Bus-basierte Regelungstechnik

Das Objekt

Das Verwaltungsgebäude mit 1600 m² sowie die angeschlossene Fertigungshalle mit etwa 7000 m² des österreichischen Maschinenbauunternehmens wurden 2011 erbaut. Bei der Konzeption des modernen und ansprechenden Bürogebäudes standen Energieeffizienz, hoher Komfort sowie die Schaffung eines angenehmen Raum- und Arbeitsklimas im Vordergrund. Das Bürogebäude mit einem über alle drei Etagen offenen Atrium hat insgesamt 28 separat regelbare Räume. In allen Räumen ist ein Fußbodenheizungs- und -kühlungssystem installiert. Die nach Süden ausgerichteten Besprechungszimmer mit ihrer raumhohen Verglasung sowie das Atrium werden zusätzlich bei Bedarf über Fan Coils gekühlt.

Energiekonzept

Um die Kosten der Energieerzeugung zu minimieren, wurde neben der Nutzung der in der Fertigung anfallenden Abwärme auch auf regenerative Energien gesetzt. Es kommen zwei in Kaskade geschaltete Luft-Wasser Wärmepumpen mit 27 und 22 kW Heizleistung zum Einsatz. Die Wärmepumpen beladenen Pufferspeicher für Heizung, Kühlung und Trinkwarmwassererzeugung. Der Pufferspeicher für die Trinkwarmwassererzeugung – verwendet wird eine Frischwasserstation – wird zusätzlich über die von den Kompressoren der Fertigung erzeugte Abwärme aufgeladen. Der Heizenergieverbrauch der Gebäude wurde durch eine hervorragende Dämmung minimiert, so dass weniger die Beheizung des Gebäudes im Winter, als vielmehr die Kühlung der Büroräume in Übergangszeit und in den Sommermonaten im Vordergrund steht.

Anlagenaufbau

Das Hydraulikschema (Bild 1) zeigt den Aufbau der Anlage: Die Fußbodenheizung und -kühlung wurde in zwei Zonen – Nord und Süd – unterteilt. Die Versorgung der beiden gemischten Kreise wird zwischen dem Wärmepuffer und dem Kältepuffer umgeschaltet. Die für die Versorgung der Fan Coils zuständige Pumpe ist direkt mit dem Kältepuffer verbunden, da die Fan Coils nur zur Unterstützung im Kühlbetrieb verwendet werden.

Steuerungs- und Regelungstechnik: Welche Lösung ist zu bevorzugen?

Folgende Anforderungen sind im vorliegenden Projekt von der Steuerungs- und Regelungstechnik zu erfüllen:

Folgende Lösungen kamen hierbei in Betracht:

Selbstverständlich ist ein solches System in der Lage, alle genannten Aufgaben zu lösen. Allerdings müssen die in solchen Systemen für die verschiedenen Anwendungsfälle vorgefertigten Funktionsbausteine an die jeweilige Aufgabe angepasst und entsprechend verknüpft werden. Aufwand entsteht außerdem bei der Erstellung des Benutzerinterfaces, also der Eingabeseiten für Sollwerte, Zeitprogramme usw.

Bei Installationen dieser Art werden oft auch dezentrale, eigenständig arbeitende Komponenten miteinander kombiniert und über verschiedene Steuersignale miteinander verknüpft. Die gestellten Anforderungen lassen sich auf diese Weise jedoch nur zum Teil und dann nur mit hohem Planungs- und Verdrahtungsaufwand realisieren.

Das „HC Bus“-Regelungssystem wurde speziell für Flächenheizungs- und -kühlungsanlagen in Verbindung mit Fan Coils und Entfeuchtern entwickelt. Eine Vielzahl von Funktionen ist integriert, die benötigten Funktionen werden bei der Inbetriebsetzung je nach Bedarf aktiviert. Aufgrund der Systemstruktur und der durchgängigen Verwendung von Bus-Technologie eignet sich das System sowohl für Anwendungen im privaten Wohnungsbau als auch in Büro­gebäuden.

Aufgrund des günstigen Kos­ten/Nutzen-Verhältnisses kam schlussendlich das HC Bus-Sys­tem zum Einsatz.

Regelungskonzept für das Gebäude

Das installierte Regelungssystem übernimmt folgende Aufgaben:

Die für den Nutzer sichtbaren Komponenten des Systems sind die über eine gemeinsame Busleitung verbundenen Raumbediengeräte, die „HC Bus Room Units“. Sie melden an den zentralen Regler Raumtemperatur, relative Raumluftfeuchte sowie den Sollwert für die Raumtemperatur. Die Sollwertvorgaben der Räume für normalen und reduzierten Betrieb werden zentral verwaltet und für jeden Raum individuell geladen. Der Nutzer hat jedoch die Möglichkeit innerhalb eines einstellbaren Bereichs den Sollwert zu verändern.

Die Fan Coils der Be­spre­ch­ungs­zimmer werden im Kühlfall automatisch gestartet, sobald die Raumtemperatur während der Arbeitszeit mehr als 1 K über dem Sollwert liegt. Über die Tastatur der „HC Bus Room Units“ können sie aber auch manuell gestartet oder gestoppt werden.

Der richtige Zeitpunkt für die Rückkehr aus dem reduzier­ten Betrieb wird für jeden Raum in­dividuell errechnet, um zum gewünschten Zeitpunkt die ge­wünschte Temperatur zu errei­chen.

Da jeder Raum laufend relative Luftfeuchte und Temperatur meldet, ist sichergestellt, dass die Vorlauftemperaturregelung im Kühlfall stets nach dem Taupunkt des ungünstigsten Raums ausgerichtet ist.

Ein wichtiger Punkt um die Behaglichkeitskriterien einzuhalten, ist die Temperatur der gekühlten Flächen: Je nach Bodenbelag werden Oberflächentemperaturen zwischen 20 und 21 °C als angenehm empfunden. Fühler im Rücklauf der Heiz-/Kühlkreise liefern deshalb Informationen über die Bauteiltemperaturen. Die ebenfalls in dem Regelungssystem integrierte Ansteuerung von Entfeuchtungseinheiten wurde in dieser Installation nicht genutzt.

Planung des Systems

Die im Schaltbild (Bild 2) dargestellte Struktur wirkt auf den ersten Blick komplex, ist aber auf folgendes einfaches Grundmuster zurückzuführen:

In jedem Heizkreisverteilerschrank werden Schaltmodule (V-M) wie im Schaltschema gezeigt installiert. Jedes Schaltmodul besitzt vier Schaltausgänge, und kann somit für vier Räume verwendet werden. Räume, die zusätz­lich mit einem Fan Coil ausgestattet sind, benötigen einen zusätzlichen Ausgang.

Die Inbetriebnahme: Konfigurieren statt Programmieren

Bei der Konzeption des Regelungssystems wurde auf größtmögliche Flexibilität und ein breites Einsatzspektrum Wert gelegt. Das System ist in seinen unterschiedlichen Ausbaustufen einsetzbar vom Einfamilienhaus bis zum Bürogebäude mit 500 Räumen.

Verschiedene Heiz- und Kühlsysteme wie Boden, Wand, Decke, aber auch die Betonkerntemperierung werden unterstützt. Die Ansteuerung von Entfeuchtern – wichtig zum Beispiel bei Räumen mit hoher Personendichte oder generell in Regionen mit höherer Luftfeuchtigkeit – sowie von Fan Coils zur Unterstützung der Kühl- oder Heizleistung ist integriert.

Die gesamte Struktur des Systems mit allen seinen Funktionen wird während des Konfigurationslaufs in einer klaren und logischen Abfolge von Schritten festgelegt. Da das funktionierende Bussystem die Grundlage des gesamten Systems darstellt, wird in den ersten Schritten der Inbetriebsetzung das Bussystem gescannt und alle gefundenen Teilnehmer werden angezeigt. Verdrahtungs- oder Adressierungsfehler können so zu Beginn der Inbetriebsetzung erkannt und behoben werden.

Visualisierung via Webbrowser

Die Bedienung und Visualisierung des Systems kann bei Verwendung der optionalen Webcard komfortabel über jeden Webbrowser erfolgen. Das kann innerhalb des Hauses oder nach entsprechender Freischaltung von überall auf der Welt erfolgen. Für die Darstellung auf Smartphones wurden die Webseiten speziell optimiert.

Der Anwender kann – ohne Hilfe eines Fachmanns – für seine Anlage Nutzungsbereiche definieren, die Räume mit Namen versehen und per Drag and Drop in die jeweiligen Bereiche ziehen.

Fazit

Der konsequente Einsatz von bus-basierten Einheiten verringert Kabellasten und Verdrahtungsaufwand. Diese Vorteile machen sich bereits in kleineren Installationen – wie zum Beispiel im privaten Wohnungsbau – bemerkbar. Bei ausgedehnteren Anlagen gibt es zur Bus-Technologie keine Alternative, wenn die Vorteile von zentral gesteuerten Anlagen genutzt werden sollen:

Das verwendete Regelungssystem „HC Bus“ hat neben diesen Vorteilen der bus-basier­ten Systeme folgende spezielle Eigenschaft: Obwohl das Ge­samt­system eine Vielzahl von komplexen und ineinandergreifenden Funktionen aufweist, ist die Inbetriebsetzung einfach und schnell.

Durch eine leicht verständliche und logische Abfolge von Schritten werden die in der Anlage benötigten Funk­tionen ausgewählt und ak­ti­viert. Das Regelungssystem in der Anlage ließ sich so in einem Zeitraum von weniger als einer Stunde vollständig konfigurieren.