Gebäudesystemtechnik und Gebäudeautomation

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1 HOCHSCHULE BIBERACH BIBERACH UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik Fachtagung Gebäudetechnik, Zukunftssichere Elektroinstallation 02. Juni 2005, Gebäudesystemtechnik und Gebäudeautomation Prof. Dr.-Ing. Martin Becker Fachbereich Architektur&Gebäudeklimatik Studiengang Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik Entwicklungsschritte Systemintegration Funktionen der Raumautomation Aktuelle und zukünftige technische Entwicklungen Fazit Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 1

2 Entwicklungsschritte Von der klassischen, fest verdrahteten Elektroinstallation über die Gebäudesystemtechnik zur Raumautomation unter Berücksichtigung von Anlagen- und Fassadenautomation und Einbindung in eine übergeordnete Gebäudeautomation Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 2

3 Wo liegt der Nutzen von Kommunikationssystemen? Ziele durch adäquaten Einsatz von IuK-Technik: Reduzierung der Kosten (Investitionskosten, Betriebskosten) Realisierung neuer Funktionalitäten für die Automation und das Gebäudemanagement Erhöhte Nutzeranforderungen (Behaglichkeit, Sicherheit, ) Optimierungspotenzial im laufenden Betrieb Flexibilität in Nutzung und Umnutzung Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 3

4 Definition: Gebäudesystemtechnik Vernetzung von Systemkomponenten und Teilnehmern über ein Kommunikationssystem zu einem auf die Elektroinstallation abgestimmten System, das Funktionen und Abläufe sowie deren Systemverknüpfung in einem Gebäude sicherstellt. Die Intelligenz ist auf die Systemkomponenten verteilt, der Informationsaustausch erfolgt direkt zwischen den Teilnehmern. Quelle: Handbuch der Gebäudesystemtechnik ZVEH/ZVEI Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 4

5 Herkömmliche Elektroinstallation Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 5

6 Gebäudesystemtechnik Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 6

7 Typische Einsatzbereiche im Wohn- und Zweckbau Beleuchtungssteuerung Jalousiesteuerung Einzelraumregelung Raum-/Haus-Zugangskontrolle Raum- und Anlagenüberwachung Energie- und Lastmanagement Zentrales Anzeigen, Bedienen, Protokollieren Fernservice und Kommunikation mit Fremdsystemen.. Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 7

8 Durch Gebäudeautomation zu integrierende Systeme Lüftung / Klima Wärme MSR/ GA / GLS Kälte Notstrom Aufzug + - Heizung Sanitär GMS Sicherheit/ Zugangskontrolle Brandschutz BMS Kommunikation EDV/TKS Elektro Beleuchtung GST Sonnenschutz Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 8

9 Trend der zunehmenden Systemintegration (Elektro) Trend der zunehmenden Systemintegration (Elektro) 14% % In % der Anzahl Projekte 10% 8% 6% 4% 2% 0% Beleuchtung Einbruch CCTV Zutrittskontrolle Brandalarm Entrauchung Elektro- Energieverteilung Andere Source i&i / Proplan Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 9

10 Heterogene, offene Gebäudeautomatisierungsstruktur IP- Router z.b. Ethernet DDC Router Gateway DB SPS Z.B. HLK-Anlage z.b. LON z.b. EIB System xy Z.B. Lastmanagement Z.B. Fahrstuhlsteuerung Z.B. Licht- und Jalousiensteuerung Einzelraumregelung DDC: Direct Digital Control SPS: Speicherprogr. Steuerung LON: Local Operating Network EIB: Europäischer Installationsbus Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 10

11 Aufgaben der Raumautomation Einhaltung eines behaglichen Klimas (Temperatur, Feuchte, Luftwechsel,...) Überwachung der Luftqualität (belegungs-, nutzungsabhängig) Tageslichtnutzung in Abstimmung mit künstlicher Beleuchtung Strahlungsabhängiger Sonnenschutz (Blendung, Erwärmung) Zusammenspiel von Raumhülle (Fassade) und Raumnutzung Erfüllung von Sicherheitsbedürfnissen (Zutritt, Gefahren) Belegungs- und nutzungsabhängige Optimierungspotenziale nutzen Einfaches und transparentes Bedien- und Visualisierungskonzept im Raum Bereitstellung von Informationen für Energie- und Gebäudemanagement Bereitstellung von Informationen für (Fern-)Wartung und (Fern-)Service -> Raumautomation als Basis für funktionserfüllende Raumklimatik -> Raumautomation als Basis für effizientes Energie- und Gebäudemanagement Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 11

12 Raumautomation und Fassadenautomation Fassade als: Schnittstelle zwischen innen und außen -> Sichtbare Systemgrenze Kompromiß aus Architektur, Funktion, Wirtschaftlichkeit und Ökologie erforderlich Bisherige Funktion: Erscheinungsbild Tragwerkstechnik Wetterschutz Lärmschutz Zunehmend gefordert: Sonnenschutz Blendschutz Tageslichtlenkung Freie Lüftung/Kühlung Dezentrale Lüftungsgeräte Einbindung in Sicherheitskonzept Einbindung in RWA-Konzept Integration von PV-Fassaden -> Passives Bauelement -> Aktive Komponente Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 12

13 Beispiel für Fassadenautomation Projekt TEmotion: Projektinitiator: Hydro Building System GmbH Partner: D+H Mechatronic AG Gebrüder Trox GmbH ROTO FRANK AG Saint-Gobain Glass Solar GmbH WAREMA Renkhoff GmbH Wieland Electric GmbH Exponat auf Bautec 2005 Konzeptstudie Fotos: Hydro Building Systems GmbH Berater:, Fachgebiet Gebäudeautomation Ingenieurbüro Dr. Schwab Schmidt Reuter GbR Universität Dortmund, Lehrstuhl für klimagerechte Architektur Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 13

14 Neue Facetten der Gebäudeautomation (GA) Raum- und Fassadenautomation stellen neue Anwendungsfelder für die Gebäudeautomation dar. GA Raumautomation Anlagenautomation Fassadenautomation aus: VDI , März 2005: Gebäudeautomation (GA): Bezeichnung der Einrichtungen, Software und Dienstleistungen für automatische Steuerung und Regelung, Überwachung und Optimierung sowie für Bedienung und Management zum energieeffizienten, wirtschaftlichen und sicheren Betrieb der Technischen Gebäudeausrüstung. Technische Gebäudeausrüstung (TGA): Im Gebäude installierte und verteilte Infrastruktureinrichtungen z.b. für Elektrizität, Gas, Heizung und Kommunikation. Anmerkung: TGA bezeichnet alle im Bauwerk eingebauten und damit fest verbundenen technischen Einrichtungen und nutzungsspezifische Einrichtungen sowie technische Einrichtungen in Außenanlagen und in Ausstattungen spezifiziert in DIN 276 Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 14

15 Viele Funktionen, die zusammenwirken, aber wie? Luftqualität Komfort/ Behaglichkeit Energieeffizienz Lüften Heizen Kühlen Tageslicht nutzen Beleuchten Sonnen-/ Blendschutz Bedienen/ Beobachten Verbräuche messen Gefahrmeldung Sicherheit Visualisieren Zutritt schützen Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 15

16 VDI-Richtlinien 6015, 03/2003 BUS-Systeme in der Gebäudeinstallation Anwendungsbeispiele Die Richtlinie dient als Planungs- und Argumentationshilfe für Bus- Installationen für Investoren, Planer, Betreiber und Nutzer von Gebäuden im privaten und im öffentlichen Bereich Die Richtlinie zeigt anhand von Beispielen (Hotelzimmer, Multifunktionsraum, Büroraum, Tiefgarage) eine Methode für die Darstellung von funktionalen Abhängigkeiten auf mittels: Objektbeschreibung TGA Installationsplan Funktionsbeschreibung Kommunikationsmatrix Richtlinie dient als Grundlage für neue Richtlinie VDI 3813 Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 16

17 VDI-Richtlinien-Entwurf 3813 Raumautomation - Raumfunktionen 1. Sitzung: Januar 2003, 15. Sitzung: 10. Juni 2005 Obmann: Dipl.-Ing. Achim Heidemann, Radolfzell Stellv. Obmann: Prof. Dr. Martin Becker, Biberach Mitarbeiter: Planer, Hersteller, Hochschule Ziel: Entwicklung von Methoden für die Beschreibung und Dokumentation der gewerkeübergreifenden, integralen Planung Dazu: Funktionen von und in Räumen auf Basis von Nutzungsanforderungen möglichst unabhängig von der technischen Realisierung der Raumautomation - zu definieren, zu beschreiben und darzustellen im Sinne einer Bedarfsplanung nach DIN Hierbei wichtig: Begriffe definieren wie Raumtypen, Nutzungsarten, Belegungsart, Festlegung und Beschreibung von Anwendungsfunktionen im Raum (standardisiert) Blatt 1 in 2005 als Gründdruck geplant, weitere Blätter folgen Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 17

18 VDI-Richtlinien-Entwurf 3813 Raumautomation - Raumfunktionen Wichtige Begriffe und Definitionen: Raum-Funktionsgruppen Nutzungsart Belegungsart Raumtypen Raumfunktionsprofil System, Systemabgrenzung Beschreibung der Anwendungsfunktionen.. Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 18

19 Beispiel: Grundriss Bürogebäude Systematische Systemabgrenzungen als Basis für funktionale Beschreibung der Raumautomation: (Raster)-Segment Raum Bereich aus: VDI 6009 Facility Management, Mustergebäude Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 19

20 Systemabgrenzung Raum 1 Raum 2 Raum 3 Raum 4 R 5 S S S S S S S Bereich B1 R 12 S S S S S R 11 Bereich B3 S S S S S Raum 6 Raum 7 Raum 8 S S S Raum 9 R 10 Bereich B2 Segment S Raum R Bereich B Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 20

21 Systembetrachtung nach dem Schalenmodell Das Schalenmodell ( Zwiebelmodell ) verdeutlicht das Ineinandergreifen und die Systemabgrenzung zwischen verschiedenen Teilssystemen Liegenschaftsportfolio Liegenschaft Gebäude Bereich Raum estanbd Segment Prof. Dr. Martin Becker Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 21

22 Klassifizierung von Funktionsgruppen Raum-Funktionsgruppen Anwendungsfunktionen Funktion (Name, Nr., verbale/formale Beschreibung, Parameter, Zustände, Zustandsübergänge, Schnittstellen) Normalbetrieb Nicht Belegt Belegt mit Nutzungsart Sonderbetrieb Außer Betrieb Anzeige-/Bedienfunktionen Service-/Diagnosefunktionen Managementfunktionen Beispiel: Lichtsteuerung A,. Beispiel: Konferenz, 30 Personen Beispiel: Reinigen, Wartung Beispiel: Festlegung Notbetrieb Beispiel: Anzeige/Bedienung über Display, PC oder PDA Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 22

23 Aktuelle Entwicklungen in der Automatisierungstechnik Trennung von Entwurf und Implementierung Trennung von Hardware und Software Trennung von Automationsfunktionen und Kommunikationsfunktionen Immer stärkerer Einfluss der IuK-Technologien Vernetzte, intelligente Sensoren und Aktuatoren Verteilte, dezentrale Automatisierungsstrukturen Prof. Dr. Martin Becker, Mai-05, Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 23

24 Trennung von Automation und Kommunikation Beispiel: Kompakte Automationsstation mit flexiblen Kommunikationsmodulen Profibus-DP Modbus Ethernet TCP/IP CANopen LONWORKS Quelle: Fa. Wago Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 24

25 Standardisierte Programmierung nach IEC Funktionsbausteinsprache (FBS) Strukturierter Text (ST) Quelle:, Labor für Gebäudeautomation Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 25

26 Art der Automatisierung (in Feld-/Automationsebene) zentral hybrid dezentral z.b. RS 485, LON, Ethernet Automationsstation (Controller) SPS/DDC z.b. RS 485, LON, Ethernet PAC BK p T Sensoren Aktoren -> Steuern /Regeln kompakt auf AS lokale I/O Sub-Netz für I/O z.b. DALI, SMI Sensoren, Aktoren und Controller vernetzt und verteilt im Netzwerk z.b. EIB, LON, Ethernet -> Steuern /Regeln dezentral/verteilt PAC: Programmable Automation Controller AS: Automation Station BK: Busankoppler Quelle: Prof. Dr. Becker, Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 26

27 Testraum, Technikum G, Raum G0.03 Meßgrößen: Temperaturen Feuchte Konvektor Jalousie Konvektor t r.h. CO 2 Lux Fensterkontakt Raumautomation Luftqualität Lichtstärke Energiezähler Fenster-/Türkontakte Anwesenheitsmelder Eingriffsmöglichkeiten: Jalousie Beleuchtung Fensterflügel Heizventil/Zonenventil Präsenzmelder mit Lichtsensor IR kwh Test- und Referenz räume Raumsimulation Kriterien: Flexibilität Kosten Wartungsaufwand Bedienung, Akzeptanz Verkabelungsaufwand Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 27

28 Beispiel: Ausstattung Testraum für Raumautomation im Seminarraum G0.03 der Quelle:, Labor für Gebäudeautomation Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 28

29 Basis für Dezentrale Automation: Busfähige Sensorik, Aktuatorik und Bediengeräte Beispiel: Multisensor für Deckenmontage Erfassung von: Temperatur Bewegung Helligkeit Beispiel: Lüfter mit EC-Motor Ansteuerung von: Freigabe EIN/AUS Drehzahl Sollwerte Rückmeldung von: Istwerten Grenzwerte Zustandsmeldungen Beispiel: Raumbediengerät für Wandmontage Funktionen: Anzeige Raumzustand Bedientaster für Licht. Jalousie,.. Foto: Fa. Thermokon Fotos: ebm Foto: Fa. Siemens Foto: warema Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 29

30 Visualisierung, Bedienung und Service-/Wartungsfunktionen Mensch-System-Interface (MSI) auf Basis mobiler Assistenten Einsatz: Bedienung der Raumfunktionen Visualisierung (Fern-)Diagnostik und wartung für Servicepersonal Archivierung und Protokollierung Zählerauslesung und -übermittlung Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 30

31 Technologietriebfedern für die Raum- und Gebäudeautomation Funkstandards: Enocean-Technologie Bluetooth ZigBee RFID (Embedded) Intranet/Internet-Technologien: Ethernet TCP/IP Embedded web-controller Smart distributed sensors, actuators and agents... DECT 2 WLAN... Mikro-Technologien: Soft Computing: Fuzzy Control Mechatronik Smart Technologien: Neuronale Netze Mikrosystemtechnik Smart Areas Genetische Algorithmen Smart Home Ambient Intelligence... Adaptronik Motes... Organic Computing Software agents... Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 31

32 Mobile Funk-Installationen Quelle: Fa. EnOcean Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 32

33 Mikro-Technologien Transpondertechnik Induktive Näherungsschalter Bio-Prints Embedded web-controller Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 33

34 RFID-Technologie Quelle: Spiegel Das Internet der Dinge Nr. 46/2004, Quelle: vdi-nachrichten, Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 34

35 RFID (radio frequency identification) Einkaufswagen Future Store Logistikkette Lebensmittelkette Quellen: Spiegel Das Internet der Dinge, VDE dialog Funkende Chips, Jan/Febr Ausweise Freizeit: Legoland-Besucher mit RFID-Armband Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 35

36 Funksensor-Netzwerke Quelle: vdinachrichten, Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 36

37 Smart Areas (SmA) by Ambient Intelligence (AmI) Enviromation Persomation Environment Mobility Entertainment Smart Home/Building Community Smart Room Smart Clothes Smart Body horizontale Integration vertikale Integration Prof. Dr. Martin Becker Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 37

38 Smart Areas (SmA) by Ambient Intelligence (AmI) Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 38

39 Fazit Von der Elektroinstallation über die Gebäudesystemtechnik zur Raumautomation Raum- und Fassadenautomation als neue, herausfordernde Facetten der Gebäudeautomation IT-Technik, wireless -Technik und Mikro-Techniken entscheidende Triebfeder für neue Entwicklungen Vernetze, mobile Sensoren und Geräte verändern massiv unseren Alltag (M2M machine to machine, mobile to machine) Trennung von Entwurf und Implementierung immer wichtiger Software und Informationstechnologie wird Grundpfeiler der Automation Zunehmende Funktionstrennung von Automation und Kommunikation Systemisches Denken und Handeln aller Beteiligten als notwendige Schlüsselkompetenz Vortrag: Fachtagung Gebäudetechnik 2005, Seite 39