittel:

s2 ist die empirische Varianz, wenn man die Standartabweichung berechnen will (s) muss man nur die positive Quadratwurzel ziehen.  

Haushalt der Familie Hueber

Der erste untersuchte Haushalt war derjenige der Familie Hueber.

Informationen zum Haus(halt)

Der Haushalt besteht aus 4 Personen. Das Haus umfasst ein grosses Haus mit Garten.

Die Wahl den Haushalt der Familie Wyss für das Hauptexperiment zu verwenden, entstand als Alternative: Ursprünglich wollten wir den Haushalt der Familie Hueber nehmen. Wegen mehrerer Probleme wurde es dann aber bei der Familie Wyss gemacht. Der Hauptgrund nicht den Haushalt der Familie Hueber zu verwenden, rührte daher, dass es sich um ein altes Haus handelt mit einer alten Sicherungsinstallationen, welche vermutlich Asbest und offenliegende Leitungen beinhalten. Wir wollten keine Menschen dem Risiko eines Unfalles aussetzen oder etwas unnötig schädigen oder zerstören. Der Haushalt der Familie Wyss wird vermutlich nicht so gute Ergebnisse liefern. Das könnte hauptsächlich daherkommen, dass es sich um ein Zwei-Personen-Haushalt handelt und bereits viel auf Energieeffizienz geachtet wird. So wird z.B. seit jeher der sparende Geschirrwaschmaschinengang verwendet, Lichter werden nicht unnötig brennen gelassen oder es wird mit Restwärme gekocht. Hier bei der Messung der Familie Hueber wurde einfach schlicht vom regulären Stromzähler jeden Tag abgelesen. Jedoch waren wir trotzdem froh, das Experiment auch unter diesen Umständen durchführen zu können, auch wenn es sich bei der Familie Hueber um eine ungenauere Form des Experiments handelt.  

Ergebnisse

Da keine Messgeräte installiert werden konnten, wurde manuell jeden Abend um 21:00 der Stromzähler abgelesen und die Daten akribisch dokumentiert. Die Messungen begannen am Sonntag, dem 27. März. Um einen normalen Verbrauch zu protokolieren, wurde eine Woche der normale Stromverbrauch dokumentiert, anschliessend an diese Woche wurden alle Familienmitglieder für das Experiment geschult und mit den Massnahmen vertraut gemacht. Auf die Messung des normalen Stromverbraucht folgte eine Woche mit möglichst reduziertem Stromverbrauch. Der Fokus lag dabei vor allem beim Kochen und Backen und dem sparenden Umgang mit warmem Wasser und dem unnötigen Stromverbrauch von Elektrogeräten, welche nicht gebraucht werden, aber trotzdem Strom brauchen.

Normale Woche

Tag	Montag	Dienstag	Mittwoch	Donnerstag	Freitag	Samstag	Sonntag
kWh	6	3	14	16	15	44	20

arithmetisches Mittel	Median	empirische Varianz	Standardabweichung
16,857142857142858	15	178,14285714285714	13,347016788138731

stromsparende Woche

Tag	Montag	Dienstag	Mittwoch	Donnerstag	Freitag	Samstag	Sonntag
kWh	15	14	20	10	16	24	25

arithmetisches Mittel	Median	empirische Varianz	Standardabweichung
17,714285714285715	16	30,238095238095237	5,498917642417936

Interpretation

Eine exakte Prognose, wie effektiv die Massnahmen wirklich sind, ist sehr schwer zu machen, da man dafür zwei exakt gleiche Wochen bräuchte, welche man nie haben kann. Daher kann man nur eine Schätzung abgeben, wie effektiv die Massnahmen sich auf den Stromverbrauch auswirken.

Die extrahierten Daten des Experimentes sehen verwirrend aus. Auf den ersten Blick haben wir in der stromsparenden Woche mehr Strom verbraucht, als wir in der normalen Woche gebraucht haben. Das arithmetische Mittel der normalen Woche liegt bei 16,86, dasjenige der sparenden Woche liegt bei 17,71. Der Median, der weniger empfindlich auf Extremwerte reagiert, zeigt ein ähnliches Ergebnis. Der Median der normalen Woche liegt bei 15 und der der stromsparenden Woche liegt bei 16. Beides lässt schliessen, dass wir in der stromsparenden Woche mehr Strom verbraucht haben als in der normalen Woche.

Unter der Hypothese, dass die Massnahmen im Haushalt nur eine stromsparende Wirkung haben können, muss neben den Massnahmen einen weiteren Faktor, welche sich geändert hat, eine wichtige Rolle spielen und für die Erhöhung des Stromverbrauchs in der stromsparenden Woche verantwortlich sein.

Wenn man die Standardabweichung bzw. die empirische Varianz zur Interpretation hinzuzieht, wird ein grosser Unterschied zwischen den zwei Wochen ersichtlich. Die Schwankungen der normalen Woche sind um ein Vielfaches grösser als bei der stromsparenden Woche. Dies belegt die Standartabweichung mit 13,3 in der normalen Woche und 5,5 in der stromsparenden Woche. Um die Daten richtig auszuwerten, muss man wissen, dass am Montag und Dienstag der normalen Woche sehr heisses Wetter herrschte. Dies hatte weitreichende Folgen auf den Stromverbrauch. Die Heizung war aus, alle Personen im Haushalt verbrachten viel weniger Zeit im Haus und nutzen daher auch viel weniger Elektrogeräte. Am Mittwoch änderte sich dann aber die abiotischen Umweltfaktoren in Bezug auf Temperatur und Sonne. Es wurde deutlich kälter. Diese Kälte zog sich durch das ganze restliche Experiment.

Mit dieser Schwankung der abiotischen Umweltfaktoren ist es leicht zu erklären warum man am Montag und Dienstag der normalen Woche nur insgesamt 9 kWh verbraucht wurden. Um das Experiment nicht durch diese Extremwerte zu verfälschen, fanden wir es gut sie aussenvor zu lassen.

arithmetisches Mittel	Median	empirische Varianz	Standardabweichung
51,8	16	159,2	12,617448236470002

Dies ist die Tabelle der normalen Woche exklusiv Montag und Dienstag. Wenn man die Auswertung mit diesen Ergebnissen interpretiert, ist das Ergebnis deutlich anders. Natürlich ist die Standardabweichung hingegen zu der ganzen Woche gesunken. Wenn man das arithmetische Mittel der gekürzten normalen Woche und das der stromsparenden Woche vergleicht wird ersichtlich, dass in der stromsparender Woche 18,8% weniger Strom verbraucht wurde.

Da diese Zahlen mit Vorsicht zu geniessen. Wir gehen tendenziell eher von einer Effektivität von 5 – 10% aus.

Haushalt der Familie Wyss

Der zweite untersuchte Haushalt war derjenige der Familie Wyss.

SmartPi

Glücklicherweise misst Herr Halsmayer auch seinen Stromverbrauch zuhause und so kamen wir schnell zu einem passenden Messgerät, ohne Geld oder etwas dergleichen zu investieren. Dabei handelt es sich um einen Raspberry Pi verbunden mit einem Messmodul, genannt «SmartPi», und bestimmter Software zur Auswertung der Daten.

Beim Gerät handelt es sich um einen Raspberry Pi verbunden mit einem sog. «SmartPi 2.0» des Unternehmens Enerserve. Es hat folgende Spezifikationen und Eigenschaften:

• Der SmartPi dient als Ergänzung und kann auf jeden Raspberry Pi montiert werden.
• Die Standardversion kann Strom bis 100 A messen.
• Das Gerät besitz vier Klinkeneingänge. Somit ist die Messung aller drei Phasen und des Nullleiters möglich.
• Der SmartPi erzeugt sein eigenes WLAN. Darüber kann man via der passenden IP-Adresse auf die Benutzeroberfläche des Gerätes zugreifen und es verwalten oder die Messdaten abrufen.

Der SmartPi erzeugt sein eigenes WLAN. Darüber kann man via der passenden IP-Adresse auf die Benutzeroberfläche des Gerätes zugreifen und es verwalten oder die Messdaten abrufen. Für genauere Verwaltung des Raspberry Pis selbst sollte man jedoch direkt mit Raspberry Pi OS arbeiten. Dort kann noch genauer eingestellt werden.

Der SmartPi im Zählerkasten

Darin ist die Oberfläche in ein Dashboard- und den Graph-Bereich gegliedert. Das Dashboard zeigt den derzeitigen Verbrauch in Watt sowie Ampère an. Zudem zeigt es den addierten Verbrauch jedes Tages über eine Woche in kWh. Im Graph-Bereich wird detailliert ein Tag mit der Leistung in Watt, die dann gezogen wurde, angezeigt. Dort kann auch mit der Maus genauer ein Zeitpunkt untersucht werden.

Die Installation des Geräts im Zählerkasten erfolgte als Alternative: Ursprünglich wollten wir ihn im Hauptsicherungskasten der Wohnung einbauen. Dieser war aber zu eng, um eine einfache Installation zu gewähren, weshalb Herr Halsmayer alternativ den Zählerkasten vorschlug. Er wollte jedoch sich selbst und niemand anderen in Gefahr bringen, weshalb wir mit ihm Tobias Strasser anheuerten, einen ehemaligen Schüler von ihm, welcher Elektriker ist. Die Installation durch ihn erfolgte schnell: Er öffnete den Kasten, sagte welche Kabel für was seien, legte die Klammern um die drei nötigen Kabel und erklärte noch einige sonstige elektrische Apparaturen im Kasten. Anschliessend testeten wir das System, welches sofort tadellos seinen Dienst verrichtete.

Stromversorgung des SmartPis

Die Demontage des Gerätes erfolgte durch Herrn Halsmayer, da er sich nun mit dem Kasten vertraut fühlte. Anschliessend behielten wir das Gerät noch für einige Zeit, um die Interpretation korrekt schreiben zu können.

Grosse Probleme bereitete uns der Abruf der Daten, die die verbrauchten kWh pro Tag anzeigen. Diese verschwinden nämlich nach 7 Tagen vom Dashboard. Auf einfachem Weg sind diese Daten nach unserem Wissensstand und dem von Herrn Halsmayer nicht abrufbar. Nach langem Probieren fand Herr Halsmayer dann heraus, dass man die Zeit im Gerät zurückstellen kann und somit auf die Daten zugreifen kann. Dies tat er mit direkten Befehlen über die Befehlszeile von Raspberry Pi OS an den SmartPi. Er befürchtete jedoch, dass die Daten vielleicht korrumpiert werden könnten, weshalb er schnell machen wollte. Jedoch stellte das für uns kein Problem mehr dar, da wir nun alle relevanten Daten hatten.

Es erfolgte nur die Installation von drei anstatt der vier verfügbaren Klinkeneingängen, da es nicht nötig ist den Nullleiter anzuschliessen.

Informationen zum Haus(halt)

Die Gründe, warum dieser Haushalt für das Experiment bevorzugt wurde, wurden bereits in Informationen zum Haus(halt) der Familie Hueber erwähnt.

Beim Haus, in dem gemessen wurde handelt es sich um ein um etwa 1990 erbauten, Neubau im Stil der heutigen Moderne. Geheizt wird mit einer Gasheizung und alle Wohnungen werden über Bodenheizungen und gänzlich ohne Heizkörper mit der Wärme versorgt. Jedoch haben allgemein temperaturbedingte Verbraucher wie die Heizung eine eher geringe Auswirkung auf unsere Messungen, da wir nur den Stromverbrauch messen. Waschmaschinen und Tumbler sind teils in den Wohnungen vorhanden, aber auch teils nicht.

Der Haushalt besteht aus einem 16-jährigen Jugendlichen und einer 52-jährigen Erwachsenen mit einem eher, auch normal, geringem Stromverbrauch.

Wichtige Informationen für die Interpretation der Graphen (spezifisch auf Haushalt):

• Die Wohnung verfügt nicht über eine eigene Waschmaschine oder Tumbler. Der Stromverbrauch dieser Geräte wurde somit nicht berücksichtigt.
• Die Umluft-Funktion des Ofens ist kaputt. Deshalb wurde viel mit Ober- und Unterhitze gearbeitet, was logischerweise den Verbrauch erhöhte. Dies war über die gesamte Messdauer der Fall.
• Typische Abläufe resp. Einstellungen des Kühlschranks und des Gefrierschranks. Die Geräte kühlen immer in Intervallen. Der Kühlschrank etwa alle 12 Minuten und der Gefrierschrank etwa alle 50 Minuten. Die Temperatur des Kühlschranks betrug in der normalen Woche 5°C und die des Gefrierschranks -15°C. In der stromsparenden Woche 7°C und -15°C.
• Die Geschirrwaschmaschine hat immer zwei Verbrauchshöchstpunkte. Der erste tritt beim heissen Waschgang auf und der zweite bei der Trocknung. Dazwischen verringert sich der Verbrauch für eine gewisse Zeit.
• Der Kontaktgrill hat verschiedene Modi. Hauptsächlich wurden damit jedoch Paninis (Sandwichmodus) und Würste (Wurstmodus) zubereitet.
• Kaffee wird immer mit einer Bialetti Moka Express auf dem Herd zubereitet.
• Der Wasserkocher ist das Gerät, das über eine kurze Zeit den meisten Strom bezieht. Fakt ist, dass es trotzdem sparender ist, als wenn man das Wasser auf dem Herd zum Kochen bringt.
• Beim Staubsauger handelt es sich um einen Akkubetriebenen, der somit beim Aufladen des Akkus Strom verbraucht und nicht bei der Benutzung des Staubsaugers.

Relevante Geräte

Bild	Beschreibung
	Ofen Marke: Electrolux Geschätztes Alter: 25 Jahre Besonderheit: Umluft-Funktion kaputt
	Herdplatten Marke: Electrolux Geschätztes Alter: 25 Jahre Besonderheit: Licht der Steuerung der Platte oben links defekt.
	Kühlschrank Marke: Electrolux Geschätztes Alter: 5 Jahre Temperatur: 5°C (= normal) 7°C (= sparend)
	Gefrierschrank Marke: Electrolux Geschätztes Alter: 5 Jahre Temperatur: -15°C (= normal) -15°C (-15°C ist die maximale Temperatur) (= sparend)
	Geschirrwaschmaschine Marke: V-ZUG Geschätztes Alter: 10 Jahre Modi: Alltagsmodus (ohne Eco) (= normal) Alltagsmodus (mit Eco) (= sparend)
	Kontaktgrill Marke: Tefal Geschätztes Alter: 6 Jahre Modi: Sandwichmodus Wurstmodus
	Kaffee (Bialetti Moka Express) Marke: Bialetti Geschätztes Alter: 1 Jahr Besonderheit: Kaffee wird mit dem Herd heiss gemacht.
	Toaster Marke: Primavista (Landi) Geschätztes Alter: 10 Jahre
	Wasserkocher Marke: MioStar (Migros) Geschätztes Alter: 10 Jahre
	Fernseher Marke: Sony Geschätztes Alter: 2 Jahre Zeit: Läuft jeden Abend und an Wochenenden teils den ganzen Tag.
	Staubsauger Marke: Dyson Geschätztes Alter: 5 Jahre Besonderheit: Ständig am Laden, ausser vollständig geladen.
	Föhn Marke: BaByliss Geschätztes Alter: 4 Jahre
	PC (Desktop) Marke: Eigenbau Geschätztes Alter: 1 Jahr

Ergebnisse

Leider war es uns nicht möglich die Ergebnisse in ein Excel-Graphen umzusetzen, weswegen wir schlicht Screenshots gemacht haben. Die Rohdaten resp. alle rundum der Messung relevanten Dateien können jedoch auf der Webseite unter www.projektarbeitenergie.tk/messung abgerufen werden.

normale Woche

2. April 2022

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