Die EnEV 2014 (Energieeinsparverordnung) stellt Anforderungen an den Automationsgrad eines Gebäudes. Unter anderem auf dieser Grundlage berechnen sich der Jahres-Primärenergiebedarf sowie der Energieausweis einer Immobilie. Der Energieausweis beeinflusst den Wert, den eine Immobilie für mögliche Käufer oder Mieter hat. Seit dem 1. Januar 2016 schreibt die zweite Stufe der EnEV für Neubauten zudem eine Reduzierung des Primärenergiebedarfs um weitere 25 % vor. Für Bestandsgebäude ist der verpflichtende Energieausweis vor allem beim Verkauf relevant.

Entscheidungskriterien für das passende Gebäudeautomationssystem finden sich in der EnEV allerdings nicht. Hier gibt der Gesetzgeber keine Empfehlungen, so dass sich Gebäude-Eigner selbst mit den verschiedenen ­ Varianten auseinandersetzen müssen: Nach dem klassischen Stand der Technik stehen entweder eine verdrahtete oder eine ­batteriebetriebene Funklösung zur Auswahl.

Draht versus Funk

Die verdrahtete Vernetzung gilt als besonders zuverlässig und wartungsarm. Aber: Automationssysteme sind umfangreich zu verkabeln, jeder Schalter und jeder Sensor ist über ein Kabel mit einer zentralen Steuerung verbunden. Neben einer aufwendigen Planung, einer starren Systemstruktur und Kilometern von Kabeln entsteht eine hohe Brandlast.

Als flexible Alternative haben sich in den vergangenen Jahren vermehrt Funktechnologien durchgesetzt. Hier lassen sich die Sensoren, die die nötigen Daten liefern und Steuerungsbefehle ausführen, ohne Verkabelung an den passenden Messstellen platzieren. Die frei platzierbaren Komponenten kommen außerdem flexiblen Bürokonzepten entgegen. Bei einem Wechsel der Bürostruktur ziehen die Schalter und Sensoren einfach mit um.

Ein großer Nachteil dieser Technologie ist die Stromversorgung der Komponenten über Batterien: Diese müssen regelmäßig gewechselt werden und können Ausfälle verursachen.

Funk ohne Batterien

Moderne Systeme arbeiten mit batterielosen Funkkomponenten, die die Energie nutzen, die ihnen die unmittelbare Umgebung zur Verfügung stellt. In der Gebäudeautomation haben sich vor allem drei Quellen durchgesetzt: ­kinetische, solarbasierte und thermische Energie.

Kinetische Energie

Bewegung ist eine zuverlässige Energiequelle für verschiedene Schalter. Im Inneren des Schaltergehäuses setzt ein elektromechanischer Energiewandler (Eco 200) den Tastendruck in elektrische Energie um und stellt sie unmittelbar nach der Betätigung zur Verfügung. Ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo treibt ein kleiner, leistungsstarker Magnet einen magnetischen Fluss, der sich in einem U-förmigen Kern durch zwei magnetisch leitende Ankerbleche schließt. Um diesen Kern ist eine Induktionsspule gewickelt. Der Kern selbst ist beweglich und kann zwei Positionen einnehmen, in denen er die jeweils gegenüberliegenden Ankerbleche berührt. Dies führt zu einem schlagartigen Wechsel des Magnetfelds und damit zu einem Spannungspuls in der Induktionsspule.

Mit einer Energiemenge von 120 µWs reicht jede Betätigung für drei Funk­telegramme. Bei Raumtemperatur ermöglicht der Wandler mehr als 1.000.000 Schaltzyklen. Dieses Prinzip der kinetischen Energie-Ernte lässt sich für Licht- oder Jalousieschalter nutzen. Zudem gibt es batterielose Sensoren, die vor Wasserschäden warnen. Quellscheiben am Boden des Sensors dehnen sich aus, sobald sie mit einer Flüssigkeit in Berührung kommen. Diese Bewegung löst den elektromechanischen Wandler und damit ein Funksignal aus. Aufgrund dieser Meldung schließt sich das Ventil der Leitung und der Hausbesitzer erhält eine entsprechende Nachricht auf sein Smartphone.

Solarbasierte Energie

Bei batterielosen Schaltern und Sensoren erzeugen kleine Energiewandler die Energie für die Funkkommunikation. Ein elektromechanischer Wandler etwa nutzt die Bewegung eines Tastendrucks, andere Quellen sind Licht und Temperatur-Unterschiede.

© EnOcean

Miniaturisierte Solarmodule können die geringe Lichtstärke von Innenlicht nutzen, um Funkmodule mit Strom zu versorgen. Solarbetriebene Sensormodule wie beispielsweise das 'STM 330' arbeiten sehr energieeffizient: Soll ein Temperaturmesswert beispielsweise alle 15 Minuten übertragen werden, reichen bei 200 Lux bereits 3,6 Stunden Ladezeit am Tag für einen unterbrechungsfreien Betrieb. Die Solarzelle erzeugt dabei bei 200 Lux eine Spannung von 3 V. Ein zusätzlicher PAS-Ladekondensator (Poly Acenic Semiconductor) sorgt für einen Energievorrat, der Perioden mit fehlender Umgebungsenergie überbrückt. Bei einem komplett aufgeladenen Energiespeicher ist das Modul in absoluter Dunkelheit etwa eine Woche voll funktionsfähig.

Lichtenergie ermöglicht eine Vielzahl energieautarker Sensoren, wie Fensterkontakte, Temperatur-, Gas- und Luftfeuchtigkeitssensoren oder auch Lichtsensoren und Präsenzmelder.
 

Thermische Energie

Die Kombination aus einem Thermowandler und einem Spannungsverstärker kann bereits Temperaturunterschiede von 2 °C in nutzbaren Strom umsetzen.

© EnOcean

Temperatur-Unterschiede, beispielsweise zwischen einem Heizkörper und der Umgebung, liefern viel Energie. Diese reicht nicht nur für Sensoren, sondern auch für Aktoren. Die 'Ernte' erfolgt über ein Peltier-Element zusammen mit einem DC/DC-Wandler (ECT 310). In dieser Kombination lässt sich bereits eine Eingangsspannung ab 20 mV – was einem Temperatur-Unterschied von etwa 2 °C entspricht – in eine nutzbare Ausgangsspannung größer als 3 V umsetzen. Je ­größer der Temperatur-Unterschied, desto mehr Energie liefert der DC/DC-Wandler.

Dieses Prinzip kommt derzeit vor allem in Heizkörper-Stellantrieben zum Einsatz. Hier reicht die geerntete Energie sowohl für die Funkkommunikation als auch die Stellhub-Veränderungen des Ventils. Zusammen mit einem solarbetriebenen Raumsensor lässt sich damit bereits eine vollkommen energieautarke Funkeinzelraumregelung umsetzen.

Energiesparender Funk

In der Gebäudeautomation nutzen die batterielosen Funkkomponenten den internationalen Standard ISO/IEC 14543-3-1X (868 MHz). Er ist für die Übertragung von Daten mit möglichst geringem Energie-Aufwand optimiert. Die Telegramme sind nur 1 ms lang. Um Sendefehler und Kollisionen auszuschließen, wird das kurze Telegramm zufallsgesteuert noch zweimal wiederholt. So lassen sich zahlreiche Funkschalter und -sensoren auf engstem Raum installieren und parallel betreiben. Jedes Modul verfügt über eine einmalige 32-bit-Identifikationsnummer, die Überschneidungen mit anderen Funksensoren ausschließt. Im Gebäude-Inneren liegt die Reichweite der Funksensoren typischerweise bei maximal 30 m.

Eine Gebäudeautomation mit funkbasierten Komponenten lässt sich je nach Bedarf mit verschiedenen Systemarchitekturen umsetzen. Als Basis kann eine dezentrale Automation dienen, bei der die batterielosen Funksensoren direkt auf die entsprechenden Empfänger (Aktoren) eingelernt werden.

Mit dem Einsatz von Sensoren, die verschiedene Parameter erfassen – zum Beispiel Lichtintensität, Temperatur, Anwesenheit – lassen sich mit einem Gerät verschiedene Funktionen abbilden. Über die Anbindung der funkbasierten Komponenten an einen zentralen Webserver können Gebäudebetreiber die Automation an einer zentralen Stelle zusammenführen, visualisieren und steuern. Gateways können zudem die Funkkomponenten in andere Systeme wie beispielsweise BACnet oder KNX einbinden.

Flexible Steuerung für eine flexible Arbeitswelt

Ein Gebäude, das die Vorteile batterieloser Funklösungen für die Automation verschiedener Gewerke nutzt, ist 'The Squaire' am Frankfurter Flughafen. Unter dem Namen 'New Work City' bietet das Gebäude auf 140.000 m² eine Arbeitswelt, die konzentriertes Arbeiten, Meetings und Ruhezonen sowie Restaurants, Dienstleistungen oder Einkaufsmöglichkeiten unter einem Dach vereint. Dabei sollen sich die Räume an individuelle Anforderungen und Arbeitsab­läufe anpassen. Büroflächen müssen sich flexibel umgestalten lassen, ohne dass Arbeiten an der Elektroinstallation oder eine erneute Programmierung innerhalb der Automatisierungslösung notwendig sind.

Das liegende Hochhaus 'The Squaire' – eines der spektaku­lärsten Gebäude in Europa mit flexibler Büro- und Raum­gestaltung.

© Roland Horn

'The Squaire' ist in sechs Abschnitte entlang der Hauptachse aufgeteilt, für die jeweils ein eigener Bauteil-Server zuständig ist. So ist es möglich, komplette Gebäudeteile Mieter-spezifisch und kommunikationstechnisch vonei­nander zu trennen, ohne dass die Gesamtbedienung und -überwachung seitens des Betreibers verloren geht.

An jeden der sechs Bauteil-Server sind jeweils über einen LWL-Ring die Switches in den verschiedenen Etagen angebunden, pro Etage und Bauteil sind jeweils zwei Switches vorhanden. Die ringförmige Architektur sorgt für hohe Sicherheit: Falls einmal eine Verbindung unterbrochen sein sollte, ist durch den zweiten Weg innerhalb des Rings immer noch gewährleistet, dass die Daten an ihrem Bestimmungsort ankommen.

An die Switches sind mehrere Systemverteiler angeschlossen, in denen jeweils ein Controller vom Typ '750-841' von Wago installiert ist, der die Ansteuerung der einzelnen Komponenten übernimmt. In den Systemverteilern befinden sich neben dem Controller noch die verschiedenen Klemmen, über die der Controller die einzelnen Komponenten wie Leuchten und Jalousien ansteuert. In jedem Systemverteiler mit einem Controller befindet sich außerdem eine Erweiterungsklemme, die den internen Klemmenbus räumlich ­erweitert.

Im Abstand von jeweils 15 m sind so bis zu sieben weitere Systemverteiler als Slaves angeschlossen. Mit einem einzelnen Controller lässt sich dadurch ein Gebäude-Abschnitt mit einer Länge von über 100 m automatisieren.

Über die Klemmen in den Systemverteilern steuert der Controller jeweils die Heizung und Kühlung, die Beleuchtung, die Fenster und die Jalousien. Bei den zentralen Hauptanlagen des Gebäudes müssen unter anderem Pumpen, Ventile, Frequenzumrichter für die Lüfter, Außenbeleuchtung sowie Heizungs- und Kälteverteiler angesteuert werden. Dabei kommen Sub-Bussysteme wie Modbus-RTU, DALI, MP-Bus und KNX zum Einsatz.

Licht, Heizung und Beschattung der Räume werden mit batterielosen Schaltern und den Temperatursensoren 'SR04' von Thermokon bedient. Ändert sich die Bürostruktur, lassen sich die EnOcean-basierten Geräte jederzeit versetzen. Anschließend können diese sowie die Aufteilung der Räume mit wenigen Mausklicks neu zugeordnet werden. Gleichzeitig entfällt der Batteriewechsel bei den Geräten, der bei insgesamt 18.000 Stück sehr aufwendig wäre.

Die Kommunikation zwischen den Controllern der Raumautomation und der Gebäudeleittechnik erfolgt über die Etagen-Switche. Die Slaveboxen empfangen die EnOcean-Telegramme der Funksensoren und steuern die ­Komponenten der Raumautomation wie Beleuchtung, Fenster, Jalousien und Ventile an.

Autor:
Frank Schmidt ist Chief Technology Officer von EnOcean in Oberhaching.