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Reduzierte CO2-Emission, Energie- und Kostenersparnis
Integrative Gebäudeautomation

Vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussion über die Kohlendioxyd-Emission müssen Gebäudeautomationssysteme intelligenter geplant und realisiert werden. Neben dem Komfort und der Behaglichkeit sind die unterschiedlichen Gewerke auch unter dem Aspekt des effizienten Energieeinsatzes zu integrieren. Mit der Novelle der Energieeinsparverordnung EnEV 2006 hat der Gesetzgeber hier reagiert.
Die Bewertung von Gebäuden zur Erlangung des geforderten Energiepasses ist in der ‚DIN V18599 – Energetische Bewertung von Gebäuden‘ spezifiziert. Bei steigenden Energiekosten wird die energetische Bewertung künftig auch bei den Betreiberkosten eine wichtige Rolle spielen. Die Rohölpreis-Entwicklung kann als aussagekräftiger Index für die Energiepreis-Entwicklung herangezogen werden. Seit 1995 ist der Preis für ein Barrel (159l) hier inflationsbereinigt um den Faktor 2,5 gestiegen. Dieser Trend gilt auch für andere Primärenergien. So kann davon ausgegangen werden, dass die Energiekosten trotz der derzeit sinkenden Preise auch künftig weiter steigen. Gebäudebetreiber stehen vor der Frage, wie der Energieeinsatz durch ausgeklügelte Regelstrategien sowie durch die integrative Planung und Ausführung der Gebäudeautomation so gering wie möglich gehalten wird. Der energieeffiziente Lösungsansatz berücksichtigt die Interaktion der unterschiedlichen Gewerke, z.B. Lichtsteuerung, Sonnenschutz, Raumklimatisierung und deren Vernetzung zur optimierten Führung der Primäranlagenregelung. Dabei gilt es, alle Anforderungen an die Klimabedingungen in Büroräumen und Industriehallen zu erfüllen.

Integrierte Raumautomation

Durch eine integrierte Planung der Raum- und Zonenregelung kann der Gesamtenergiebedarf eines Gebäudes signifikant gesenkt werden. An die Stelle des klassischen Konzepts der Gebäudeautomation tritt eine netzwerkfähige Lösung, die sämtliche Gewerke eines Raums berücksichtigt und so zu einer integrierten Automationslösung führt. Beim modularen und integrierten Lösungsansatz wird der Raum oder die Zone als kleinste Einheit betrachtet. Bei der Planung werden mindestens drei Betriebsarten für jeden Raum oder jede Zone differenziert: Komfortbetrieb, Bereitschaftsbetrieb und Nachtbetrieb. Die Betriebsarten unterscheiden sich durch die zeitgesteuerte Vorgabe der Sollwerte. Die Sollwerte des Komfortbetriebs gelten während der Regelarbeitszeit, in der verbleibenden Zeit ist der Nachtbetrieb aktiv. Bei erkannter Abwesenheit des Nutzers aktiviert die Funktion ‚Anwesenheitserkennung‘ nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit den Bereitschaftsbetrieb. Die Sollwerte dieser Betriebsart ermöglichen, dass der Komfortbetrieb nach Erkennung der Anwesenheit in kurzer Zeit energieoptimiert wieder erreicht wird. Mit einem Vor-Ort-Bediengerät kann der Nutzer die zeitgesteuert vorgegebenen Sollwerte in definierten Grenzen manuell verschieben. Die Heiz- und Kühlsequenzen werden abhängig von den Sollwerten und den gemessenen Temperaturen aktiviert. Eine gegenseitige Verriegelung verhindert ein gleichzeitiges Heizen und Kühlen. Die Überwachung der Fensterzustände verhindert die Verschwendung von Energie – die Heiz- oder Kühlsequenz wird deaktiviert, sobald die Fenster geöffnet werden. Eine Frostschutzüberwachung schließt ein Absinken der Raum- oder Zonentemperatur unter den vorgegebenen minimalen Temperatursollwert zuverlässig aus. Regelkonzepte, die die Fassadenbeschattung einbeziehen, bewirken weitere signifikante Energieeinsparungen. In Abhängigkeit der Jahreszeit und der Sonneneinstrahlung können die Räume beziehungsweise Zonen beschattet werden, um den Wärmeeintrag durch Sonnenstrahlung zu verringern und so die Kühllasten zu verringern. Im Winter stellt die Beschattung eine zusätzliche Isolierschicht dar, die den Wärmeverlust der Fassade reduziert. Der Energiebedarf zur Raumklimatisierung kann so gesenkt werden.

Beleuchtungsregelung Schalten und Dimmen mit Dali

Wird die Beschattung aktiv in die Beleuchtungsregelung integriert, hat Letztere stets Vorrang vor der energetisch optimierten Fassadensteuerung. Der vorgegebene Sollwert für die Beleuchtungsstärke wird erreicht, indem zunächst die Beschattung blendfrei vermindert wird. Erst bei maximaler Ausnutzung des natürlichen Lichteinfalls wird die Beleuchtung gruppenweise aktiviert oder im Idealfall gedimmt. Eine flexible und kostensparende Lösung bietet die Steuerung der Beleuchtung mit Dali (Digital Addressable Lighting Interface). Neben dem Schalten und Dimmen einzelner Leuchten oder Leuchtengruppen ermöglicht Dali den Aufbau von Konstantlicht-Regelkreisen. Zentrale Statusabfragen sind ebenso möglich:

– Ist das Licht eingeschaltet?
– Wie viel Licht geben die einzelnen
Lampen ab?
– Ist eine Lampe im Raum defekt?

Untersuchungen belegen, dass bei konsequenter Integration aller Gewerke eines Raums oder einer Zone der Energiebedarf um bis zu 50% gesenkt werden kann.

Gebäudeautomation im industriellen Umfeld

Im Produktionsumfeld müssen Fertigungsprozesse optimal unterstützt werden. Die Anforderungen an die Gebäudeautomation in Produktionsstätten leiten sich maßgeblich aus den Klimaanforderungen der industriellen Prozesse ab. Der Planungsansatz in der industriellen Gebäudeautomation berücksichtigt mindestens zwei Betriebsarten: Produktionsbetrieb und Nachtbetrieb. Die zeitgesteuerte Vorgabe der Sollwerte orientiert sich an den notwendigen Klimabedingungen der Produktionsprozesse sowie an den Schicht- oder Werksplänen. Eine Präsenzerkennung ist in den wenigsten Fällen sinnvoll. Wie bei der Raumautomation sind Heiz- und Kühlsequenzen gegeneinander verriegelt. Die Auslegung der Beleuchtungsstärke ist flexibel zu planen, um auch bei Umbau der Produktionsstätten eine ausreichende Beleuchtungsstärke für die Maschinenbedienung zu ermöglichen. Die manuelle Überschreibung der Sollwerte durch die Maschinenbedienung ist eingeschränkt, da eine Individualisierung die Klimabedingungen verschlechtert. Die Folge: Die Ausschussrate steigt und die Produktivität sinkt.

Integration der Primärgewerke mit Ethernet

Dezentrale Gebäudeautomation kann auf den Einsatz leistungsfähiger Steuerungen zur Verarbeitung und Auswertung der zahlreichen Datenpunkte nicht verzichten. Regelungsfunktionen lassen sich in kompakten Automationsstationen als Informationsschwerpunkte zusammenfassen. Kernelement einer integrierten Raumautomation sind die modular aufgebauten Embedded-Steuerungen aus der Familie der Inline Controller (ILC), die als DDC-Steuerung (Direct Digital Control) fungieren. Die Integration in das E/A-System Inline von Phoenix Contact erlaubt den Aufbau eines Reglers mit digitalen und analogen Ein- und Ausgängen in hoher Granularität. Für die Anbindung der Beleuchtungssteuerung mit Dali bietet Phoenix Contact mit dem Dali-Master für das E/A-System Inline eine flexible und kostensparende Lösung. Die Embedded-Steuerungen ILC werden mit der Automatisierungs-Software PC Worx gemäß IEC61131-3 programmiert. Die umfangreiche Funktionsbaustein-Bibliothek ‚Building Automation Control Library‘ (BACL) unterstützt die Programmierung von Funktionen, mit denen Dali eingebunden wird. Programmierung und Konfiguration der Controller erfolgen zentral über das Netzwerk. Zur Inbetriebnahme-Unterstützung werden Diagnose- und Konfigurations-Werkzeuge angeboten, die integraler Bestandteil von PC Worx sind. Die einheitliche Verwendung von Industrial Ethernet schafft ein durchgängiges Kommunikationsnetzwerk. Der transparente Zugriff auf die Datenpunkte ist ohne Einschränkung möglich. Die Vernetzung der Raum- und Zonenregelung über Ethernet ermöglicht eine optimierte Führung der Primäranlagen – z.B. der Heizungs-, Kälte- oder Klimatechnik. Stellen die Raum- oder Zonenregler den Primäranlagen die Energieanforderung zur Verfügung, kann die notwendige Heiz- oder Kühllast errechnet sowie der energetisch optimierte Arbeitspunkt bestimmt werden. Die Sollwerte, z.B. für die Zuluft- oder Vorlauftemperatur, werden gleitend und bedarfsgerecht angepasst. Als Infrastruktur-Komponenten werden industrietaugliche Managed Switches und Unmanaged Switches im Ethernet-Netzwerk verwendet. So ermöglichen beispielsweise Geräte mit einer variablen Port-Anzahl den Aufbau dezentraler modularer Netzwerkstrukturen. Die Kombination aus steuerungsähnlicher Diagnose und einfacher Konfiguration mit Standard-Netzwerkmanagement-Software reduziert die Inbetriebnahmezeit erheblich und vereinfacht zudem die Wartung. Protokoll-Schnittstellen wie SNMP (Simple Network Management Protocol), BootP oder OPC (OLE for Process Control) zur Konfiguration und Diagnose sind in die Switches integriert. Die Ausführung der Ethernet-Installation in rauen Umgebungen erfordert industrielle RJ45-Steckverbinder in den Schutzarten IP20 und IP65 sowie Ethernet-Kabel und konfektionierte Patch-Kabel nach CAT5e und CAT6.

Verbrauchsdaten-Erfassung und Last-Management

Für den energieeffizienten Betrieb von Zweckgebäuden ist ein wirksames Controlling der Energiebezüge notwendig. Nur durch eine dezentrale Energieerfassung mit anschließender Analyse ist eine kontinuierliche Optimierung möglich. Medienzähler für elektrische Arbeit, Wasser oder Gas sind zum großen Teil mit einer S0-Schnittstelle nach DIN43846 ausgestattet. Der Zähler generiert einen Stromimpuls, wobei ein Stromfluss von weniger als 3mA einem Low-Wert entspricht. Ein größerer Stromfluss wird als High-Wert interpretiert. Da kurze High-Impulse registriert werden müssen, empfiehlt sich die Verwendung eines S0-Eingangs als Digitaleingang. Zur Bewertung müssen die kumulierten Impulse im Auswerteprogramm der Steuerung mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert werden, z.B. 10kWh pro Impuls. Dieser Faktor hängt vom installierten Zählertyp ab. Zeitgemäße Medienzähler, die eine komplexere Mess- und Auswertelogik besitzen, werden mit einer Kommunikationsklemme über Modbus/RTU mittels Treiberbausteinen eingebunden. Die Komponenten stellen neben den Verbrauchsdaten auch Information über die Qualität der Medienversorgung zur Verfügung. So bieten Elektrizitätszähler neben der Information über die bezogene Wirk- und Blindleistung auch Daten zu Spannungsschwankungen oder Oberwelligkeit. Voraussetzung für die Analyse ist die Bereitstellung der Daten in einer Datenbank sowie ihre Auswertung. Die Integration von Lastmanagement-Systemen vermeidet kostenintensive Lastspitzen und ermöglicht deutliche Kostensenkungen für Unternehmen.

Fazit

Der energieeffiziente Lösungsansatz berücksichtigt die Interaktion der Gewerke Lichtsteuerung, Sonnenschutz, Raumautomation sowie deren Vernetzung zur optimierten Führung der Primäranlagen-Regelung. Die Planung und Ausführung der energieeffizienten Gebäudeautomation erfordert mehr als die Bereitstellung einer Ethernet-basierten Kommunikations-Infrastruktur. Mit ‚Automationworx for Building Automation‘ bietet Phoenix Contact eine durchgängige Lösung für die Gebäudeautomation an. Das Konzept auf Basis von Industrial Ethernet erfüllt die Anforderungen nach Herstellerunabhängigkeit, integrativer Planung und dezentraler Ausführung.

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