Technische Gebäudeautomation (TGA)

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1 Technische Gebäudeautomation (TGA) TGA: Gesamtheit von Überwachungs-, Steuer- und Regelungseinrichtungen in Gebäuden, die das Ziel haben, Funktionsabläufe aufgrund der vom Betreiber vorgegebenen Einstellwerte selbstständig durchzuführen. Raumlufttechnik Heizungstechnik Wasseraufbereitung Abwassertechnik Beleuchtungstechnik Aufzugs- und Förderanlagen Melde- und Sicherheitstechnik Schwimmbadtechnik Umweltschutz... TGA-System Leitzentrale Unterstationen Automatisierungsgeräte Schnittstellen Feldgeräte Temperatur, Feuchte Helligkeit, Druck, Differenzdruck... Sensorik 1.1 Sensorik in der TGA 1

2 Bedeutung der Temperatur- und Feuchtesensoren Sensorart Bedeutungsgrad Temperatursensor T / C,K absolut wichtig zur Energieeinsparung zum Wohlfühl-Management Feuchtesensor rf,t d / F abs %, C, g/m 3 wichtig im Feuchtraum u. Hygienemanagement bedingt erforderlich zur Komfort-Klimatisierung sehr wichtig Schimmelpilz-Prävention 1.2. Bedeutung der Messgrössen Temperatur und Feuchte 2

3 Temperaturbereiche und Temperatursensoren in der TGA Standardmessbereich der TGA: - 30 C C mögliche Erweiterungen (kleine Stückzahlen): min: z.b. Kryogenik Applikationen C max: z.b. Abgasmanagement C Berührende TGA-Temperatursensoren Bimetall-Thermometer Gasdruck- Federthermometer Temperaturmesswiderstände (MW) Sensor-IC s Mechanische Thermometer Pt-MW Ni-MW MW mit NTC (NTC) Si-Halbleiter-MW Si-Sensorschaltkreise Temperaturabhängige Stromquellen 2.1. Messprinzipien und Temperatursensoren Allgemeine Übersicht 3

4 Temperatur-Widerstandssensoren...Kennlinien-Übersicht... Metall-Messwiderstände Platin-Sensoren Nickel-Sensoren Halbleiter-Messwiderstände NTC (Heissleiter) Silizium-Sensoren 2.1. Messprinzipien und Temperatursensoren Temperaturmesswiderstände 4

5 Temperaturmesswiderstände - Platinmesswiderstände nde - Temperaturabhängigkeit der Pt-Widerstände R(T)= R 0 (1+AT + BT²+C (T-100 C)T³) A,B,C... Fittingkonstanten nach EN R 0 = Nennwiderstand bei 0 C A = C -1 B = C -2 C = C -11 C=0 für T 0 Verschiedene Bauformen Kennlinie eines Pt-100 Messwiderstandes Platindünnschichtsensor in SMD- Bauform Bedrahteter Temperatursensor in Platin Dünnschichttechnik Quelle: Fa. Heraeus 2.1. Messprinzipien und Temperatursensoren Temperaturmesswiderstände 5

6 Temperatursensor IC`s Ausführung Messbereiche Messgenauigkeit Standard Kalibrier-IC PTAT - Strom - Sensor C C C ±0,5... 3K ±0,2... 1,0K ±0,5... 5,0K 2.1. Messprinzipien und Temperatursensoren Sensor- IC s 6

7 Prinzipaufbau des TS-IC Die Verknüpfung eines PTAT-Moduls mit einem Controller und einem Speicherchip inclusive Kalibriertechnologie führt zum kalibrierbaren Temperatursensor-IC (TSIC): Kalibrierung PTAT- Modul Controller Speicher Signal- Conditionierung 7

8 PTAT-Schaltkreis U T = T k lnτ q I T = T k qr lnτ Anmerkung: T1 T4 = Transistoren q, k = Konstanten T = (abs.) Temperatur τ = Verhältnis der Emitterströme P Proportional T To A Absolute T Temperature 8

9 Übersicht zu TGA-Temperaturf Temperaturfühlervarianten 2.2 Thermometerbauformen und Applikationen TGA-Grundtypen 9

10 Temperaturfühler für f r Heizkostenzähler 2.2 Thermometerbauformen und Applikationen Rohrleitungsfühler (Einbau-Temperaturfühler) 10

11 Aussentemperaturfühler 2.2 Thermometerbauformen und Applikationen Raum- und Aussentemperaturfühler 11

12 Darstellung thermaler Einflüsse an Raum- bzw. Aussenfühlern Darstellung der thermalen Problema tik Z 3 Z 5 Umgebung Ra um Sensor Sond e T(t) Z 4 Z 2 Z 1 Wa nd Z 1 - Störung / Fehler durch Wärmeleitung Z 2 - Störung / Fehler durch Wandströmung Z 3 - Störung / Fehler durch Strahlung Z 4 - Störung / Fehler durch Eigenerwärmung Z 5 - Störung / Fehler durch Windbefall 2.2 Thermometerbauformen und Applikationen Raum- und Aussentemperaturfühler 12

13 Fehlereinflüsse FAKTOREN MIT FEHLEREINFLUSS MESSUNSICHERHEIT... PROZESSUNSICHERHEIT 2.3 Faktoren mit Messfehlereinfluss Messfehlerkette 13

14 Fehlerbeispiele in der Gebäudemesstechnik Fehler von Anlegetemperaturfühlern bei T=90 C 1.Sonder: 2. Normal: 3. Tkn: K K K Eigenerwärmungseinfluss bei Raumfühlermodulen ohne erzwungene Belüftung Messfehler bei Querverspannung von Mittelwertfühlern im Luftkanal Ni-1000-Einschraubfühler bei T=150 C (nur Sensortoleranz) K K 1,5 K 2.3 Faktoren mit Messfehlereinfluss Einzelfehler und Beispiele 14

15 VDI/VDE Richtlinie 3512, Blatt 1...4, Stand 2/2006 VDI/VDE Richtlinie 3512 Arbeitstitel Temperaturmessung für die Gebäudeautomation Blatt 1: Grundlagen Blatt 2: Sensoren (auch Güteklassen) Blatt 3: Fühlerausführungen und Einbauhinweise Blatt 4: Prüfung von Fühlern Ziel: Energieeinsparung durch verbesserte Temperaturmessung Wie? Definition von allg. Güteklassen für Temperaturfühler Erarbeitung von Prüfvorschriften, die auch die Einbauprobleme erfassen (Kopplungsfaktor B) Einarbeitung der Behaglichkeit bzw. Behaglichkeitstemperatur bisher VDI/VDE 3511, Blatt

16 Definition des Kopplungsfehlers B = T T ist Soll T T Soll Stör ( = Fehler Ursache (z. B. bei Rohranlegefühler):!) T = T M T T M U Rechenbeispiel: Medientemperatur Umgebungstemperatur gemessene Temperatur T T M U = 80 C = 30 C T = 73 C B = = 0,14 16

17 Klima-Michel 17

18 Behaglichkeit Entsprechend der DIN EN ISO 7730 Ermittlung des PMV und des PPD und Beschreibung der Bedingungen für thermische Behaglichkeit definiert man einen Behaglichkeitsbereich der operativen Temperatur wie folgt: t 0 = 0,5 t t t 0 a st ( t + t ) a = operativetemperatur = örtlichelufttemperatur = örtlichestrahlungstemperatur bei v 0,2m / s und ( t T st = Turbulenzgrad a t st ) 4K Der große Einfluß der Luftströmung wird durch folgenden Term widergegeben: 0,62 DR = (34 t ) ( v 0,05) (0,37 v T + 3,14) U a v = Strömungsgeschwindigkeit der Luft DR = Beeinträchtigungsgrad durch Luftströmung (-Draft Risk-) U 18

19 Abhängigkeit der Behaglichkeitstemperatur von der Strömung Behaglichkeitstemp. T BH ( C) % Turbulenz 0% T Raum = const. 0 0,25 0,5 v (m/s) 19

20 Neuheiten bei TGA-Temperaturf Temperaturfühlern energieautarke wireless Fühler (für Raumfühler) Einbaufühler mit flexiblem Schutzrohr (Teleskopstab / herausziehbares Kabel) Steckeranschluß (Einsparung von Montagezeit) Einbau digitaler TSIC Kombifühler (Bewegungsfühler, Temperaturfühler u.a.) Behaglichkeitsfühler (Komfortklasse) Unwetterfühler (Wind, Regen)... (Fensterschließung)... 20