Raumautomation und innovative Gebäudetechnik

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1 HOCHSCHULE BIBERACH BIBERACH UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik 6. Biberacher Forum Gebäudetechnik, 02./03. März 2005, Raumautomation und innovative Gebäudetechnik Prof. Dr.-Ing. Martin Becker Fachbereich Architektur&Gebäudeklimatik Studiengang Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik Aufgaben der Raumautomation Erweiterung der Raumautomation um Fassadenautomation Funktionen der Raumautomation und deren Beschreibung Aktuelle und zukünftige technische Entwicklungen Fazit Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 1

2 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: Biberacher Forum 2005, Seite 2

3 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: Biberacher Forum 2005, Seite 3

4 So Planer, Architekten und Ingenieure, ergreift die Initiative. Geht ans Werk, und vor allen Dingen, arbeitet zusammen und haltet nicht voreinander hinterm Berge.. bucky Richard Buckminster Fuller ( ), Dymaxion Auto Dymaxion Haus Klimahülle Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 4

5 Beispiel für Fassadenautomation Projekt Integral Fassade: Initiatoren: Architekten Gattermann+Schossig WITAG Wissenschaftszentrum Tageslichttechnik Köster+Köster, Tages- und Kunstlichtplanung Umsetzung mit 12 Industriepartnern Quelle: Gattermann+Schossig Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 5

6 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: Biberacher Forum 2005, Seite 6

7 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: Biberacher Forum 2005, Seite 7

8 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: Biberacher Forum 2005, Seite 8

9 Beispiel: Grundriss Bürogebäude Systematische Systemabgrenzungen als Basis für funktionale Beschreibung der Raumautomation: (Raster)-Segment Raum Bereich aus: VDI 6009 Facility Management, Mustergebäude Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 9

10 Systemabgrenzung Raum 1 Raum 2 Raum 3 Raum 4 R 5 Bereich B3 Bereich B1 Raum 6 Raum 7 Raum 8 Bereich B2 Raum 9 R 10 Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 10

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

12 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: Biberacher Forum 2005, Seite 12

13 Systembetrachtung nach dem Schalenmodell Das Schalenmodell ( Zwiebelmodell ) verdeutlicht das Ineinandergreifen und die Systemabgrenzung zwischen verschiedenen Teilssysteme Immobilienportfolio Liegenschaft Gebäude Bereich Raum estanbd Segment Prof. Dr. Martin Becker Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 13

14 Schalenmodell für Systembetrachtung Immobilienportfolio Liegenschaft System-Ebene Gebäude Bereich Raum Segment estanbd Attributs-Ebene: Belegungsart Nutzungsart Prof. Dr. Martin Becker Funktionsgruppen-Ebene: Anwendungsfunktionen Anzeige-/Bedienfunktionen Service-/Diagnosefunktionen Managementfunktionen Kommunikationsfunktionen Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 14

15 Raum-Funktionsgruppen Service-/Diagnosefunktionen Anwendungsfunktionen Kommunikationsfunktionen Managementfunktionen Anzeige-/Bedienfunktionen Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 15

16 VDI-Richtlinien-Entwurf 3813 Raumautomation - Raumfunktionen 1. Sitzung: Januar 2003, 14. Sitzung: 24. Februar 2004 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: Biberacher Forum 2005, Seite 16

17 VDI-Richtlinien-Entwurf 3813 Raumautomation - Raumfunktionen Wichtige Begriffe und Definitionen: Raum-Funktionsgruppen Nutzungsart Belegungsart Raumtypen Raumfunktionsprofil System, Systemabgrenzung Beschreibung der Anwendungsfunktionen.. Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 17

18 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: Biberacher Forum 2005, Seite 18

19 Aktuelle Entwicklungen in der Automatisierung Trennung von Entwurf und Implementierung Trennung von Hardware und Software Trennung von Automationsfunktionen und Kommunikation Immer stärkerer Einfluss der IuK-Technologien Vernetzte, intelligente Sensoren und Aktuatoren Verteilte, dezentrale Automatisierungsstrukturen Prof. Dr. Martin Becker, Feb-05, Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 19

20 Beispiel: Steckerfertige RLT-Anlage inkl. Automatisierung Offene Kommunikation:z.B. LON, Modbus, BACnet Lokale Bedien- und Wartungsstation Automations- Station (AS) Geräteschaltschrank Frequenzumrichter Hydraulische Regelgruppen Quelle: robatherm, Burgau Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 20

21 Trennung von Automation und Kommunikation Beispiel: Kompakte Automationsstation mit flexiblen Kommunikationsmodulen Profibus-DP Modbus Ethernet TCP/IP CANopen LONWORKS Quelle: Fa. Wago Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 21

22 Standardisierte Programmierung nach IEC Funktionsbausteinsprache (FBS) Strukturierter Text (ST) Quelle:, Labor für Gebäudeautomation Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 22

23 Formale Beschreibungsmittel für Systementwurf Wichtig! Neben verbaler Funktionsbeschreibung Formale Beschreibungsmittel erforderlich wie z.b. Zustandsautomat, Zustandsgraph, Ablaufdiagramm, aus: Projektarbeit, Sedlmayer/Härle,, 2005 Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 23

24 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: Biberacher Forum 2005, Seite 24

25 Beispiel: Ausstattung Testraum für Raumautomation im Seminarraum G0.03 der Quelle:, Labor für Gebäudeautomation Vortrag: Biberacher Forum 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 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: Biberacher Forum 2005, Seite 26

27 Beispiel: Raumautomation an der Testräume Variante 1: Dezentrale Automation mit LON, EIB, Variante 2: Automationsstation pro Raum eventl. Sub-Netz für I/O Jalousie Konvektor Konvektor Fensterkontakt Ethernet t r.h. CO 2 Lux Ethernet Netzkoppler Präsenzmelder mit Lichtsensor IR kwh AS BK Sub-Netz für I/O lokale I/O Eventl. Sub-Netz für I/O! Wichtig: Steuern /Regeln dezentral/verteilt AS: Automationsstation BK: Busankoppler! Wichtig: Steuern /Regeln kompakt auf AS Ergänzt um Sub-Netz für I/O -> Hybride Struktur Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 27

28 Wissenschaftliche Entwicklungsumgebung, Technikum G Wissenschaftliche Entwicklungsumgebung VEC Energiemanagement SQL Datenbank z.b. Archivierung WizCon GLT z.b. Visualisierung TRNSYS z.b. Gebäudemodell Modelica z.b. Modell Lüftung Matlab Simulink z.b. für Reglerentwurf Ethernet - TCP/IP WAGO Ethernet Controller WAGO Ethernet Controller WAGO Ethernet Controller WAGO Ethernet Controller Hörsaal Sensorik/ Aktorik RLT Sensorik/ Aktorik Hydraulik Sensorik/ Aktorik WP / KM Sensorik/ Aktorik Quelle:, Labor für Gebäudeautomation Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 28

29 Emulation als Werkzeug für zeitgemäße Gebäudeautomation Rechnergestützter Entwurf und Inbetriebnahme von Steuerungs- und Regelungsstrategien online/offline Beispiel: Raumautomation Beispiel: Jalousiesteuerung aus: Diplomarbeit, P. Knoll, Dez aus: Projektarbeit, Sedlmayer/Härle, Febr Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 29

30 Automationsstruktur Technikum G Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 30 Führung durch Labor für Gebäudeautomation an beiden Tagen während Mittagspause möglich Treffpunkt: 13:15 Eingang Gebäude G

31 Vom Ebenenmodell der Gebäudeautomation. Informationsflüsse Unternehmensleitebene Facility Management, Controlling, Personal- und Materialplanung, FIBU Managementebene Automationsebene Feldebene Energiemanagement, Alarmmeldungen Zentrale Visualisierung und Archivierung Überwachen, Melden, Optimieren, Regelung bereichsübergreifend Messen, Stellen, Schalten, einfache Regelungen und Steuerungen raumbezogen, anlagenbezogen Gebäude inkl. Anlagentechnik Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 31

32 zum Funktionsmodell der Raum- und Gebäudeautomation auf Basis eines Building Communication Networks (BCN) Geschäfts -Ebene Gesamtsystem -Ebene Nutzungsprofile Personalmanag. Controlling Qualitätsmanagmanag. Kosten- Kommunikationsnetz auf Basis Ethernet, WLAN Kommunikationsnetz auf Basis Ethernet, WLAN Wärmemanag. Klimamanag. Diagnosemanag. Servicemanag. Lastmanag. Wassermanag. Sicherheitsmanag. Einzelsystem -Ebene (Raum-/Anlagen management) Lüften Heizen Kühlen Beleuchten Zutritt Kommunikationsnetze auf Basis wie EIB, LON, Ethernet (Prozessmanagement) (Gebäudemanagement) Kältemanag. Energiemanag. Tageslichtnutzung Geräte-/ Komponenten -Ebene (Sensor-/Aktuator management) Zählen Schützen Überwachen Steuern /Regeln Erfassen Kommunikationsnetze auf Basis wie EIB, LON, DALI, SMI, Messen ϑ Melden Schalten Stellen M Prof. Dr. Martin Becker Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 32

33 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: Biberacher Forum 2005, Seite 33

34 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: Biberacher Forum 2005, Seite 34

35 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, aktuators 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: Biberacher Forum 2005, Seite 35

36 Mobile Funk-Installationen Quelle: Fa. EnOcean Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 36

37 Mikro-Technologien Transpondertechnik Induktive Näherungsschalter Bio-Prints Embedded web-controller Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 37

38 RFID-Technologie Quelle: Spiegel Das Internet der Dinge Nr. 46/2004, Quelle: vdi-nachrichten, Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 38

39 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: Biberacher Forum 2005, Seite 39

40 M2M machine to machine, mobile to machine M2M: Größere Auswirkungen als das Internet? Die unbestrittene Wachstumsperle im revolutionären M2M-Sektor Diebstahl durch neuen Sensorchip verhindern Verfolgung gestohlener Gegenstände Der meiste Datenfluss wird nicht zwischen den Menschen stattfinden, sondern vielmehr zwischen Silikonkakerlaken (Bob Metcalfe, Netwerkpionier (u.a. Erfinder der Ethernetkarte) und Gründer von 3COM) Quelle: Werbeprospekt für Investoren Gesetz von Metcalfe: Mit jedem zusätzlichen Gerät, das an das Netzwerk angeschlossen wird, steigt der gesamte Wert des Netzwerkes und in Folge dessen auch der Wert der einzelnen Geräte Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 40

41 Funksensor-Netzwerke Quelle: vdinachrichten, Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 41

42 Biosensorik Quelle: vdinachrichten, Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 42

43 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: Biberacher Forum 2005, Seite 43

44 Smart Areas (SmA) by Ambient Intelligence (AmI) Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 44

45 Fazit Raum- und Fassadenautomation als neue, herausfordernde Facetten der Gebäudeautomation IT-Technik, wireless -Technik und Mikro-Techniken entscheidende Triebfeder für neue Entwicklungen Vernetze, mobile 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: Biberacher Forum 2005, Seite 45

46 Raumautomation und innovative Gebäudetechnik Die Zukunft hat viele Namen: Für die Schwachen ist sie das Unerreichbare, für die Furchtsamen ist sie das Unbekannte, für die Tapferen ist sie die Chance. (Victor Marie Hugo) Quelle: Nathalie Becker Vortrag: Biberacher Forum 2005, Seite 46