Steuerung und Vernetzung mit Gebäudeautomation

Überwachung, Steuerung, Regelung von haustechnischen Anlagen

Nationale und europäische Regelwerke wie das GEG (Gebäudeenergiegesetz) und die EPBD (Energy Performance of Buildings Directive) sollen dazu beitragen, die Energieeffizienz im Bausektor zu steigern und den Energieverbrauch zu senken. Ein wichtiger Hebel zur Erreichung dieses Ziels ist der Einsatz von Gebäudeautomation (GA). Gebäude mit sogenannter intelligenter, also digitaler GA werden heute meist als „Smart Building“ bezeichnet. Die GA ermöglicht komplexe Steuerungsabläufe, die mit Einzelregelungen nicht realisiert werden können. Zur Gebäudeautomation gehören alle Einrichtungen von der Software zur automatischen Überwachung über die Steuerung und Regelung bis hin zur Betriebsoptimierung von haustechnischen Anlagen in einem oder mehreren Gebäuden.

Gallerie

Die Gebäudeautomation regelt und steuert üblicherweise Gebäudefunktionen wie Heizung, Klimatisierung und Lüftung sowie Beleuchtung und Verschattung. Durch die fortschreitende Digitalisierung im Bauwesen entwickelt sich der Bereich der GA derzeit stetig weiter, weswegen immer neue Funktionen und Geräte hinzukommen, die sich ebenfalls in eine GA einbinden lassen (Internet of Things IoT). Eine GA kann so sehr komplex werden. Die GA ist außerdem ein wichtiger Bestandteil des technischen Facility Managements, um die Betriebskosten eines Gebäudes zu senken, Funktionsabläufe gewerkeübergreifend automatisch durchführen zu können und die Bedienung sowie die Überwachung einer Anlage zu vereinfachen. Die Vernetzung aller Sensoren, Aktoren, Bedienelemente und anderen Geräten ist dabei ein zentraler Bestandteil.

Eine Anlage zur (digitalen) Gebäudeautomation besteht aus allen notwendigen Teilen, also z. B. den Schaltschränken und Kabelnetzen für die Mess-, Steuer-, Regelungstechnik (MSR-Technik) und der Informationsübertragung, außerdem die übergeordnete Technik für die Betriebsführung. Wichtige Aspekte dabei sind das Energiemanagement und die Ergebnisanalysen. Unter integraler Gebäudeautomation (IGA) versteht man eine ganzheitliche und vernetzte MSR-Technik (Sensoren, Bedienelemente), z. B. wenn zur Begrenzung der Spitzenlast die Stromversorgung mit der Kälteproduktion regelungstechnisch verknüpft ist.

Gebäudeautomation in drei Ebenen

Die Gebäudeautomation ist seit dem Jahr 1993 ein offizielles Gewerk im Bauwesen, bereits im Jahr 1977 erschien mit der Richtlinie VDI 3814 Blatt 1 Gebäudeautomation (GA) - Grundlagen das erste Regelwerk dafür, das seither ständig überarbeitet und erweitert wird. Die GA wird funktional in drei Ebenen unterteilt, zwischen denen das Zusammenspiel über verschiedene Übertragungsmedien und -protokolle funktioniert:

Managementebene
Auf dieser Ebene mit übergeordneter Funktion werden die Anlagen überwacht, gesteuert und ihre Arbeits- sowie Betriebsweise optimiert. Managementsysteme können als zentrale Leitwarte oder als verteilte Systeme mit mehreren Bedienstationen (auf Grundlage einer Client-Server-Architektur) realisiert werden. Dabei kommt eine spezielle Software für Gebäudeleittechnik (GLT) zum Einsatz. Sie visualisiert die technischen Vorgänge innerhalb des Gebäudes und sammelt die Daten aus den Reglern, Sensoren etc. im Gebäude ein (Feldebene) und bildet sie grafisch ab. Die Gebäudeleittechnik dient als Nutzerinterface zur GA auf der Managementebene. Es gibt herstellerabhängige und -unabhängige Systeme. Als technische Basisausstattung kann ein PC dienen, der mit einer redundanten Datenbank, Back-up-Möglichkeiten sowie einer unterbrechungsfreien Stromversorgung ausgestattet ist.

Automationsebene
Für den Austausch von Daten auf der Automationsebene zwischen den Schnittstellen (DDC - Direct Digital Control) sind trotz Standardisierung nach wie vor viele herstellerabhängige Bussysteme im Einsatz. Herstellerübergreifende Bussysteme sollten bei der Planung einer GA jedoch bevorzugt werden, vorwiegend im Zweckbau (Bürohäuser, Kliniken, Flughäfen) oder bei öffentlichen Projekten. Nachrüstungen in Bestandsgebäuden, wo eine Festverkabelung oft nicht möglich ist, sind vielfach über Funkverbindungen möglich, etwa bei der Raumtemperaturregelung für Flächenheizungen oder bei der Beleuchtungssteuerung. Auch die Verbindung über die bestehenden Stromleitungen (220 V) ist mit entsprechenden Systemen möglich, wodurch sich ebenfalls der Aufwand für zusätzliche Leitungen einsparen lässt. Bekannte, weitestgehend unabhängige Systeme sind etwa KNX, DALI oder EnOcean. Auch im Bereich der Automationsebene entwickelt sich der Markt schnell, vor allem durch die vielfältigen Möglichkeiten durch die Digitalisierung.

Feldebene
In der untersten Ebene der Gebäudeautomation, der Feldebene, werden die unterschiedlichen technischen Anlagen des Gebäudes mithilfe der Sensoren und Aktoren betrieben. Sensoren nehmen Informationen auf (z. B. Bewegung, Helligkeit, Temperatur, CO₂-Gehalt) und senden diese als Datentelegramme über ein geeignetes Bussystem an die Aktoren. Diese empfangen die Datentelegramme und setzen sie in Schaltsignale um, z. B. für die Beleuchtungs-, Heizungs-, Klima- und Lüftungsanlage. Daten, die aufgezeichnet und archiviert werden, sind z. B. Betriebszustände von Anlagenteilen wie Motoren, Lüftungsklappen, Ventilen oder direkte Messwerte wie Druck, relative/absolute Feuchte und Verbrauchszählerstände. Mit der Digitalisierung verschwimmen die Grenzen zwischen der Automationsebene und der Feldebene zunehmend.

Normen und Richtlinien

Der Beitrag der Gebäudeautomation ist zur Erreichung der Energieeffizienzziele der Bundesregierung sowohl für den Gebäudebestand als auch für den Neubau nahezu unverzichtbar. Neben der Sicherheit, dem Komfort und der Barrierefreiheit ist energieeffizienter Gebäudebetrieb ein wesentliches Ziel beim Einsatz von Gebäudeautomation. Entsprechend existieren zu dem Planungsgebiet mittlerweile einige Normen und Richtlinien, weswegen eine Konzeption ohne Fachleute heute kaum mehr möglich ist. Die Gebäudeautomation versteht sich bei alledem als übergeordnete Bezeichnung für die Raumautomation (RA), die Anlagenautomation (AA) und das Gebäudeautomations-Management (GA-M).

Die DIN EN 15232-1: Energieeffizienz von Gebäuden - Teil 1: Einfluss von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement beschreibt u. a. die Wirkung der Gebäudeautomation auf die Energieeinsparung und liefert Verfahren zur Definition der Mindestanforderungen hinsichtlich der Gebäudeautomation und des technischen Gebäudemanagements. Um diese Ziele zu erreichen, muss ein funktional fachgerechtes Konzept erstellt werden. Hier setzt die Richtlinienreihe VDI 3813 Gebäudeautomation (GA) an, in der gewerkeübergreifend die Funktionen der Raumautomation festgelegt sind. Damit unterstützt sie den GA-Fachplaner durch eine geschlossene Planungssystematik und ermöglicht ihm, eine Beschreibung aller Raumfunktionen in modernen Gebäuden bis hin zur höchsten Energieeffizienzklasse (A) nach DIN EN 15232 zu erstellen.

Die wichtige, bereits seit 1977 existierende Richtlinie und später zur Richtlinienreihe erweiterte VDI 3814 Gebäudeautomation (GA) beschäftigt sich intensiv mit der Gebäudeautomation und soll das Richtlinienwerk des VDI zur Gebäudeautomation bündeln. Die Ausgaben der VDI 3814 aus den frühen 1990er-Jahren prägen auch die Inhalte der nach wie vor gültigen internationalen Norm DIN EN ISO 16484: Systeme der Gebäudeautomation (GA). Bei der Bewertung hilft die DIN V 18599-11: Energetische Bewertung von Gebäuden - Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung. Die Wirtschaftlichkeit von Automationssystemen kommt schließlich bei der Zertifizierung von Green Buildings nach DGNB, LEED u. a. zum Tragen.

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