Energiemanagement durch Gebäudeautomation

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Dieses Buch entstand nach den abgeschlossenen Messeauftritten Elektrotechnik 2009, Baumesse NRW 2010 und Light&Building 2010 mit einem hochschuleigenen Messestand, über den die Kommunikation zu Produzenten, Großhändlern, Elektroinstallateuren, Architekten, Planern und Bauherren gesucht wurde, um herauszufinden, wie aktuell die Lage am Markt der Gebäudesystemtechnik und -automation einzuschätzen ist und welche Auswirkungen Smart Metering hierauf hat. Die dem Herausgeber ohnehin bekannte Quintessenz, die aber noch durch die Ergebnisse der Messen klar bestätigt wurde, ist, dass es ein sehr großes Missverhältnis von Angebot und Nachfrage gibt. Während die Hersteller immer mehr, immer „bessere“ und kompliziertere und insbesondere teurere Produkte und Systeme auf den Markt bringen, findet der Kunde, dies ist der Bauherr und nicht etwa der Elektroinstallateur, nicht den Draht zu demjenigen, der ihm die vielgepriesene „intelligente“, „smarte“ Gebäudeautomation in sein Haus einbaut.

Bernd Aschendorf

2. Vergleich mit dem Kfz

Zusammenfassung

Niemand anders als die Kfz-Industrie, wenn überhaupt noch vergleichbar die Sanitärbranche in Ansätzen, hat es geschafft technisch Komfort-, Sicherheits-, Energiesparfunktionen und Luxus standardmäßig in dem Verkaufsprodukt umzusetzen. Schaut man sich den Kfz-Markt noch vor 15 Jahren an, verfügten die Kfz allenfalls über elektrische Fensterheber, aber keine Informations- und Navigationssysteme und integrierte Audiosysteme. Heute verfügen Autos nahezu als vollständiger Standard über zentrale Schließeinrichtungen per Funk, elektrische Fensterheber, Schiebedächer oder Cabrios elektrische Dächer, das Autoradio ist gegen ein multifunktionales Multimediasystem mit DOLBY-surround-Einbindung und Steuerung über das Lenkrad oder Fernbedienung mit Handyankopplung gewichen, Musik-Dateien werden über USB-Sticks, Daten-Chips oder Bluetooth, wie auch das Handy in das System integriert.

Bernd Aschendorf

3. Funktionen der Gebäudeautomation

Zusammenfassung

In den zurückliegenden Jahren galten die Argumente Komfort, Sicherheit und zu geringen Teilen auch Energiemanagement zu den Marketingargumenten in der Gebäudeautomation. Komfortfunktionen wurden mit Behaglichkeit, Lichtsteuerung und Lichtszenen in Verbindung gebracht, während Sicherheitsfunktionen mit Hausüberwachung, Anwesenheitssimulation und Einbruchsmeldung gleichgesetzt wurden. Das Feld des Energiemanagements wurde gleichgesetzt mit automatischer Licht- und Verbraucherabschaltung beim Verlassen des Hauses und Einzelraumtemperaturregelung mit Fensterkontakt- und Anwesenheitseinbindung. Als Ergänzung wurden Multimediaeinbindungen wie Multiroomanlagen und Multimediaadaptionen (z. B. Bang&Olufsen, Loewe Opta bei Busch-Jaeger) angeboten sowie Haushaltgerätesteuerung und -monitoring (z. B. Miele, Siemens). Damit trafen die Produkt- und Systemportfolios auf das Villengeschäft in der Preisklasse ab 500.000 Euro, nicht aber den Heimautomationsbereich des normalen Häuslebauers mit 150.000 bis 200.000 Euro an Baukosten zu, der seinen Kreditrahmen klar abstecken muss.

Bernd Aschendorf

4. Systemvergleich der Gebäudeautomationssysteme

Zusammenfassung

Bevor eine Entscheidung für ein Gebäudeautomationssystem getroffen wird, ist zunächst anhand der Grundlagen zu entscheiden, welches System sich als geeignet erweist. Gebäudeautomationssysteme unterscheiden sich hinsichtlich der Medien, der Verknüpfung zwischen verschiedenen Medien über Gateways, der Programmierbarkeit in allen Ebenen der Automatisierungspyramide, der Standardisierung bzw. Anwendung von Standards, und schlichtweg der Kosten.

Bernd Aschendorf

5. Automatisierungspyramide der Gebäudeautomation

Zusammenfassung

Standardisiert werden die verschiedenen Aufgaben der Gebäudeautomation in übereinander liegende Schichten angeordnet. Im Vergleich zur Industrieautomation, die die Aufgaben einer Maschinensteuerung in drei oder mehr Schichten anordnet, sind es in der Gebäudeautomation klassisch drei Schichten, die mit Feldbus-, Automations- und Leitebene bezeichnet werden. Zwischen und zu den einzelnen Schichten sind Schnittstellen angeordnet, die den Daten- und Funktionaltransport organisiert über einzelne Datenpunkte organisieren. Die Schnittstellendefinition ist von großer Bedeutung, da kaum ein Gebäudeautomationssystem alle Schichten der Automatisierungspyramide allein abdecken kann und insbesondere die Integration von Subbussystemen nicht komplett von einem übergeordneten System beschrieben wird (vgl. Abb. 5.1). Hier ist zwingend noch erheblicher Nachholbedarf vorhanden.

Bernd Aschendorf

6. Gateways und Systemschnittstellen

Zusammenfassung

Grundsätzlich wird im Zusammenhang mit Gebäudeautomation von Gateways gesprochen, wenn Gebäudeautomationssysteme mit zuweilen unterschiedlichen Medien und Protokollen verbunden werden sollen. Die Notwendigkeit von Gateways zeigt bereits auf, was bei Betrachtung der verschiedenen Gebäudeautomationssysteme intensiv beleuchtet werden wird und bei einer Systementscheidung betrachtet werden sollte. Es gibt leider nicht den einen Standard der Gebäudeautomation, dies ist zum einen auf die lange zurückliegende Einführung von Gebäudeautomation und die sich ständig ändernden technischen Grundlagen, aber auch die nicht konsequent verfolgte Methodik des Benchmarkings und des Verschließens gegenüber Entwicklungen anderer Hersteller zurückzuführen. Viele Hersteller gehen grundsätzlich davon aus, dass sie das beste System entwickeln oder einem Quasi-Standard folgen. Folge davon ist eine konsequente Abschottung der einzelnen Gebäudeautomationssysteme bzw.

Bernd Aschendorf

7. Gateways auf der Basis von Multifunktionssystemen

Zusammenfassung

In Kapitel 6 wurde dargestellt, dass es zwar eine große Anzahl von Gateways zwischen einzelnen Gebäudeautomationssystemen gibt, es angesichts von mehr als 80 Gebäudeautomationssystemen jedoch wenig sinnvoll erscheint jegliche Verbindung zwischen den Systemen herzustellen. Aus diesem Grunde wird klar, dass sich viele Hersteller auf einige wenige anbindbare Systeme als Zubringer- oder Ergänzungssysteme konzentrieren und zudem über spezialisierte Unternehmen, wie z. B. Weinzierl, Gateways entwickeln lassen. Damit sind nur wenige Lösungen in der Feldbusebene vorhanden.

Bernd Aschendorf

8. Übersicht über Gebäudeautomationssysteme

Zusammenfassung

Der Markt der Gebäudeautomationssyssteme ist in den letzten zehn Jahren für Bauherren und auch Experten unüberschaubar geworden. Waren vor 15 Jahren nur einige wenige Bussysteme im Rahmen der Gebäudeautomation am Markt vertreten, so ist heute eine Anzahl von mehr als 80 Bussystemen am Markt vertreten. Dies verwirrt Elektroinstallateure, die gegenüber dem Bauherrn als Experten empfunden werden, extrem, da ein Elektroinstallationsbetrieb als Familienbetrieb kaum mehr als drei verschiedene Bussysteme vertreiben und verarbeiten kann. Gegenüber dem Kunden sind weit mehr als 100 Bussysteme präsent, da die Anbieter deren Bussysteme zudem unter verschiedensten Namen anbieten, ohne auf die direkte Kompatibilität hinzuweisen. Dieser verwirrende Markt ist dem Bauherrn unerschließbar, da zudem völlig unklar ist, welche Funktionalitäten mit den Systemen abgedeckt werden und in welchem Baustadium (Neubau, Sanierung, Erweiterung, Nachrüstung) das System verwendet werden kann.

Bernd Aschendorf

9. Systemvergleich

Zusammenfassung

Im vorliegenden Kapitel konnte bei einer Diskussion von insgesamt 42 Gebäudeautomationssystemen, zu denen auch die konventionelle Elektroinstallation zählt, aufgezeigt werden, dass die Systemauswahl für die Gebäudeautomation unüberschaubar für den Bauherrn, aber auch für den Elektroinstallateur als Berater und Dienstleister des Bauherrn ist. Hierbei ist zu beachten, dass bei weitem nicht alle Gebäudeautomationssysteme vorgestellt wurden, da eine Beschränkung auf diejenigen Systeme vorgenommen wurde, mit denen im Detail Erfahrungen im Rahmen von studentischen Arbeiten, externen und internen Projektarbeiten und Forschungsarbeit gesammelt wurden. Viele der Systeme sind täglich im Labor im Einsatz, einige werden darüber hinaus ständig im Praktikum eingesetzt.

Bernd Aschendorf

10. Grundlagen zur elektromechanischen Messung

Zusammenfassung

Im Rahmen der Diskussion und Anwendung von Smart Metering werden häufig die Begriffe Leistung, Verbrauch und Energie falsch angewendet oder in einen falschen Zusammenhang gebracht. Daher werden im Folgenden ausgehend von den mechanischen Größen Leistung, Energie und damit auch der Verbrauch abgeleitet.

Bernd Aschendorf

11. Gesetzliche Grundlagen für Smart Metering

Zusammenfassung

Die Einführung von Smart Metering bietet ideale Voraussetzungen, um den Markt der Gebäudeautomation im Neubau-, aber auch insbesondere im Nachrüstbereich zu beleben. Durch Smart Metering werden die Entscheidungen für die Einführung von Gebäudeautomation durch die Darstellung von Energiesparpotenzialen erleichtert. Wie bei vielen Neueinführungen von Technologie wird davon ausgegangen, dass insbesondere der Gesetzgeber durch gesetzliche Grundlagen die Einführung der Technologie des Smart Meterings unterstützt und damit zur Einführung von Gebäudeautomation im Neubau- und Nachrüstbereich anregt. Im Folgenden werden die Endenergieeffizienzrichtlinie der EU, das Energiewirtschaftsgesetzt, die Energieeinsparverordnung, das Energie-Wärme-Gesetz und die Messzählerverordnung auf Anreize zur Einführung von Smart Metering und Gebäudeautomation untersucht und kommentiert.

Bernd Aschendorf

12. Funktionalität des Smart Meterings

Zusammenfassung

Die Einführung des Smart Meterings ist durch den Gesetzgeber klar geregelt, wird jedoch aufgrund der massiven Anforderungen und Problemkreise ständig verschoben. Zuständig hierfür ist der Energieversorger, der wiederum Dritte beauftragen kann, um den Messstellenbetrieb durchzuführen. Auf der Basis der bevorstehenden Einführung von Smart Metern hat die Industrie erhebliche Maßnahmen ergriffen, um Geräte am Markt verfügbar zu machen. Auf der Basis der Erfahrungen und der Verfügbarkeit von elektronischen Zählern und des Know-hows in der Zählerfernauslesung wurden erste Smart Meter entwickelt und vertrieben, bei denen direkt im Gerät Schnittstellen zu Kommunikationsnetzwerken und andere Schnittstellen zur Gebäudeautomation verfügbar waren. Damit war die von Gesetzgeberseite geforderte Zählerfernauslesung realisiert (vgl. Abb. 12.1).

Bernd Aschendorf

13. Energiemanagement

Zusammenfassung

Energiemanagement spielt in der heutigen Zeit, in der die Energiepreise stetig steigen, eine immer wichtigere Rolle, damit verbunden sind auch Umweltaspekte. Aufgrund der stetigen Erderwärmung sollte jeder überflüssige und vermeidbare CO₂-Ausstoß vermieden werden. Im Zuge der Reduktion fossiler Ressourcen werden zudem die Energiekosten steigen, dies wird zu einer extremen Kostenbelastung jedes einzelnen führen. Diesem zu begegnen sind die obersten Ziele, die in der EU-Richtlinie zur Effizienzsteigerung niedergeschrieben sind.

Bernd Aschendorf

14. Umsetzung von smart-metering-basiertem Energiemanagement mit FS20/Homeputer

Zusammenfassung

FS20 in Verbindung mit HMS und FHT80 und HomeMatic sind zwei Gebäudeautomationssysteme, die über eine große Anzahl von Sensoren, Aktoren und sonstige Komponenten verfügen. Damit wird die Feldbusebene nicht nur für die üblichen Funktionalitäten Licht, Heizung, Jalousie/Rollladen etc., sondern auch für allgemeines Metering und Smart Metering aufbereitet. Auf den Gebäudeautomationssystemen FS 20 und Home- Matic können verschiedenste Softwarepakete mit Automations- und Visualisierungsfunktionalität aufgesetzt werden, um darüber hinaus auch die Automations- und Leitebene kostengünstig abzubilden. Ein Softwarepaket, mit dem Automations- und Leitebene ähnlich einer graphisch programmierten Software-SPS abgebildet werden, ist die Software Homeputer. Homeputer wird von der Firma Contronics über Internet oder Katalog (ELV und Conrad) oder Technikkaufhäuser vertrieben. Das System ist in Verbindung mit der Hardware von ELV/eQ-3 insbesondere für den Hobbyelektroniker geeignet, der funktionale Lösungen selbst mit der Elektroinstallation verbinden kann.

Bernd Aschendorf

15. Umsetzung von smart-metering-basiertem Energiemanagement mit KNX/EIB

Zusammenfassung

Das hier vorgestellte KNX/EIB-Projekt stellt die Realisierung von smart-metering-basiertem Energiemanagement bei Einbindung von Komfort-, Sicherheits-, Energiemanagementfunktionen auf der Basis von KNX/EIB als Feldbus- und KNXnode als Automations- und Visualisierungssystem dar. Implementiert sind im KNX/EIB-Feldbus Geräte von ABB, Walther, Lingg&Janke und ELDAT. Die Energiedatenerfassung erfolgt für die kumulierten elektrischen Basis-Energiedaten über einen elektronischen Haushaltszähler der Firma Lingg&Janke, der die Messdaten über den KNX an einen Server liefert, der wiederum diese Daten per Ethernet verfügbar macht sowie einen ABB-Energiezähler, der für drei Phasen auch die Analyse des Energieverbrauchs hinsichtlich Wirk-, Blind-, Scheinleistung und Leistungsfaktor als dezentrales Smart Metering ermöglicht.

Bernd Aschendorf

16. Umsetzung von smart-metering-basiertem Energiemanagement mit LCN

Zusammenfassung

LCN eignet sich aufgrund der in den Modulen integrierten Automationsmöglichkeit in Verbindung mit der auf einem PC installierten Automatisierungs- und Visualisierungssoftware LCN-GVS gut für den Aufbau einer Gebäudeautomation. Im Rahmen eines studentischen Projekts wurde untersucht, inwieweit LCN mit der Software LCN-GVS für smart-metering-basiertes Energiemanagement zum Einsatz kommen kann. Im Rahmen des Projekts wurde die Realisierung von aktivem und passivem Energiemanagement untersucht, auf psychologisches Energiemanagement wurde verzichtet, da elektronische Haushaltszähler erst zum Stand 10/2012 in LCN integrierbar waren und daher im Projekt nicht berücksichtigt werden konnten. Die Implementierung elektronischer Haushaltszähler kann zudem durch Integration von LCN in IP-Symcon oder die Anzeige der Zählerdaten kann durch Aufruf einer externen Web-Seite erfolgen.

Bernd Aschendorf

17. Umsetzung von smart-metering-basiertem Energiemanagement mit WAGO 750

Zusammenfassung

Das WAGO-Demonstrationsmodell verfügt über eine komplexe Gebäudeautomation mit vollständiger Energiemanagement-Implementation. Auf der Basis von Limitvorgaben werden Sollwerte der Heizungen angepasst und Verbraucher lastgesteuert abgeschaltet. Auf der Basis sämtlicher Ver- und Entsorgungstarife werden die aktuellen und kalkulierten Ver- und Entsorgungsdaten in kWh oder Euro ermittelt und zur Anzeige gebracht. Neben der visuellen Darstellung werden die Daten für das Lastmanagement genutzt. Anhand vorgegebener Limits werden aktuelle Leistungen, Verbräuche und aktuelle Kosten hinsichtlich deren Ausnutzungsgrad ständig als Tankuhr visualisiert.

Bernd Aschendorf

18. Umsetzung von smart-metering-basiertem Energiemanagement mit IP-Symcon

Zusammenfassung

Als weiteres Beispiel zur Realisierung von smart-metering-basiertem Energiemanagement wird eine Referenzinstallation von IP-Symcon vorgestellt, die im Rahmen der Nachrüstung in einem Wohngebäude von 1975 aufgebaut wird.

Bernd Aschendorf

19. Kostenbetrachtung und Systemvergleich

Zusammenfassung

Im Zuge der Präsentation der einzelnen Bussysteme konnte dargestellt werden, dass nur geringe Kompatibilität zwischen den einzelnen Systemen besteht. Die Inkompatibilität ist an Medien, Protokollen, aber auch den Programmiertools und den -methoden festzumachen. Die Verwendbarkeit der Bussysteme ist zum großen Teil auf bestimmte Anwendungszwecke reduziert, so sind drahtbasierte Systeme aufgrund ihrer Sicherheit gut für den Neubaubereich geeignet, während für den Nachrüstbereich Funkbus- oder Powerlinesysteme vorzusehen sind. Sollen vorhandene Bussysteme erweitert werden, so müssen die Daten- und/oder Stromversorgungsleitungen bereits am vorzusehenden Einbauort vorhanden sein, anderenfalls ist auf teilweise kostspielige Gateways zu anderen Bussystemen, wie z. B. Funkbussystemen zurückzugreifen.

Bernd Aschendorf

20. Fazit und Schlussfolgerung

Zusammenfassung

Die Gebäudeautomation hat sich in den letzten 20 Jahren insbesondere im Objektgebäude durchgesetzt. Die Anzahl der verwendeten Gebäudeautomationssysteme ist an einer einzigen Hand aufzählbar. Im Vordergrund stehen die angestrebten Ziele Komfort, Sicherheit und Energieeinsparung. Der Einzug der Gebäudeautomation im Wohngebäudebereich stagniert und ist lediglich im Luxussegment breit vertreten, wo Kosten nahezu keine Rolle spielen.

Bernd Aschendorf

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