Gebäudeautomatisierung


Gebäudeautomatisierung

Als Gebäudeautomatisierung oder Gebäudeautomation (GA) bezeichnet man die Gesamtheit von Überwachungs-, Steuer-, Regel- und Optimierungseinrichtungen in Gebäuden. Sie ist damit ein wichtiger Bestandteil des technischen Facility Managements. Ziel ist es Funktionsabläufe gewerkeübergreifend selbstständig (automatisch), nach vorgegebenen Einstellwerten (Parametern) durchzuführen oder deren Bedienung bzw. Überwachung zu vereinfachen. Alle Sensoren, Aktoren, Bedienelemente, Verbraucher und andere technische Einheiten im Gebäude werden miteinander vernetzt. Abläufe können in Szenarien zusammengefasst werden. Kennzeichnendes Merkmal ist die dezentrale Anordnung der Steuerungseinheiten (DDC-GA) sowie die durchgängige Vernetzung mittels eines Bussystems.

Inhaltsverzeichnis

Bezug zum administrativen Facility Management

Zur Umsetzung des administrativen Facility Management werden eine Vielzahl an Informationen (Grundfläche, Nutzungsart, Energiebedarf, usw.) zu den betriebenen Gebäuden benötigt. Die Unterstützung des administrativen Facility Managements durch die Informationstechnik wird als computer-aided facility management (CAFM) bezeichnet. Die Gebäudeautomation kann im Rahmen des technischen Facility Managements ein Teile der benötigten Informationen zur Verfügung stellen. Somit kann die Software der Managementebene oder Gebäudeleittechnik (GLT) mit dem computer-aided facility management verknüpft werden. Allerdings gehen die Aufgaben der Gebäudeautomation über die reine Informationsbereitstellung durch aktive Steuerung der technischen Gebäudeausrüstung weit hinaus.

Logische Ebenen in der Gebäudeautomation

Die Gebäudeautomation wird (funktional) in drei Ebenen unterteilt. Die Feldebene, die Automationsebene und die Managementebene.

Ebenen der Kommunikation in der Gebäudeautomation

Die klassische Aufteilung der Ebenen ist im Bild zu sehen. Durch die rasante Entwicklung der Mikroprozessoren in den letzten Jahren wird die bisherige klassische Aufteilung von Feld-, Automations- und Managementebene immer mehr verwischt. Es wandert mehr Intelligenz in die Sensoren und Aktoren, so dass diese inzwischen auch direkt an die Feldbusse der DDCs angebunden werden. Teilweise weisen Feldgeräte Managementfunktionalität auf. Weiterhin wandert durch den Einsatz von sogenannten Residential Gateways auch mehr lokale Intelligenz in die Automationsebene, wohingegen die Managementebene teilweise in lokales und Remote Management zu untergliedern ist. Hierbei macht sich vor allen Dingen bemerkbar, dass sich die Anforderungen im Heimbereich (Einfamilienhäuser) stark von denen im professionellen Bereich (Bürogebäude) unterscheiden.

Managementebene

Als Managementebene wird die Ebene bezeichnet, mit deren Hilfe die Anlagen überwacht und in ihrer Betriebsweise optimiert werden. Die Visualisierung historisierter und statistisch bearbeiteter Daten gehört dazu. In der Managementebene kommt spezielle Software, die Gebäudeleittechnik zum Einsatz. Es gibt diverse herstellerabhängige Systeme, die ihre Vor- und Nachteile haben. Als herstellerunabhängige Schnittstellen für Management Systeme sind hier OPC und BACnet zu nennen, wobei BACnet auch auf Controllerebene (native BACnet) funktioniert.

Es ist auf der Managementebene möglich, über Gateways die Herstellerabhängigkeit bestehender Anlagen mit proprietären Bussystemen aufzuheben. Dazu ist jedoch bei den meisten Systemen die Kooperation des Herstellers notwendig.

Je nach Anwendungsgebiet kann die Managementebene in lokales und Remote Management untergliedert werden, wobei sogenannte Residential Gateways das lokale Management entweder vollständig autark übernehmen, oder aber eine Komponente hiervon bilden können. Das Remote Management wiederum setzt von zentraler Stelle aus auf den lokalen Komponenten auf und ermöglicht so zum Beispiel eine Fernsteuerung über gesicherte Internet-Verbindungen.

Häufig missverstanden als "Management" gibt es Funktionen für die Bedienung der Gebäudeautomation. Diese Funktionen sind unabhängig von der jeweils betrachteten Ebene (nach DIN EN ISO 16484). Mit den Bedienfunktionen werden GA-Systeme gesteuert und Informationen für den Betreiber visualisiert.

Automationsebene

Für den Austausch von Daten auf der Automationsebene zwischen den DDCs sind trotz Standardisierung auch heute noch vielfach proprietäre Bussysteme im Einsatz. Es ist jedoch durch den Druck des Marktes ein Trend zum herstellerübergreifenden Austausch von Informationen zu beobachten (Interoperabilität). DDC-GA-Komponenten, die mit diesen offenen Systemen auf Automationsebene arbeiten, sind jedoch bisher teurer.

Auf Automationsebene sind insbesondere BACnet und LON (Local Operating Network) als herstellerübergreifende Bussysteme zu nennen. BACnet und LON wird von großen Unternehmen bevorzugt im Zweckbau eingesetzt. Ziel ist es, das Management von größeren Gebäudeanlagen wie zum Beispiel Bürohäusern, Kliniken oder Flughäfen mit einem echt offenen Standard zu realisieren.

Aufgrund des herstellerorientierten Marktes sind öffentlich wenig verlässliche Aussagen über die Anzahl der realisierten Systeme möglich. Nur die im VDMA-AMG organisierten Hersteller haben Zugang zur sehr detaillierten "VDMA-Statistik", die seit 1987 verlässliche Marktdaten liefert.

Außerdem gibt es Funksysteme zur Nachrüstung, wenn keine neuen Kabel gezogen werden sollen.

Als Alternative zu Bussystemen werden in der Gebäudeautomatisierung auch speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) eingesetzt. Mit Hilfe von Busankopplern sind auch Mischformen möglich.

Basierend auf leistungsstarken Steuercontrollern im Schaltschrank etablieren sich in den letzten Jahren OSGi-basierte Gebäudebetriebsysteme ähnlich den SPS-Systemen jedoch ist hier keine Programmierung mehr notwendig. Alle Funktionalität wird über eine Managementsoftware kommissioniert.

Feldebene

Als Feldebene wird die Verkabelung der Sensoren und Aktoren mit den DDC-GA-Komponenten bezeichnet. Die Schnittstellen zu den Sensoren sind sehr einfach, da die Sensoren in der Regel direkt mit den Eingängen der DDC verbunden werden. Dabei wertet die DDC-GA-Komponente bei Temperatursensoren, PT100 oder NTC10K die Widerstandsänderungen aus. Bei aktiven Sensoren, wie zum Beispiel bei den Drucksensoren wird ein analoges Signal von 4 bis 20 mA oder 0 bis 10 V übertragen welches den Messwert repräsentiert. Bei den digitalen Eingängen wird mit potentialfreien Kontakten und S0-Schnittstellen gearbeitet.

Systembestandteile nach DIN 276

Gebäudeautomation nach DIN 276

Der steigenden Bedeutung der Raumautomation innerhalb der Gebäudeautomation insbesondere von Nicht-Wohngebäuden kommt die DIN 276: Kosten im Bauwesen seit 2006 nach, indem sie die Kostengruppen neu geordnet hat. Ein Gebäudeautomationssystem besteht demnach aus den Teilsystemen

Neben der ursprünglichen Bedeutung für die Kostenschätzung und -abrechnung gibt das Bild auch die kommunikativen Beziehungen der Teilsysteme untereinander wieder. Während die Kommunikation zwischen Raumautomation und Anlagenautomation hauptsächlich der bedarfsgeführten Regelung der Energieerzeuger gilt, dienen die Schnittstellen beider Automationssysteme zum Managementsystem überwiegend der Visualisierung, Bedienung oder Trendaufzeichnung.

Im Vergleich zum beschriebenen Ebenenmodell verzichtet die DIN Gruppierung wegen der zunehmenden Verschmelzung auf eine Unterteilung in Automations- und Feldebene; vielmehr findet man die Funktionen beider Ebenen gleichermaßen sowohl innerhalb des Raumautomationssystems als auch in der Anlagenautomation. Nur die Managementebene bleibt als eigener Systembestandteil erhalten.

Technologische Grundlagen

Technische Elemente

Bestandteile beim Aufbau eines Systems zur Gebäudeautomation sind:

Technische Philosophie der Gebäudeautomation

Herstellerunabhängigkeit / offene Systeme

Diese Schlagwörter sind seit Jahren die zentralen Themen in der Gebäudeautomation. Sie werden überall gefordert, von den Herstellern jedoch nicht so recht umgesetzt und aus naheliegenden Gründen (Umsatz / Marktfestigung) torpediert. Jedoch bieten einige unabhängige Firmen fabrikatsneutrale Gebäudeleittechnik an, durch die die Anbindung verschiedener Unterstationen / DDC-GA-Komponenten ermöglicht wird.

Offenheit und Herstellerunabhängigkeit darf man hier nicht mit dem OpenSource-Gedanken von Linux vergleichen. In der Gebäudeautomation spricht man von Herstellerunabhängigkeit, wenn man ein System installiert, das dem Betreiber die Möglichkeit gibt, Fabrikate mehrerer Hersteller ohne größere Probleme miteinander kommunizieren zu lassen. Die Abhängigkeit vom Hersteller wird dabei nicht gelöst, sondern nur gelockert. Wobei sich die Kuriosität ergibt, dass es bei diversen DDC-GA-Herstellern für die DDC-GA-Komponenten Preislisten gibt, jedoch für die Gateways je nach Projekt politische Preise generiert werden.

Die Abhängigkeit vom Errichter bzgl. der Bestandsanlagen, der Wartung nach VDMA oder der Beseitigung von Schäden besteht weiterhin, da es aus Kostenaspekten in der Regel illusorisch ist, einen Controller (DDC-GA) im Schaltschrank gegen einen anderen zu ersetzen. Bei Neubauten oder Erweiterungen wird jedoch Ausschreibungsfreiheit ermöglicht und somit Investitionssicherheit geschaffen. Zudem ergibt sich die Möglichkeit, zusätzliche Liegenschaften aufzuschalten, die bisher wegen unterschiedlicher Fabrikate separat geregelt und überwacht wurden.

Vernetzung

Heutzutage geht der Trend nicht nur bei der klassischen Gebäudeautomatisierung mit dem Stand der Technik in Richtung multimediale Vernetzung, sondern auch über verschiedene Gewerke hinweg.

Bei der Weißen Ware besteht eine anhaltende Tendenz in Richtung "vernetzte Hausgeräte", meist über Powerline-Lösungen. So entwickelt Bosch Siemens Hausgeräte serve@Home, von Miele gibt es Miele@home-Produkte und in der Schweiz findet man ZUG-Home von der V-Zug. Die Darstellung der Vernetzung bzw. die Steuerung der Geräte erfolgt hierbei meist über einen Web-Browser, und ist manchmal mit anderen Gebäudeautomatisierungslösungen integriert, so dass sich der Kreislauf zur Unterhaltungselektronik bzw. den neuen Medien schließt.

Ähnlich sieht es bei der Roten (Heizungsgeräte) und Braunen Ware (Unterhaltungselektronik) aus.

Das Ziel der Vernetzung bei der Weißen, Braunen und Roten Ware ist jeweils, den Mehrwert bei der Gerätenutzung zu steigern und neue (Fern-)Bedienmöglichkeiten zu schaffen. Die zugrunde liegende Technologie ist meist LON, UPnP oder EHS (Powerline) wobei der Embedded-Software-Stack häufig auf OSGi (Java) aufsetzt. EIB wird hier meist als ein weiterer Protokoll-Stack mit integriert, so dass eine gesamtheitliche Lösung mit einheitlicher Bedienung entsteht.

Basis-Technologien für die Gebäudeautomation

Leittechnik und Managementsysteme zur Fernwartung

Zum Einsatz kommen meist proprietäre Lösungen, beispielsweise zum Remote Management der weiter unten beschriebenen lokalen OSGi-Systeme.

Management- und Automationsebene

OSGi
Ein OSGi-Framework ist eine offene, modulare und skalierbare „Service Delivery Plattform“ auf Java-Basis. Sie ermöglicht in ihrer Funktion als Software-Basisplattform für eingebettete Geräte die Vernetzung von intelligenten Endgeräten durch nachträgliche Auslieferung und Installation von Diensten zur Laufzeit. Dies schließt somit die Aufgabe der klassischen Fernsteuerung, Ferndiagnose und -wartung dieser Geräte mit ein. Weiterhin wird die Verteilung von Informationen und multimedialen Unterhaltungsinhalten an diese Geräte über geeignete Protokolle ermöglicht. Der Einsatz von OSGi erfolgt dementsprechend typischerweise in Fahrzeugen (Telematik), mobilen Endgeräten (Handys, PDAs) und im Bereich der Heimvernetzung (Residential Gateways) oder in industriellen Automatisierungslösungen bzw. völlig anders gearteten eingebetteten Systemen. Eines der Anwendungsgebiete dieses offenen Systems ist die Gebäudeautomation, also das hier besprochene technische Facility Management. Dabei können auf demselben Residential Gateway gleichzeitig noch unterschiedliche andere Dienste bereitgestellt werden. Eine große Anzahl von solchen Gateways (also lokaler Managementsysteme) können dann aus der Ferne über ein entsprechendes Remote Management (also ein zentrales Managementsystem) gesteuert und überwacht werden.

Automations- und Feldbus-Ebene

DALI
Das Digital Addressable Lighting Interface (DALI) ist ein Steuerprotokoll zur Steuerung digitaler, lichttechnischer Betriebsgeräte in Gebäuden (zum Beispiel elektronischer Transformatoren, EVGs, elektronischer Leistungsdimmer, etc.). Jedes Betriebsgerät, das über eine DALI-Schnittstelle verfügt, kann über DALI-Kurzadressen einzeln angesteuert werden. Durch einen bidirektionalen Datenaustausch kann ein DALI-Steuergerät bzw. ein DALI-Gateway den Status von Leuchtmitteln bzw. von Betriebsgeräten einer Leuchte abfragen bzw. den Zustand setzen. DALI kann als "Inselsystem" mit maximal 64 Betriebsgeräten betrieben werden oder als Subsystem über DALI-Gateways in modernen Gebäudeautomationssystemen.
DigitalSTROM
DigitalStrom ist ein neues System, welches von der ETH Zürich zur Marktreife entwickelt wurde und z. Zt. von der Industrie implementiert wird. Interessant an diesem Ansatz ist die Übertragung der Steuer-und Informationssignale über das Stromnetz mit einem anderen als den bisher bei Powerline-Technologien genutzten Verfahren. Dieses ermöglicht nicht nur die Nachrüstung im Bestand, sondern auch einen Mischbetrieb mit konventioneller Technik. DigitalStrom ermöglicht nicht nur die übliche Steuerung von Haustechnik sondern ebenfalls die Überwachung von sämtlichen damit ausgerüsteten Verbrauchern.
EIB
Der Europäische Installationsbus (EIB) ist ein Standard nach EN 50090, der beschreibt, wie bei einer Installation Sensoren und Aktoren in einem Haus miteinander verbunden werden müssen. Er legt weiterhin fest, wie Sensoren und Aktoren miteinander kommunizieren (Protokoll). Der EIB steuert zum Beispiel die Beleuchtung und Jalousien beziehungsweise Beschattungseinrichtungen, die Heizung sowie die Schließ- und Alarmanlage. Mittels EIB ist auch die Fernüberwachung und -steuerung eines Gebäudes möglich. EIB wird derzeit vor allem bei neuen Wohn- und Zweckbauten installiert, kann jedoch auch bei der Modernisierung von Altbauten nachträglich eingebaut werden. EIB-Installationen sind mittlerweile nicht nur im gehobenen Wohnungsbau zu finden. Es werden bereits auch bei preiswerten Fertighäusern EIB-Netzwerke in das Gebäude standardmäßig integriert.
KNX
Der Konnex-Bus (KNX) ist ein Standard, der beschreibt, wie in einer Installation u.a. Sensoren und Aktoren miteinander über ein Bus-/Protokoll-System verbunden werden können. Der Bus wurde im Jahre 2002 als Nachfolger aus dem Zusammenschluss der folgenden drei Bussysteme EIB, BatiBus und EHS konzipiert. KNX ist kompatibel zur vorhergehenden Norm EN 50090, welche den EIB-Standard normiert.
LON
Local Operating Network (LON) ist ein Feldbus, welcher vorrangig in der Gebäudeautomatisierung eingesetzt wird. Dieser Feldbus wurde von der US-amerikanischen Firma Echelon um das Jahr 1990 entwickelt. Die LON-Technologie – mit ANSI/EIA-709.x und EIA-852 standardisiert sowie als EN14908 in das europäische und als ISO/IEC 14908-x in das internationale Normenwerk übernommen – ermöglicht den neutralen Informationsaustausch zwischen Anlagen und Geräten von verschiedensten Herstellern und unabhängig von den Anwendungen.
SMI
Standard Motor Interface ist ein Feldbus zum Ansteuern von elektronischen Antrieben für beispielsweise Jalousien oder Rollläden. Er kann alleine benutzt werden, wird jedoch meist in höhere Bussysteme wie KNX eingebunden. Neben einfacherer Verkabelung ist vor allem die Rückmeldefähigkeit ein deutlicher Vorteil zu konventionellen Antrieben.

Chancen und Risiken

Möglichkeiten der Gebäudeautomation (GA)

Vor- und Nachteile

Vorteile

  • Energieverbrauchsreduktion durch intelligente Regelung
  • Komfortgewinn durch intelligente Steuerung: zum Beispiel kann auf einen Tastendruck eine vordefinierte Beleuchtungssituation hergestellt werden, ohne dass mehrere Lampen einzeln geschaltet oder gedimmt werden müssen; oder durch logische Verknüpfungen von Schaltzuständen können alternativ definierte Aktionen ausgelöst werden
  • Schutz gegen Einbrüche durch Anwesenheitssimulation
  • Sicherheit für die Bewohner durch Alarmierung beim Auftreten von kritischen Situationen
  • Überwachung von einem externen Sicherheitsdienst durch automatische Alarmweiterleitung

Nachteile

  • Höhere Anschaffungskosten im Vergleich zur normalen Gebäudeinstallation. Zum einen amortisieren sich aber die Kosten vielfach durch die Energieeinsparungen im Betrieb, zum anderen sind viele Funktionen mit klassischer Gebäudeinstallation gar nicht möglich oder viel teurer.
  • Bei hoher Komplexität ist für den Betrieb der Anlagen qualifiziertes Personal notwendig.
  • Erhöhte Abhängigkeit vom Installateur bzw. DDC-GA-Hersteller der Anlagen, da einige Errichter gleichzeitig die Hersteller der DDC-GA-Komponenten sind. Es ist daher darauf zu achten, dass sämtliche Unterlagen inklusive der aktuellen Programme in den DDC-GA-Komponenten übergeben werden, da sonst die nachträgliche Erweiterung der Anlagen immer durch den Errichter erfolgen muss. Alternativ sind genormte Bussysteme mit zertifizierten Produkten (BACnet, KNX, LONmark) einzusetzen, die eine große Herstellervielfalt und in der Regel auch Austauschbarkeit der Komponenten gewährleisten.

Siehe auch

Bussysteme

Literatur

  • Hermann Merz, Thomas Hansemann, Christof Hübner: Gebäudeautomation - Kommunikationssysteme mit EIB/KNX, LON und BACnet. München 2007, ISBN 978-3-446-40987-3.
  • Dietmar Dietrich, Dietmar Loy, Hans-Jörg Schweinzer: LON-Technologie - Verteilte Systeme in der Anwendung. Heidelberg 1999 (2. überarbeitete Auflage), ISBN 3-7785-2770-3.

Weblinks


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