Klimaanlage für's Bett

Diese Seite beschäftigt sich mit dem Aufbau eines Temperaturregelsystems für das Bett.

HINWEIS: Bei diesem Hobbyprojekt handelt es sich um einen Prototypen einer Idee und nicht um ein fertiges Produkt. Nachbau und Verwendung erfolgen auf eigenes Risiko!!!

Allgemeines

Die Sommer werden heißer und der Körper verträgt die permanente Hitze macht die Nacht zum unfreiwilligen Dauer-Saunaerlebnis. Eine Raumklimaanlage kann zwar abhilfe schaffen, frisst dafür aber eine Menge elektrischer Leistung und erfordert teilweise bauliche Veränderungen des Gebäudes.

Da lag es nahe, ein verlockend günstiges Produkt der fernöstlichen Kunststoffverarbeitung zu beschaffen, welches angeblich die Temperatur einer mitgelieferten Matratzenauflage herunterbringen konnte.

Das Wirkprinzip ist auf den ersten Blick im Onlineshop nicht klar, also siegte die Neugier und der unruhige Schlaf über Zweifel an der Sinnhaftigkeit einer solchen Investition.

Was dann ankam, war nichts anderes als eine Matratzenauflage vermutlich aus PVC oder ähnlichem Kunststoff mit Wasserkanälen im Inneren. Das elektromechanische Hilfsaggregat bestand aus überraschend wenig Teilen: Einer Pumpe, einem Wasserbecken, einem papierartigen Schwamm, einem Lüfter, einem Schwimmerschalter, ein paar Stücken Wasserschlauch und Schlauchverbinder und zur Krönung ein abgefeilter 8-Beiner IC mit Touchsensor und einer handvoll LEDs.

Der Prinzip war so simpel wie effizient: Die Pumpe schickt das Wasser durch die Auflage, dieses rieselt anschließend durch den Schwamm, welcher vom Lüfter mit Luft durchdrungen wird. Die Verdunstungskälte kühlt das Wasser und schon sinkt die Temperatur im Bett.

Grundsätzlich aus energetischer Sicht sehr löblich, jedoch verteilt dieser Aufbau die ganze Zeit Feuchtigkeit im Raum, was auf Dauer das Raumklima von der finnischen Sauna eher zur Dampfsauna macht.

Gleichzeitig wird das Wasser auf Dauer durch Algen nicht besser und der dauernd feuchte Schwamm wird mit Sicherheit irgendwann auch von Schimmel heimgesucht.

Beides ist auf Dauer der eigenen Gesundheit nicht zuträglich, also muss das technisch verbessert werden.

Funktionsbeschreibung

Es bot sich an, hier thermoelektrisch an die Herausforderung zu gehen. Mittels eines Peltier-Elements wird die Wärme transportiert, was auch in der Richtung des Wärmeflusses eine neuen Flexibilität brachte. Nun kann das System nicht nur die Temperatur im Bett senken, es kann diese auch erhöhen. So wird aus einer Sommer-Abhilfe ein ganzjähriges Haushaltsutensil.

Fertige Kombinationen aus Peltierelement, Heatpipes, Lüftern und Wasserblöcken gibt es bei den einschlägigen Marktplätzen für einige duzend Euro.

Aus dem Orignalsystem wurden Gehäuse, Wasserpumpe, Pegelsensor und die Anschlüsse übernommen.

Um das Ganze einigermaßen technisch im Griff zu halten, kommen drei Temperatursensoren zum Einsatz. Einer davon nimmt die Wassertemperatur auf, die beiden weiteren jeweils die Temperatur des Wasserblocks und der Basis der Heatpipes.

So kann nun eine Regelung mit drei PID-Reglern aufgebaut werden:

Ein Regelkreis wirkt auf den Lüfter und hält das Delta-T des Peltier-Elements in einem sinnvollen Bereich. Laut Recheche kam ein sinnvoller Delta-T bereich von 10 max 20 K in Betracht, um den Wirkungsgrad so hoch wie möglich zu halten.

Ein zweiter Regelkreis stellt die geforderte Temperatur im Wasser her, indem er einem dritten Regelkreis die Vorgabe macht, welche Temperaturdifferenz zwischen Wasser und Wasserblock hergestellt werden soll.

Letzterer stellt nun endlich den Strom im Peltier-Element ein, indem er per Pulsweitenmodulation die Energiezufuhr regelt.

Das Element kann bis zu 8 Ampere aus dem Netzteil ziehen, daher wurde die Richtungsumschaltung, um auf eine Vollbrückenansteuerung mit allen benötigen Halbleitern, insbesondere den manchmal schwierig zu realiserenden Highside-Schaltern, zu verzichten mittels einer einfachen Relaisschaltung realisiert.

Die Pulsweitenmodulation macht dann ein leistungsfähiger N-Kanal MOSFET, was den Schaltungsaufwand in Grenzen hält. Schließlich soll das System ja entweder kühlen oder heizen. Ein entsprechendes Deadband im Regler sollte verhindern, dass das System zu schnell zwischen beiden Betriebsarten umschaltet.

Die Steuerung ist in einem Rasperry Pi Pico implementiert, die Firmware wurde zunächst in Micropython implementiert. Damit wurde die Inbetriebnahme und Reglereinstellung etwas weniger Umständlich.

Auch ein Display und ein Dreh-Drücksteller wurden hinzugefügt, das Menüsystem lässt eine komfortable Bedienung zu, welche die Akzeptanz des Geräts im familiären Umfeld massiv steigert.

Schaltplan der Steuerung

Mechanischer Aufbau

Code für den Microrechner

Das Arduino-Projekt setzt primär auf der OpenEnergyMonitor-Bibliothek auf. Daher ist der Code selbst sehr kurz. Hier kann der Arduino-Sketch heruntergeladen werden.