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.
Bild: Chorus Gewiss, Merenberg
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
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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