Skript Gebäudesteuerung

Transkript

1 GtE - Skript TU Berlin, Fachgebiet Gebäudetechnik und Entwerfen Prof. Claus Steffan M4 Technische Grundlagen der Architektur und Gebäudekunde Skript Gebäudesteuerung

2 Impressum Konzeption + Durchführung: Prof. Claus Steffan Bearbeitung: Daniel Korwan, Bennet Marburger, Johanna Moser, Hendrik Schultz TU Berlin / GtE 2008/ bei den Autoren

3 1 Definition Gebäudesteuerung bedeutet die Herbeiführung einer Zustandsänderung an einem Gebäude. Zum Beispiel wird eine geöffnete Tür manuell geschlossen oder ein Vorhang zugezogen. Auch das Entzünden eines offenen Feuers im Raum ist Gebäudesteuerung, da das Feuer entfacht wird um es warm und hell zu haben oder zu kochen. Die Zustandsänderungen wurden in der Vergangenheit manuell oder mit mechanischer Hilfe (Zugbrücke einer Burg) ausgeführt. Seit der Einführung der Elektrizität Ende des 19. Jahrhunderts wird diese zur Herbeiführung von Zustandsänderungen genutzt (Leuchte aus Leuchte an). Seitdem gibt es auch im Privathaushalt immer mehr technische Ausstattungen, die einer Steuerung bedürfen wie Heizung, Warmwassererwärmung, elektrische Haushaltsgeräte, Unterhaltungselektronik. Diese wurden im Allgemeinen über die manuelle Betätigung eines Schalters oder Reglers bedient. Herzog + de Meuron: Olympiastadion Bejing, In vielen Haushalten der westlichen Welt sind inzwischen Universal- Fernbedienungen üblich mit denen drahtlos sowohl Fernsehgerät, Stereoanlage usw. gesteuert werden. Auch das schnurlose Telefonieren hat in wenigern Jahren eine enorme Verbreitung erfahren. 2 Gebäudetypen In großen und öffentlichen Gebäuden wie Flughäfen, Rechenzentren, Krankenhäusern oder hoch ausgestatten Bürogebäuden ist die technische Ausstattung noch wesentlich umfassender. Klimaanlagen, komplexe Kommunikationsanlagen, Sicherheitsanlagen und viele mehr werden ständig betrieben und gesteuert. Diese aufwändige Technik muss überprüft und gewartet werden, um mögliche Ausfälle zu vermeiden oder schnell zu beheben. Dies erfordert hohen personellen Aufwand, wenn diese Systeme unabhängig nebeneinander existieren. Es kann vorkommen, dass in einem Laborgebäude gleichzeitig geheizt und gekühlt wird, wenn kein übergeordnetes Steuerungssystem vorhanden ist. Dies führte und führt auch heute noch zu sehr hohen und unnötigen Energieverbräuchen bzw. zu Verschwendungen. Norman Foster und Partners: Flughafen Bejing, Steuerung der Gebäudetechnik Inzwischen sind viele öffentliche und gewerbliche Gebäude mit Computer Netzwerken ausgestattet, die intern und extern viele Daten erzeugen, austauschen und speichern. Computer Netzwerke arbeiten mit Regelsystemen zum Datenaustausch, die man auch als kybernetische Systeme bezeichnen kann (Kybernetes (gr.) der Steuermann). Computer Netzwerke sind in der Regel sogenannte Bus Systeme. 4 Systeme Statt viele Einzelsysteme unabhängig und parallel zu betreiben, können diese heute durch intelligente Gebäudesystemtechnik verbunden, integriert, gesteuert und kontrolliert werden. 3

4 4.1. KNX/EIB Gebäudesystemtechnik KNX ist der einzige weltweit anerkannte internationale Standard für die Hausund Gebäudesystemtechnik. In den frühen neunziger Jahren entstanden mit Batibus, EIB und EHS die Vorgänger von KNX. Niemand konnte zu dieser Zeit die zukünftige Entwicklung voraussehen. In Europa versuchten diese drei bedeutsamen Lösungen für die Haus- und Gebäudesystemtechnik separat den Markt zu erobern und gleichzeitig Fuß in der europäischen Standardisierung zu fassen. Batibus war dabei besonders in Frankreich, Italien und Spanien erfolgreich, EIB in den deutschsprachigen und nordischen Ländern. Im Jahr 1997 schlossen sich die drei Organisationen zusammen, um gemeinsam den Markt für intelligente Haustechnik zu entwickeln. Ziel war ein neuer emeinsamer Industriestandard und diesen als internationalen Standard anerkennen zu lassen. Im Frühling 2002 wurde die KNX Spezifikation von der neu ins Leben gerufenen KNX Association vorgestellt. Sie basiert auf der EIB-Spezifikation und wurde durch neue Konfigurationsmechanismen und Übertragungsmedien erweitert, die ursprünglich von Batibus und EHS entwickelt wurden. Im Dezember 2003 wurden das KNX-Protokoll wie auch die zwei Übertragungsmedien TP (Twisted Pair) und PL (Powerline) von den nationalen europäischen Kommissionen anerkannt. KNX RF (Radio Frequency) wurde im Mai 2006 anerkannt. Die KNX Spezifikationen werden zunehmend auch im Bereich Heizung, Klima und Lüftung eingesetzt. Ein Gebäudesteuerungs Bussystem wie KNX/EIB besteht im wesentlichen aus zwei Systemkomponenten: den Aktoren und den Sensoren Aktoren sind: Leuchten, Heizungen, Kühlsysteme, Lüftungsanlagen, bewegliche Sonnenschutzsysteme, Lautsprechanlagen, Videoüberwachungssysteme, elektrische Tür- und Fensteröffner usw. Sie wandeln elektrische Signale (Telegramme) in physikalische Abläufe Sensoren sind: Schalter, Manuelle Regler, Helligkeitssensoren, Windsensoren, Regensensoren, Strahlungsmesser, Bewegungsmelder, Einbruchssensoren, Biometrische Sensoren usw.. Sie wandeln physikalische Abläufe in elektrische Signale und diese in Telegramme Bussystem Die Verbindung der Sensoren und Aktoren erfolgt durch 2 Leitungen: Die 230 V/400V Starkstromleitung versorgt die leistungsintensiven Aktoren mit Energie. Die V-Busleitung (i. d. R. 24 V Gleichstrom) ermöglicht die Kommunikation zwischen den Sensoren und Aktoren mittels sogenannten Telegrammen. Weitere Systemkomponenten sind die Unterverteilung, eine Spannungsversorgung mit integrierter Drossel, sowie Schnittstellen wie RS 232, USB sowie IP-Schnittstelle. 4

5 Die Informationen zwischen den einzelnen Busteilnehmern (z.b. Schaltbefehle, Meldungen usw.) werden über Telegramme ausgetauscht. Ein Telegramm besteht aus einer Folge von digitalen Zeichen ( 1 und 0 Signale), die seriell (Bit für Bit) übertragen werden. Zeichen mit zusammengehörigem Informationsgehalt werden zu Feldern zusammengefasst. Das System wird ob als kleine oder größere Anlage nach folgenden Kriterien gegliedert: Funktional nach Gewerken wie Elektro, Heizung, Lüftung usw. Räumlich nach Stockwerk, Raum usw. (Physikalische Adresse). Dabei ergibt sich folgender topologischer Aufbau: Eine Linie wird aus maximal 64 Busgeräten gebildet. Ein Funktionsbereich kann über Linienkoppler mit maximal 15 Buslinien zusammengefasst werden. Maximal 15 Funktionsbereiche können über Bereichskoppler miteinander kommunizieren, dies sind Teilnehmer. Durch den Einbau von Linienvestärkern und den Anschluß von weiteren Teilnehmern in den Hauptlinien kann die Zahl auf erhöht werden. Neben der physikalischen Adresse (mit Nummer als Adressangabe, getrennt durch Punkte, z.b ) muss auch eine sogenannte logische Adresse bzw. Gruppenadresse vergeben werden. Sie legt fest, welche Busgeräte miteinander kommunizieren sollen. Die Gruppenadresse kann aus zwei oder drei Nummern bestehen, die durch einen Schrägstrich voneinander getrennt werden, z.b. 3/100. Für die normgerechte Darstellung der Systemkomponenten, Sensoren und Aktoren gibt es Symbole. Ein EIB/KNX Symbol besteht aus einem Quadrat mit der Kantenlänge a, in das die Einzelsymbole eingetragen werden. Die Übertragungselektronik wird durch ein Rechteck der Abmessungen a x a/4 eingezeichnet, das je nach Funktion des Geräts auf einer oder zwei gegenüberliegenden Seiten angefügt wird. Die Wirkungsrichtung der Übertragungselektronik wird durch den Buspfeil dargestellt. 5 Facility Management Wird auch als FM abgekürzt. Da das bewusste und überwachende Betreiben von Gebäuden und Gebäudekomplexen darüber entscheidet, ob der Unterhalt der Immobilie kostengünstig oder teuer ist, werden immer mehr professionelle Facility Manager eingesetzt. Diese benötigen ein Instrumentarium um stets einen klaren Überblick über alle gebäudebezogenen Funktionen und Betriebszustände zu haben. Stand der Technik sind CAD-basierte FM-Software, die CAD-Daten des Gebäudes mit einer Datenbank kombinieren und im Idealfall mit der Gebäudesteuerung gekoppelt sind. Dann können Störfälle sofort erkannt und behoben werden. Die Betriebskosten werden stetig kontrolliert und der Energie- und Ressourcenverbrauch so verwaltet, dass er gering bleiben kann. 5

6 6 Sicherheit Die Sicherheitsaspekte sind je nach Gebäude sehr unterschiedlich zu handhaben. Es kann sich z. B. um Brandmeldung handeln, die direkt mit der Feuerwehr oder mit einem internen Verantwortlichen verbunden sein kann. Im Brandfall schließen oder öffnen sich bestimmte Lüftungs- oder Entrauchungsklappen. Es gibt im Haus Brandalarm usw.. Wenn vorhanden, wird die Sprinkleranlage nur in den betroffenen Bereichen aktiviert. Bei Störungen wie Netzausfall, bei der Heizung, Kühlräumen usw. wird die verantwortliche Person per drahtlosem Telefon oder SMS sofort benachrichtigt. Ein anderer Aspekt ist die Zutrittskontrolle, die mit Chipkarten oder biometrischen Sensoren gesteuert werden kann. Diese kann durch Videoüberwachung ergänzt werden. In Gebäuden mit sensiblen Daten und wichtigen Wertgegenständen ist der Einbruchschutz ein wichtiges Thema. Sensoren für Einbruchsmeldung an Fenstern und Türen können die unterschiedlichsten Reaktionen auslösen - von der diskreten Benachrichtigung des Wachdienstes bis zur blinkenden Hausbeleuchtung. Bewegungsmelder lassen nachts die Außenbeleuchtung zur Abschreckung erstrahlen. 7 Bedienung und visuelle Darstellung Die Bedienung und visuelle Darstellung der Gebäudesteuerung kann auf die verschiedenste Weisen erfolgen. Der normale Büronutzer betätigt den Lichtschalter, regelt den Heizungsthermostaten, und betätigt den Sonnenschutzregler nach seinen Vorstellungen. Dennoch gibt es zentrale Steuerungs-, Automatisierungs- und Eingriffsmöglichkeiten. Die Beleuchtung kann aber auch über Lichtsensoren und Präsenzmelder gesteuert werden, bei gleichzeitiger individueller Eingriffsmöglichkeit. Ebenso beim Sonnenschutz. Er wird z.b. zunächst nach Sonnenstand und intensität zentral gesteuert. Der einzelne Nutzer im Büro kann aber gegensteuern (oder auch nicht je nach Programmierung). Es ist auch möglich, dass der Mitarbeiter diese Funktionen auch von seinem PC aus über ein graphisches Tableau regelt (Allerdings nur für sein Büro, es sei denn er hat erweiterte Zugriffsrechte als Abteilungsleiter oder Facility Manager). Die Zugriffsrechte und Einflussmöglichkeiten sind in jedem individuellen Gebäude zu diskutieren, festzulegen und im System einzustellen, wie z.b. auch in einem Computer Netzwerk, wo auch nicht jeder Nutzer volle Zugriffsrechte auf alles hat. Die Funktionen können über Schnittstellen auch mobil z.b. am Wochenende von sogenannten Smartphones von der Ferne drahtlos geregelt werden. Für die Nutzung im Privathaus gibt es neben den Tastern und einzelnen Reglern Tableaus als Touchscreens, natürlich kann auch der Heim PC angeschlossen werden. Ein Bussystem muss aber nicht über einen PC laufen, die Programierung erfolgt durch den Installateur mit dessen Notebook Computer und spezieller EIB Software während der Installation. Aber auch die Regelung über das Smartphone oder Mobiltelefon sowohl zuhause als auch von der Ferne. So kann man z.b. während der Heimfahrt vom Skiurlaub bereits die Heizung wieder hochfahren. 6

7 8 Die adaptiven modellbasierten Steuerungssysteme der Watergy-Forschungs-Prototypen 8.1 Ziele Die beiden Watergy-Prototypen in Almeria und Berlin sind geschlossene Gewächshaussysteme zur Produktion von Energie, Wasser und Biomasse. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Gewächshaus, einem nachgeschalteten Feuchtluft Kollektor, einem Wärmetauscher und einem Wärmespeicher. In Almeria wird das Prinzip genutzt um das Gewächshaus tagsüber zu kühlen, in Berlin, um es im Winter mit im Sommer geladener Wärme zu heizen. Schon zu wissenschaftlichen Zwecken wurden die Prototypen mit aufwändiger Messtechnik zur Aufzeichnung von Außenklima, Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftgeschwindigkeit usw. in den verschiedensten Positionen ausgestattet. Andererseits gibt es Aktoren wie Klappen, Sonnenschutz, Pumpen und Ventilatoren, die für den optimalen Betrieb gesteuert und geschaltet werden müssen. Unser wissenschaftlicher Partner, die Greenhouse System Control Group der Universität Wageningen entwickelte speziell hierzu ein anpassungsfähiges, modellbasiertes Steuerungssystem. Das Steuerungssystem hat das Ziel den optimalen Betrieb entsprechend dem sich verändernden Außenklima zu generieren. Watergy PT1, Almeria, 2004 Watergy PT1, Almeria, Funktionen Modellbasiert bedeutet, dass die Steuerungstechnik auf physikalischen und klimatischen Modellen, also Algorithmen aufgebaut ist. Es gibt verschiedene gewünschte Betriebszustände wie wasseroptimierter Betrieb oder pflanzenproduktionsoptimierter Betrieb mit definierter maximaler Innentemperatur. Das Modell muss in der Lage sein, das Innenraumklima für mehrere Tage vorauszuberechnen. Das Modell vergleicht die vorhergesagten mit den tatsächlichen Daten, korrigiert diese und ist somit lernfähig. Es wurden grafische Oberflächen für das Monitoring als auch für die Einzelsteuerung der verschiedenen Funktionen entwickelt. Über diese Oberflächen kann der Gebäudebetrieb auch über das Internet verändert und gesteuert werden. Es gibt Schnittstellen mit den Programmen Matlab und LabVIEW. 8.3 Ergebnisse Watergy PT2, Berlin, 2005 Die Dissertationsschrift des Doktoranden Bas Speetjens hat die Entwicklung des Systems dargestellt. Es stellte sich in langen Messreihen heraus, dass die Speicherkapazität zur Kühlung in Almeria vergrößert werden muss. Beim Berliner Prototypen wird inzwischen daran gearbeitet den Speicher durch Nutzung von Salz als Latentspeicher auf ca. ein Drittel zu verkleinern. 9 Ausblick Die Entwicklung der Mikroelektronik und der Informationstechnologie in den beiden letzten Jahrzehnten wo so rasant, wie man es nicht voraussagen konnte. War in den Achtziger Jahren der private Besitz eines Computers noch die Ausnahme, so ist dies heute der Regelfall. Die elektronische Ausstattung von PKWs hat sich in dieser Periode ebenso stark entwickelt. Heutige Neuwagen haben oft serienmäßig elektronische Wartungssysteme, ABS, 7

8 elektronische Öffnungs- Verschluss- und Sicherheitssysteme, Einparkhilfen, Navigationssystem usw.. Die Ausstattung unserer Wohnungen mit Unterhaltungselektronik, die oft drahtlos verbunden ist und über das Internet mit Inhalten versorgt wird, ist ebenso enorm gewachsen. Im Gebäudebereich ist diese Entwicklung noch nicht so schnell vorangegangen. Der hinkt der allgemeinen technischen Entwicklung traditionell immer hinterher. Dennoch wird auch hier die Entwicklung so rasant von statten gehen, wie wir es uns heute kaum vorstellen können. Gebäude werden komplexe, sensible Wesen, vergleichbar unserem Nervensystem. Wenn dies der Reduktion des Energie-, Ressourcen und CO2 Verbrauchs dient, ist es begrüßenswert. Dennoch ist eine kritische Haltung bezüglich der Vor- und Nachteile von elektronischen Steuerungssystemen angebracht. Für zukünftige Architekten werden sich spannende neue Themen auftun, die auch Relevanz für das zukünftige Entwerfen haben werden. 10 Literatur: Bernstein, H., Gebäudesystemtechnik mit dem Europäischen Installationsbus (EIB/KNX), VDE Verlag, Berlin 2006 Lücke, T., Einführung in die KNX/EIB Gebäudesystemtechnik, Haan-Gruiten 2005 Speetjens, B., Towards Model Based Adaptive Control for the Watergy Greenhouse, Dissertation, Wageningen