Drahtlose Automation:
Steigerung der Energieeffizienz in Gebäuden
Automationslösungen verbreiten sich in bestehenden Gebäuden nur vergleichsweise langsam, weil die dafür nötigen Verkabelungen entweder komplett fehlen oder stark angepasst werden müssten. Die Kosten für die nachträgliche Installation von Kabeln sind in der Regel sehr hoch und zusätzlich fallen Kosten für den Nutzungsausfall des Gebäudes an, die die direkten Installationskosten sogar übersteigen können. Eine mögliche Lösung kann in solchen Fällen die drahtlose Automation sein.
Für Automationsanwendungen zur Energieeinsparung stehen hohe Übertragungsgeschwindigkeiten nicht im Vordergrund, vielmehr sind Zuverlässigkeit, Robustheit und die Gesamtkosten der Lösung die relevanten Kriterien. Deshalb werden batteriebetriebene oder energieautarke Sensoren interessant, weil sie zusätzlich ohne Stromkabel auskommen. Allerdings ist hier eine sorgfältige Abwägung der Vor- und Nachteile dieser Systeme erforderlich, dazu später mehr.
Wie wird Energie gespart?
Der Löwenanteil des Optimierungspotenzials liegt in der Raumklimatisierung und Heizung, wobei in deutschen Breitengraden wiederum der Anteil der Heizung überwiegt. Drahtlose Systeme bieten einen kostengünstigen Weg, um Raumtemperatur und Luftqualität (Feuchte und/oder CO2) flächendeckend zu erfassen und Steuersignale zu verteilen, sodass unnötige Energieverbräuche identifiziert und durch präzisere Automation vermieden werden können.Dadurch lassen sich bis zu 30% der für die Raumklimatisierung benötigten Energie einsparen.
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Eine verbrauchsoptimierende und gleichzeitig bedarfsgerechte Regelung der Temperatur benötigt in erster Linie Soll- und Istwerte für jeden Raum sowie ggf. Prioritäten in Abhängigkeit von Faktoren wie Tageszeit und evtl. variierender Raumnutzung. Je nach Art und Betriebsweise der Heizungsanlage kommen weitere Parameter dazu, z.B. bei einer Solaranlage die aktuelle Einstrahlung und Ernte-Charakteristika der Kollektoren sowie der Speicherstatus, bei einer Wärmepumpe Temperaturniveaus. Bei Solarheizungen kommen die Energiespeicher zum Ausgleich des Zeitversatzes zwischen Energieangebot und -verbrauch dazu. Der Speicherinhalt stellt eine zusätzliche Regelgröße dar, denn ist der Speicher leer und liefern die Solarkollektoren momentan keine Wärme, dann kann es sinnvoll sein, Räume mit kleiner Soll-/Ist-Abweichung und gleichzeitig niedriger Heizpriorität erst verzögert nachzuheizen. Die zur Verfügung stehende Wärmeleistung wird gezielt verwendet und der zusätzliche Einsatz eines fossil befeuerten Brenners vermieden. Die Erfassung der Regelparameter ist aber nur die eine Hälfte der Automation, auch die Verteilung der Steuersignale muss für Einzelräume erfolgen, wenn man das Einsparungspotential heben will. Steuersignale müssen an Heizkörper-Ventile, Lüftungsklappen oder dezentrale Heizungspumpen übertragen werden. Dezentrale Heizungspumpen haben gegenüber Ventilen den Vorteil, dass sie zusätzlich Strom sparen, denn es wird nur die tatsächlich zur Umwälzung benötigte elektrische Energie eingesetzt. Bei Steuerung über Ventile baut eine zentrale Pumpe Druck auf und die Ventile arbeiten als Druckminderer, d.h. die zentrale Pumpe muss den zusätzlichen Energieverlust an der ‚Engstelle‘ Ventil aufbringen. Bis zu 10% des Gesamtstromverbrauchs kann man hier einsparen !
Unterschiede zwischen Wohngebäuden und Zweckbauten
In Zweckbauten gibt es in der Regel schon Automation, die aber selten für Energieeinsparung ausgelegt ist. Im Prinzip können drahtlose Systeme hier in gleicher Weise eingesetzt werden, aber die Integration mit der bestehenden Automationslösung ist wichtig, weil Insellösungen immer zusätzlichen Administrationsaufwand bedeuten. In Zweckbauten müssen im Zusammenhang mit Energieeinsparung außerdem zusätzliche Randbedingungen beachtet werden: Zum Beispiel müssen in Kühlhäusern vorgegebene Kühltemperaturen zuverlässig eingehalten werden. D.h. das Drahtlos-System wird hier in der Regel nicht nur zur Energieeinsparung eingesetzt, sondern übernimmt weitere Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungsaufgaben.
Funktechnologie
Für die drahtlose Übertragung von Sensordaten und einfachen Steuersignalen in Gebäuden gibt es eine Reihe verschiedener Funktechnologien. Es gibt nicht die ‚beste‘ Funktechnik, sondern es gilt, je nach Anwendungsfall die Technik auszuwählen, die ausreichende Robustheit und Sicherheit bei akzeptablen Kosten bietet. Für Automationsaufgaben ist eine bidirektionale Übertragung notwendig, was nicht alle Funktechniken können. Dabei sollte man sich von Beginn an fragen, welche zukünftigen Anforderungen man mit abdecken möchte. Die Ausbreitungsbedingungen für Funksignale in Gebäuden sind komplex und können sich darüberhinaus mit der Zeit verändern. Hier bieten selbstorganisierende Mesh-Netzwerke Vorteile: Einzelne Knoten nehmen dabei selbstständig Kontakt miteinander auf und können ihr Funksignal über Nachbarknoten weiterleiten lassen, falls keine direkte Verbindung zur zentralen Steuereinheit möglich ist. Bei Veränderungen der Funkbedingungen rekonfiguriert sich das Netz selbstständig. Das Übertragungsprotokoll des IEEE-Standards 802.15.4 ist speziell für solche Netzwerke ausgelegt. Die Datenrate beträgt 250kbit/s, also gut 100-mal geringer als bei W-LAN. Dies hängt damit zusammen, dass die Übertragung redundant erfolgt: Selbst wenn einzelne Bits verloren gehen, kommt das Funksignal immer noch zuverlässig an. IEEE802.15.4 definiert nur die physikalische Übertragung und die zu verwendende Hardware. Höhere Protokollfunktionen wie z.B. Verschlüsselung und die Kommunikation mit Bussystemen und Automationsanwendungen sind Gegenstand weiterer Standards. Für die Gebäudeautomation sind hier vor allem ZigBee und 6loWPAN zu nennen, die per Software auf IEEE802.15.4-Hardware implementiert werden können. IEEE802.15.4 ist ein etablierter Standard, der auch für industrielle Automation verwendet wird. Das bedeutet zum einen, dass auch zukünftig diese Hardware unterstützt werden wird, zum anderen sinken durch höhere Stückzahlen die Hardware-Kosten. Allerdings gilt es, die feinen Unterschiede dieser Standards auf den höheren Protokollebenen genau zu beachten: Erfolgt die Kommunikation zeitsynchronisiert, können auch batteriebetriebene Knoten Signale anderer Knoten weiterleiten. Ohne Zeitsynchronisation müsste jeder Knoten permanent auf Empfang sein, was mit Batteriebetrieb nicht möglich ist. Das Protokoll sollte ausserdem ‚channel hopping‘ unterstützen, d.h. jedes Datenpaket wird in einem anderen Funkkanal übertragen. Dadurch bekommt man zusätzliche Übertragungsstabilität.
