www.react-ite.eu REACT-PP01 Fachhochschule Burgenland GmbH Steinamangerstraße 21 A-7423 Pinkafeld Documentation of measurement data Dokumentation gemessener Daten WP3 Zero/plus energy buildings new Stand: 10.11.2014
Seite 2 von 20
Seite 3 von 20 ABSTRACT For a successful planning and erection of zero-energy buildings, user-specific (energy) demands need to be monitored and understood beforehand as they play a crucial role in achieving a zero-energy balance. The basic parameters for a monitoring of a building include those describing the indoor climate and the electricity consumption. The indoor climate can be described by parameters such as temperature, relative humidity, concentration of carbon dioxide and noise level. Regarding the electricity consumption not only the total consumption of the building over time should be monitored, but also the consumption pattern for single (energy consuming) devices or at least small groups thereof. Here the devices for monitoring the parameters described above in single-family homes are presented. In addition, it is shown how the devices can be interconnected to create a monitoring network that supplies its data on-line onto a cloud drive. This in turn can be accessed to download and later-on interpret the data once converted into a graphical, easily understandable format.
Seite 4 von 20
Seite 2 von 20 INHALTSVERZEICHNIS Seite 1 EINLEITUNG 4 1.1 Hintergrund 4 1.2 Zielsetzung 4 1.3 Bezug zu anderen Arbeitspaketen 4 2 VERWENDETE GERÄTE FÜR MESSUNGEN UND DATENÜBERTRAGUNG 6 2.1 Messung des Raumklimas 6 2.2 Messung des Stromverbrauchs 7 2.2.1 2.2.2 2.2.3 Zentraleinheit 8 Strommesszange 8 Zwischenstecker 9 3 MESSGRÖSSEN UND MESSINTERVALL 10 3.1 Raumklimadaten 10 3.2 Stromverbrauchsdaten und Kennwerte 12 4 ANORDNUNG DER MESSGERÄTE 14 5 ZUSAMMENFASSUNG & SCHLUSSFOLGERUNGEN 16
Seite 3 von 20
Seite 4 von 20 1 EINLEITUNG 1.1 Hintergrund Um Nullenergiegebäude erfolgreich zu planen und umzusetzen, müssen nutzerspezifische Verbräuche möglichst genau erfasst werden, da diese in der Bilanz eine wichtige Rolle spielen. 1.2 Zielsetzung Im Rahmen dieses Berichtes sollen die Grundlagen für ein Monitoring von Raumklima und Stromverbrauch in Einfamilienhäusern gelegt werden. Es werden die erhobenen Parameter und die verwendeten Apparaturen sowie deren prinzipielle Verschaltung vorgestellt. 1.3 Bezug zu anderen Arbeitspaketen In diesem Bericht wird auf die einzelnen Messsysteme und gemessenen Zustandsgrößen näher erläutert. Die Auswertung der Messdaten (Bericht 7-1 & 7-2) sowie die Beschreibung zum Auslesen der Monitoringdaten (Bericht 7-3) sind in getrennten Berichten zu finden.
Seite 5 von 20
Seite 6 von 20 2 VERWENDETE GERÄTE FÜR MESSUNGEN UND DATENÜBERTRAGUNG Zur Messung des Raumklimas und Stromverbrauchswerten werden zwei unterschiedliche Messsysteme verwendet, welche an dieser Stelle näher beschrieben werden. 2.1 Messung des Raumklimas Für das Raumklima wird in diesem Monitoring-Setup ein Kombination aus Außen- und Innensensoren verwendet, wobei ein Innen- und ein Außengerät gemeinsam eine Station bilden, welche noch mit Zusatzmodulen erweitert werden kann. Die Außensensoren senden ihre Daten in regelmäßigen Intervallen an die Innenstationen. Diese sammelt Messdaten des Außengerätes, der Zusatzstationen und die eigenen Messdaten und ist per WLAN mit dem Internet verbunden. Die gesammelten Messdaten werden letztendlich auf einem Cloud-Laufwerk des Herstellers gespeichert und sind dort über eine kennwortgeschützte Internetseite abrufbar (siehe Abbildung 1). Abbildung 1: Fernzugriff über das Internet über Computer, Tablets oder Smartphones Die Messstationen bestehen je aus einem Paar: einer Innen- und einer Außenstation und gegebenen Falls noch über eine Zusatzmodul. Der Innenklima-Sensor wird über
Seite 7 von 20 ein Stromnetz (230V) mit Energie versorgt und misst die vier Parameter Temperatur, relative Feuchte, CO 2, und Lautstärke. Das Außenmodul ist batteriebetrieben und kann nur die zwei Parameter Temperatur und relative Feuchte erfassen. Das, ebenfalls batteriebetrieben, kann neben den Parametern des Außengerätes noch den CO 2 Gehalt in der Luft erfassen. Die Erfassung der Messwerte erfolgt in einem Zeitintervall von 5 Minuten. Diese Daten können online eingesehen oder auch auf einen PC abgespeichert werden. 2.2 Messung des Stromverbrauchs Zur Erfassung von Verbrauchsdaten in einem bestehenden Gebäude müssen entweder Anpassungen der vorhandenen Struktur durchgeführt oder geeignete Messgeräte verwendet werden. Nach umfangreichen Recherchen und Tests wurde ein drahtloses Monitoringsystem zur Erfassung von Stromverbrauchsdaten ausgewählt, da hier keine zusätzlichen Umbaumaßnahmen erforderlich sind. Der Aufbau dieses Systems ist in Abbildung 2 ersichtlich. Hierzu werden spezielle Sensoren zur Erfassung der Verbrauchsdaten in Form von Steckdosen- Zwischenstecker und Stromklemmen eingesetzt, welche die gemessenen Daten anschließend an eine Zentraleinheit übermitteln. Diese verarbeitet die gesammelten Daten weiter. Die Zentraleinheit ist mit dem Internet verbunden und lädt diese in eine Cloud, von wo aus die Daten jederzeit abgerufen werden können. Die einzelnen Sensoren bilden dabei ein sogenanntes meshed-network. Jeder Netzwerkknoten (Sensor) ist mit einem oder mehreren anderen Sensoren verbunden und bei Bedarf Informationen weiter leiten. Informationen werden solange von Knoten zu Knoten weitergereicht, bis sie das Ziel erreichen. Abbildung 2: Aufbau eines meshed-networks (nach Z-Wave Sigma Designs, Inc., 2014)
Seite 8 von 20 Zur Messung des Stromverbrauches werden unterschiedliche Komponenten benötigt. Diese können in die Zentraleinheit, Zwischenstecker und Stromzangen unterteilt werden, welche an dieser Stelle näher erläutert werden. 2.2.1 Zentraleinheit Die Messwerte der einzelnen Sensoren werden per Funk an eine Zentraleinheit übertragen (siehe Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Dabei können bis zu 255 Sensoren und Geräte mit der Zentraleinheit verbunden werden. Die Zentraleinheit überträgt die Daten per LAN (Anschluss an Modem) ins Internet auf ein Cloud-Laufwerk. Sie erlaubt nicht nur ein Monitoring der angemeldeten Messgeräte, sondern auch deren Steuerung (z.b. Ein- und Ausschalten). Aufgrund des standardisierten Funkprotokolls (Z-Wave) existierten auf dem Markt eine Vielzahl von Aktoren, Sensoren und Komponenten verschiedener Hersteller. 2.2.2 Strommesszange Stromklemmen können an beliebigen Stellen Kabel umgreifen und den an dieser Stelle durchfließenden Strom messen und den Verbrauch an die Zentraleinheit weitermelden. Stromklemmen werden dort verwendet, wo ein Zugriff auf Endverbraucher per einfacher installierbarer Zwischenstecker nicht möglich ist: Lampen bzw. Lampengruppen, die nicht über eine Steckdose mit Strom versorgt werden, oder Geräte, die an einen 380V-Anschluss gekoppelt sind oder mehr als 2,5 kw Leistung ziehen, wie z.b. Herde, Heizungsanlagen usw.. Ebenso können Stromklemmen im Zählerkasten montiert werden und den Gesamtstromverbrauch pro Gebäude, pro Stockwerk oder Stromkreis erfassen. Die Energieversorgung der Stromklemmen erfolgt entweder über eine Steckdose oder direkt im Zählerkasten über die dortigen Anschlüsse mit Strom versorgt. Die Klemmen umfassen die Kabel, deren Stromdurchfluss gemessen werden soll. Gleichstrom kann dabei nicht erfasst werden. Pro zu messendem Kabel wird eine Klemme gesetzt. Es gibt Stromklemmensysteme mit 2 Klemmen (siehe Abbildung 3) bzw. auch drei Klemmen. Abbildung 3: Stromklemmensystem mit 2 Klemmen
Seite 9 von 20 2.2.3 Zwischenstecker Der Zwischenstecker wird direkt zwischen Steckdose und Endverbraucher bzw. in eine Verteilerleiste mit mehreren Endverbrauchern eingebaut. So können detailgenau die Verbräuche dieser Geräte registriert und die Daten per Funk an die Zentraleinheit weitergeleitet werden. Die Zwischenstecker können für 220V-Anschlüsse eine Leistung bis 2,5 kw messen. Als Zwischenstecker konzipiert sind sie einfach zu installieren (siehe Abbildung 4). Nach einer Anmeldung im Netzwerk melden sie den gemessenen Verbrauch weiter und können auch vom User aus der Ferne ein- und ausgeschaltet werden. Das Messintervall kann zwischen 1 Sekunde und rund 4 Minuten im Fall von regelmäßigen Messungen variiert werden. Abbildung 4: Zwischenstecker zur Stromverbrauchsmessung
Seite 10 von 20 3 MESSGRÖSSEN UND MESSINTERVALL 3.1 Raumklimadaten Bei der Erfassung von Raumklimazuständen wurde ein Messintervall im Minutenbereich festgelegt, da Veränderungen in der Regel nicht sprunghaft oder sehr kurzfristig stattfinden. Betritt jemand einen ungelüfteten Raum, so wird die CO 2 Konzentration nicht sprunghaft aber langfristig ansteigen. Diese Veränderung nimmt je nach Situation einigen Minuten oder länger in Anspruch, weshalb ein 5 Minuten Messintervall völlig ausreicht ist, um Raumklimabedingungen zu erfassen und zu bewerten. Je nach Modulart können bis zu 4 Messgrößen erfasst werden, welche sich wie folgt unterteilen: Temperatur [ C] Relative Luftfeuchte [% r.f.] CO 2 -Konzentration [ppm] Lautstärke [db] Diese 4 Größen werden verwendet um Rückschlüsse auf die Behaglichkeit im Raum abzuleiten. Genauere Informationen zum Auswerteverfahren kann dem Bericht 7.1 und 7.2 entnommen werden. Die Darstellung erfolgt entweder als Tabellenwert oder in einem Liniendiagramm, welches in Abbildung 5 zu sehen ist.
Abbildung 5: Darstellung der Messwerte von Raumklimazuständen Seite 11 von 20
Seite 12 von 20 3.2 Stromverbrauchsdaten und Kennwerte Die Erfassung der Stromverbrauchsdaten von Geräten und Räumen erfolgt über Zwischenstecker und Strommesszangen. Der Strombedarf eines Gerätes kann sich in der Regel sprunghaft verändern (z.b. Einschalten eines Gerätes), weshalb der Energieverbrauch in möglichst kurzen Abständen erfasst werden sollte. Sinnvoll ist ein Zeitintervall im Sekundenbereich um Lastspitzen und kurzfristige Laständerungen mit ausreichender Genauigkeit zu erfassen. Aus diesem Grund und um die Anzahl der Messdaten möglichst gering zu halten, wurde ein 10 Sekunden Zeitintervall für die Strommessgeräte festgelegt. Die Strommesszangen und Zwischenstecker erfassen die aktuelle Leistung und geben die Zentraleinheit gibt diese in Form von Kennwerten (kwh/h, kwh/d, kwh/w, kwh/m) und Lastganglinien [W] (siehe Abbildung 6 und Abbildung 7) aus. Abbildung 6: Darstellung der gemessenen Größen Um Wechselwirkungen zwischen der Energiebereitstellung vor Ort und dem Energieverbrauch zu bestimmen sind die Verbrauchskurven von Bedeutung. Die
Seite 13 von 20 momentane Leistung wird im 10 Sekunden Intervall erfasst und in ein Liniendiagramm (siehe Abbildung 7) überführt. Aus diesen Diagrammen können maximale und minimale Leistungen von Geräten und Räumen bestimmt werden. Ebenso lassen sich Betriebszeiten und die Betriebsdauer daraus ableiten. Diese Informationen sind unumgänglich wenn man die Energiebereitstellung und den Energieverbrauch gegenüberstellen möchte um den Eigenverbrauchsanteil der vor Ort erzeugten Energien zu bestimmen. Abbildung 7: Stromverbrauch unterschiedlicher Räume bei monatlicher Betrachtungsweise
Seite 14 von 20 4 ANORDNUNG DER MESSGERÄTE Anhand eines schematischen Grundrisses soll der Aufbau der Sensoren im Gebäude verdeutlicht werden. In Abbildung 8 ist der Grundriss eines der gemonitorten Gebäude zu sehen. In jedem Raum ist mindestens 1 Messgerät installiert obwohl sich, abhängig von den Gegebenheiten, auch mehrere Sensoren in einem Raum befinden können. Die Zwischenstecker werden mit den Buchstaben WP, Sensoren zur Erfassung des Raumklimas mit den Buchstaben ng, nk und nz abgekürzt. Die Basisstationen (ng) befinden sich dabei immer in unmittelbarer Nähe zu den Zusatzmodulen (nk und nz). Die Strommesszangen werden direkt im Verteilerschrank des Gebäudes situiert. Abbildung 8: Anordnung der Messgeräte im Gebäude
Seite 15 von 20
Seite 16 von 20 5 ZUSAMMENFASSUNG & SCHLUSSFOLGERUNGEN Die verwendeten Messsysteme eignen sich besonders um ein Montoringsystem bei einem bestehenden Gebäude nachzurüsten. Aufgrund der Datenübermittlung der Module über verschiedenste Funkarten wird nur ein Internetanschluss benötigt um die gesammelten Messdaten des Gebäudes jederzeit abrufen zu können. Obwohl beide Systeme ohne in die bestehende Struktur des Gebäudes eingreifen zu müssen nachgerüstet werden können, unterscheiden sich die Systeme hinsichtlich der Funktionsweise. Das System zur Erfassung des Raum- sowie Außenklimas besteht aus mehreren Stationen und somit Zentraleinheiten. Einer Station können nur eine begrenzte Anzahl an Modulen zugeordnet werden, wobei die Hauptstation selbst auch Messpunkte aufnimmt. Zusätzliche Module können der Station zugeordnet werden und senden diese an die Hauptstation, welche die Daten per WLAN in eine online Cloud des Herstellers schickt. Von dort aus können die Daten grafisch ausgewertet oder zur weiteren Verarbeitung herunter geladen werden. Das Monitoringsystem zur Erfassung des Stromverbrauchs hingegen benötigt nur eine Zentraleinheit, welche per LAN mit einem Internet-Modem verbunden wird. Die Sensoren, welche der Zentraleinheit zugeordnet sind senden ihre Messdaten per Funk (Z-Wave) an die Zentraleinheit. Z-Wave ist inzwischen ein weit verbreiteter Funkstandard der von unterschiedlichen Herstellern unterstützt wird. Die Auswertung der Messdaten erfolgt online, wobei Kennwerte berechnet und Lastganglinien von Modulen und Räumen dargestellt werden.
Seite 17 von 20