Entwicklung der Gebäudeautomation

Zu Beginn der Neunzigerjahre durfte ich im Zeitalter der Digitalisierung aktiv beim Zusammenwachsen der üblich den HLS-Ingenieuren obliegenden MSR-Technik mit der bei der Elek­tro­technik angesiedelten Gebäudeleittechnik mitwirken, damals genannt „Integrierte Gebäudeautomation“. Die Digi­ta­lisierung in Zusammenhang mit freier Programmierung gab uns erstmals die Möglichkeit, die Betriebsführung von Vollklima­an­lagen neu auszulegen. Statt Kennlinien aus dem h,x-Diagramm konnten wir in Abhängigkeit der Kenngrößen und äußeren Einflüsse „Flächen aus dem h,x-Diagramm abfahren“ und so enorme Energieeinsparun­gen im Vergleich zur alten MSR-Technik erzielen. Auch ließen sich durch Bustechnologien einfacher Verknüpfungen zwischen ver­schiedensten Anlagen und Gewerken herstellen.

Die Verringerung der Größe und der Kosten dieser Technik in den weiteren Jahrzehnten sowie die umfassende Weiterentwicklung der Anwendungsmöglichkeiten bewirken, dass heute die Gebäudeautomation als eigenständiges Gewerk im Bauwesen angesehen wird.

Dieses Gewerk Gebäudeautomation ist mit seinen vielen kleinen Bausteinen in den Primärgewerken von Bau und Technik zum Messen, Steuern und Regeln ein Hilfsgewerk und außerdem auch mit seinen weiteren Bestandteilen sowie der Mensch-Maschinen-Kommunikation Hauptgewerk für das Betreiben der Immobilien. Es hat sich damit zum Gehirn und zum zentralen Nervensystem vor allem gewerblicher Immobilien weiterentwickelt. Dadurch werden die folgenden Ziele verwirklicht, die allen Immobilienbeteiligten zu Gute kommen:

höchstmöglicher Komfort,

Flexibilität bei der Nutzung,

Energie- und Kosteneffizienz,

Kostentransparenz,

Nachhaltigkeit,

Sicherheit,

Umsetzen der Betreiberverantwortung.

Dem Eigentümer, der monetäres Kapital in immobiles Anlagengut gewandelt hat, hilft dies bei der Vermietung und Vermarktung, der Kostenverfolgung, der Steigerung des Anlagenwertes und der Sicherung der Werthaltigkeit des Eigentums. Mieter und Nutzer werden unterstützt durch besten Komfort und hohe Flexibilität bei gleichzeitig wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für ihre Nutzungs- und Produktionsumgebung. Die Dienstleister verfügen über qualifizierte Werkzeuge zum Bauen, Betreiben, Managen und Optimieren des Gebäudes bei transparenter Kostenverfolgung und stetigem Einhalten aller sicherheitsrelevanten Anforderungen.

Der Grad des Erfolges zu o.a. Zielen bzw. die Realisierung einer erfolgreichen Automatisierung einer Immobilie hängt allerdings enorm von der Weichenstellung bereits bei der Bedarfsplanung und der Projektentwicklung der neu- oder umzubauenden Immobilie ab. Werden die Planung und Umsetzung aller zu verwirklichenden Funktionen dem Architekten und den Fachplanern einzeln überlassen, entstehen kaum nachträglich verbindbare Insellösungen mit höheren Kosten, aber mageren Effekten. Durch eine gewerkeübergreifende Funktions- und Integrationsplanung in einem sehr frühen Stadium der Bedarfsplanung und der Projektentwicklung und der damit einhergehenden gewerkeübergreifenden weiteren Planung und Überwachung der Realisierung der Funktionen und der Gebäudeautomation lassen sich jedoch erst optimale Effek­te für zukunftsorientierte, transparente und wirtschaftliche Immo­bi­lien erreichen.

Dies zeigt im Folgenden mein Kollege Albert Holzhey am Bei­spiel zur Bedarfsplanung und Funktionsanalyse für die Raum­auto­mation auf.

Raumautomation – Anforderungen an zukunftsorientierte Sonderbauten

Bei der Planung neuer gewerblicher Sonderbauten wie z. B. Ver­wal­tungsgebäuden wird es bei der Projektentwicklung immer wichtiger, sich mit den aktuell und zukünftig zur Verfügung ste­henden Techniken der Raumautomation möglichst frühzeitig auseinanderzusetzen. Nur so lässt sich eine zukunftsorientierte und effiziente Energienutzung mit gleichzeitigem Wohlfühlklima für den Nutzer des neuen Arbeitsplatzes erreichen. In den letzten Jahren wurden gerade die intelligenten Systeme für Beschattung, Beleuchtung, Lüftung und Klimatisierung intensiv weiterentwickelt, sodass heute für die einzelnen Aufgaben jeweils sehr hochentwickelte Lösungen zur Verfügung stehen. Gerade die Kombination dieser Systeme ergibt jedoch gesamthaft betrachtet erst ein Höchstmaß an Energieeffizienz – auch unter Berücksichtigung der geplanten Investitionen. In der Umsetzung ist es erforderlich, sich umfangreich mit den Anforderungen der Architektur einerseits und andererseits mit der bestmöglich für das Objekt passenden Betriebstechnik auseinanderzusetzen.

Energieeffizienz

Es ist heute sicherlich das Bestreben eines jeden Bauherrn, mit seinen Planern und Beratern den in der Zukunft weiter steigenden Energiekosten wirtschaftlich betrachtet durch eine möglichst effektive Energieausnutzung entgegenzuwirken. Ausgehend von der DIN EN 15 232 „Energieeffizienz von Gebäuden Einfluss von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement“, welche u. a. verschiedenste Raumautomationsaufgaben in vier Energie­effizienz­klassen einteilt (Klasse A bis D), spiegelt die darin enthaltene Einteilung eine sehr gute Grundlage für die Analyse der einzusetzenden Raumautomationssysteme wider.

Um die Energieeffizienzklasse A bei der Energienutzung zu erreichen, ist es notwendig, intelligente Systeme mit System-​integration für eine bedarfsabhängige Raumautomation wie z. B. Tageslicht-geführte Beleuchtungsstärke, Sonnenstand- und Sonneneinstrahlung-geführte automatische Beschattungssysteme, Raumtemperatur-geführte Heiz- und Kühlsysteme, CO₂-geführte Lüftungssysteme etc. einzusetzen. Wobei alle Systeme sowohl belegungsab­hängig geschaltet als auch zeitplan- und wettervorhersagenabhängig geregelt und dynamisch temperaturgeführt „Stand-by“ gesteuert werden. Diese komplexen Zusammenhänge lassen sich in der Realisierungsphase nur umsetzen, wenn Analysen zur Betriebsweise des neuen Gebäudes in der Projektentwicklung erfolgen und die dafür notwendigen Entscheidungen für die Systemauswahl mit den gewerketrennenden Schnittstellen zwischen Architektur, Fassadentechnik und der TGA getroffen werden. Dies erfordert, dass sich die systembildenden Spezialisten in der Projektentwicklungsphase koordinieren und dabei die Belange und Zwänge der jeweils beteiligten Fachdisziplinen unter­einander verstehen und in der festzulegenden Systemintegration der Raumautomation berücksichtigen.

Grundlagen Raumautomation

Der physikalische und funktionale Aufbau der Raumautomation folgt dabei der Richtlinie VDI 3813 – „Raumautomation“. Teil 1 beschreibt die Grundlagen der Raumautomation und Teil 2 die Funktionen der Raumautoma­tion. Das Raumautomationssys­tem wird als Schalenmodell abgebildet, das als kleinste Zelle ein Segment beschreibt und darauf aufbauend über Raum, Bereich, Gebäude und Liegenschaft die Struktur des Systems darstellt (Bild 1). Mithilfe dieses Schalenmodells wird die Beschreibung einer flexiblen Raumautomation möglich, indem keine festen Grenzen der Raum bildenden Wände und Abtrennungen mehr bestehen, sondern kleinstmögliche, funktional eigenständige „Seg­mente“ vorhanden sind. Diese können durch funktionale Ver­knüpfungen innerhalb des Raumautomationssystems zu beliebigen Raumgrößen verbun­den werden (Bilder 2 und 3). Innerhalb eines Segments (in der Praxis als Achsflexibilität bezeichnet) sind alle Sensoren und Aktoren mit bestimmten Funktionen zu einer Funktions­ein­heit zu verbinden, die für Be­leuchtung, Verschattung, Lüftung sowie Heizung/Kühlung und ggf. weitere Funktionen zu­ständig ist.

Systemauslegung Raumautomation

In Anbetracht kleinstmöglicher funktionaler Einheiten darf es keine eigenständigen Systeme mit der jeweilig abgegrenzten Planungsverantwortung mehr geben, z. B. für Verschattung/Jalousiesteuerung durch Architektur/Fassade, für Beleuchtung durch Elektroplaner sowie für Lüftung/Heizung/Kühlung durch Klimaplaner. Vielmehr ist die Sys­temintegration durch einen Spezialisten für die Raumautomation bereits in der Projektentwicklungsphase als Schlüsselposition zu definieren und über alle Fachbereiche hinweg sys­tem­festschreibend zu beglei­ten.

Zukunftsorientierte Raumautomationssysteme sind heute in der Lage, mit verschiedenen Bussystemen parallel unter Einbeziehung direkt verschalteter Sensoren und Aktoren zu kommunizieren. Dabei werden die spezifischen Funktionalitäten der einzelnen Bussysteme inte­griert und innerhalb eines „Segments“ so verknüpft, dass einzelne funktionale Einheiten entstehen. Dadurch ist es möglich, dezentrale Funktionalitäten von standardisierten Feldbussystemen in zentralen „Intelligenzen“ wie z. B. Bereichs- oder Raumautomationscontrollern zu verarbeiten und hierin funktional zusammenzuführen. Innerhalb eines Bereiches sollte mindestens ein Automationscontroller zum Einsatz kommen, der alle Segmente über Raumgrenzen hinweg jeweils steuer- und re­ge­lungstechnisch einzeln verarbeiten kann. Für die weitere Betrachtung wird dieser als „Bereichscontrol­ler“ bezeichnet. Als autonome Funktionseinheit verwaltet er eigenständig alle ihm zugewiesenen Funktionen steuer- und rege­lungs­technisch, sodass bei Ausfall eines Automationscontrollers nur der entsprechende Bereich betroffen ist.

Beleuchtung

Beispielhaft wird hier auf den standardisierten DALI-Bus (Digital Addressable Lighting Interface) für Beleuchtungssteuerung verwiesen. Bei dieser Technik läuft parallel zur Stromversorgung im Kabel die Buskommunikation über separate Adern. Sie überträgt sowohl die Steuerbefehle zum Schalten als auch Stellbefehle für das Dimmen sowie Betriebs- als auch Störmeldungen bei Ausfall der Leuchtmittel. Innerhalb eines „Bussegments“ (hier nicht zu verwechseln mit dem funktionalen Segment der Raumautomation; es sollte/muss diesem aber gleichgeschaltet sein) lassen sich maximal 64 Teilnehmer anschließen. Die Leuchten können funktional nur über so genannte Gruppenschaltbefehle geschaltet werden, was meist zu einer Reduzierung der Bussegment-Teilnehmer im praktischen Einsatz führt. Also muss eine übergeordnete „Intelligenz“ als Bereichscontroller das funktionale Zusammenführen der einzelnen Lampen übernehmen.

Verschattung

Für die Jalousiesteuerung gibt es heute auch ein standardisiertes Bussystem (Standard Motor Interface – SMI-Technik). Es funktio­niert ähnlich wie das der Beleuchtung. Über separate Adern im elektrischen Anschlusskabel werden auch hier die entsprechenden Steuer- und Stellfunktionen sowie Betriebs- und Störmeldungen per Buskommunikation übertragen. Innerhalb eines „Bussegments“ können maximal 16 Teilnehmer angeschlossen und über sog. Grup­pen­schaltbefehle angesteuert werden. Eine übergeordnete „Intelli­genz“ für die Zusammenschaltung der einzelnen Jalousie­motoren über SMI-Businterface-Koppelbausteine ist ebenso erforderlich.

Zur Jalousiesteuerung existieren am Markt weitere Bussysteme wie z. B. LON oder EIB/KNX. Sie lassen sich ebenfalls über entsprechende Buskoppelungen in das Raumautomationssystem integrieren. Wichtig ist, dass die zentrale Intelligenz der Segmentstruktur für die kleinstmögliche funktionale Einheit nach VDI 3813 eingehalten wird, auch im Hinblick auf einen Ausfall eines Bussystems (da LON als auch EIB/KNX in der Automationstechnik standardmäßig für größere Busausdehnungen Verwendung finden). Je kleinteiliger jedoch eine Segmentierung vorgenommen wird, desto kleiner sind auch die Flächen, die von einer Störung bzw. einem Ausfall betroffen sind. Dies ist bei der Projektierung bzw. Systemfestlegung entscheidend mitzubetrachten und zu berücksichtigen.

Der Entwicklungsgedanke bei den Bussystemen LON und EIB/KNX basiert auf einer Punkt-zu-Punkt-Kommunikation. Somit sind alle „Teilintelligenzen“ bei den jeweiligen Sensoren bzw. Aktoren verteilt im System vorhanden. Wenn nun eine „Teilintelligenz“ als eigenständiger „Bereichscontroller“ ausgebildet wird, ist mit diesen Bussystemen eine Funktionalität nach VDI 3813 möglich. Dann erfolgt die Kommunikation nicht mehr direkt zwischen den Sensoren und Aktoren via Punkt zu Punkt, sondern jeweils immer über einen zwischengeschalteten „Bereichscontroller“ als Teilnehmer im LON- bzw. EIB/KNX-Netzwerk.

Heizung/Kühlung

Für die Heizung und Kühlung von Räumen/Flächen ist nach VDI 3813 die Aufteilung der Aktoren auf die kleinstmögliche funktionale Einheit zu berücksichtigen. D.h., die Stellorgane wie Ventile für Heizung und Kühlung sind jeweils segmentbezogen vorzusehen, unabhängig von den geplanten Systemen (Ra­dia­toren, Kühldecken, Heiz-/Kühldecken, Umluftgeräten mit Heiz-/Kühlfunktion etc.). Für die Aufschaltung der Stellorgane bieten die Hersteller alternativ zusätzlich zur standardisierten Verschaltung über analoge Ein- und Ausgänge proprietäre Feldbussysteme. Damit die Feldbussysteme den zuständigen „Bereichscontroller“ im Bereich nicht stören, dürfen sie nicht über weite Flächen wie z. B. stockwerksbezogen zugeordnet werden. Ggf. vorzusehende Taupunkt-Sensoren folgen dem Prinzip der Segmentierung nach VDI 3813.

Mechanische Lüftung

Bei einer mechanischen Lüftung für die zu versorgenden Flächen kommt entweder nach VDI 3813 eine segmentbezogene Steuer- bzw. Regelbarkeit oder eine stockwerksbezogene Grundlüftung in Betracht. Für eine segmentbezogene Steuer- bzw. Regelbarkeit auch nur für Teilbereiche wie Besprechungsräume etc. müssen die Stellorgane wie Volumenstromregler (VSR- bzw. VVS-Boxen) entsprechend dem Konzept für Heizung und Kühlung an den zuständigen „Bereichscontroller“ angeschlossen werden. Gegebenenfalls vorzusehende CO₂-Sensoren folgen dem Prinzip der Segmentierung nach VDI 3813.

Fensterlüftung

Wird eine mechanische Fens­ter­lüftung im Konzept für das Objekt vorgesehen, so sind mindestens die Zustände der einzelnen Fenster wiederum segmentbezogen nach VDI 3813 auf die einzusetzende Raumautomation aufzuschalten. Gleiches gilt für Fensterlüftung mittels motorischer Antriebe. Nur so kann während des Betriebs der Zu­stand des „Lüftungsflügels“ im Regelkonzept für die mechanische Lüftung, Heizung und Kühlung unter Aspekten der Ener­gieeffizienz berücksichtigt werden.

Raumbedienung

Die Mensch-Maschine-Kommunikation des Nutzers mittels Raumbedienelementen lässt sich über direkte Verschaltung mit digitalen und analogen Ein- und Ausgängen des „Bereichs­controllers“, über Kabel-gebundene Bussysteme (wie oben beschrieben) oder auch über Funk realisieren. Letztere Technik benötigt keine Kabelverbin­dung zu den Sensoren bzw. Be­dien­elementen, sondern nur einen Empfänger mit Antenne am „Bereichscontroller“. Dieser löst die Bedienfunktionen über die zugeordneten Senso­ren aus. Dafür eignet sich die batterielose Funktechnik (EnOcean-Technik). Sie nutzt die Sendeenergie, die aus der Bewegung des Tasters durch den Nutzer erzeugt wird für die Datenübertragung. Dadurch wird ein Batteriewechsel überflüssig, so dass diese Technik immer einsatzbereit ist. Die batterielose Funktechnik ist heute so weit standardi­siert, dass bereits mehr als 100 industrielle Hersteller diese patentierte Technik anbieten und sie somit in sehr vielen Standard-Schalterprogrammen der Elektroindustrie erhältlich ist. Die Bediengeräte lassen sich durch Kleben leicht befesti­gen und so auch problemlos an Glas­trennwänden installieren.

Funktionale Verbindung zu Anlagen der Technik­zentralen

Aus Gründen der Energieeffizienz ist es erforderlich, dass alle „Bereichscontroller“ im Ob­jekt, die die Nutzung der Energieströme (Heiz- und Kühlwas­ser, mechanische Lüftung, globale Sonnen­einstrahlung) steuer- und regelungstechnisch verwalten, auch datentechnische Verbindung zu den entsprechenden Vorregel- und Verteilsystemen haben. Diese Kommunikationswege innerhalb der Automationsebene (siehe VDI 3814, Aufteilung der Funktionsebenen – Managementebene, Automationsebene, Feldebene) übertragen die Anforderungen für Energieerzeugung und Bereitstellung aus der Raumautomation den entsprechenden Automationscontrollern in den Technikzentralen und führen sie bei den Versorgungsanlagen aus. In der Praxis finden hierfür die gleichen Bussysteme wie zur übergeordneten Leittechnik Verwendung.

Übergeordnete Leittechnik/Managementebene

Für die übergeordnete Kommunikation von Raumautomationssys­temen zur Gebäudeleittechnik der Managementebene können die oben beschriebenen LON- bzw. EIB/KNX-Bussysteme in ihrer proprietären Spezifikation ebenso zur Anwendung kommen wie die standardisierte Ethernet-Technologie nach IEEE 802. Sie wird heute praktisch überall in der LAN/WAN-Kommuni­ka­tion integriert wie z. B. bei der Büro­kommunikation in MS- Win­dows-Anwendungen, Internettechnologie über TCP/IP, Voice-over-IP-Anwendungen in der Telekommunikation. Sie findet sich auch in  spezifischen Netzwerkprotokollen der Automatisierungstechnik, die über Ethernet-IP-Technik übertragen werden wieder (BACnet/IP, LON over IP, EIBnet/IP, KNX/IP, Modbus over IP, Profinet/IP etc.). Die Ethernet-Technologie bringt viele Vorteile mit sich: Standardisierte passive Komponenten wie Netzwerkkabel in Kupfer-CU und als Lichtwellenleiter LWL sowie auch aktive Komponenten wie LAN-Switche und Netzwerk-Server können eingesetzt werden. Inwieweit welche Technologie der Buskommunikation für die Raumautomation selbst oder für die Verbindung zu übergeordneten Systemen wie Gebäudeleittechnik bzw. zu einem CAFM-System (Computer-Aided Facility Management) zum Einsatz kommt, ist für jedes Objekt und dessen Betriebsführung eigenständig zu betrachten und festzulegen.

Aufbau einer Raumautomation in Praxisbeispielen

Um funktionale Vorgaben aus der Planung in eine physikalisch installierte Anlagentechnik umzusetzen, benötigt ein Planer oder Systemintegrator umfangreiche Erfahrung aus realisierten Projekten, wie die nachfolgenden Beispiele zeigen. Dabei sind die grundsätzlichen erforderlichen Funktionen der Raumautomation festzulegen und die entsprechenden Schnittstellen zwischen den einzelnen Gewerken zu fixieren (Bild 4).

Die Umsetzung der Funktio­nen in eine räumliche Anordnung der Komponenten ist mit allen am Projekt Beteiligten abzustimmen und festzulegen (Bild 5). Der Grundriss des zu pla­nen­den Gebäudes ist nach VDI 3813 in Segmente S, Räume R und Bereiche B aufzuteilen. Im fol­genden Beispiel wurde eine Zwei-Achs-Teilung für die Seg­men­tierung vorgegeben, sodass als kleinste Einheit ein Büro mit zwei Achsen entsteht und daraus folgend ein Vielfaches für größere Büros, wenn darauf verzichtet wird Wände zu stellen (Bild 6). Die flexible Nutzung muss vom Raumautomationssystem so beherrscht werden, dass nur durch eine softwareseitige Anpassung die Raumgrößen flexibel verändert werden können, dies auch über die Bereichsgrenzen hinweg. Innerhalb dieses gewählten Bereiches sind alle elektrisch anzuschließenden Komponenten, die steuer- und regelungstechnisch relevant sind, einzubeziehen (Bild 7).

Das „Herzstück“ der Raumautomation ist der Bereichscontroller, an dem alle Komponenten des Bereiches angeschlossen werden. Innerhalb der „Automationsbox“ – hier im Beispiel mit einem Montageort im Doppelboden – sind für die definierten Funktionen der Raumautomation alle analogen und binären Ein- und Ausgänge sowie alle Feldbusverbindungen exklusiv enthalten. Der Bereichscontroller als autarke Funktionseinheit vor Ort erfüllt auch bei Kommunikationsstörungen zum Gesamtsystem seine ihm zugeordneten Automationsaufgaben eigenständig. Für eine möglichst fehlerfreie und auch schnelle Montage vor Ort ist es wirkungsvoll, mindestens alle abgehenden Kabel als Systemsteckverbindungen mit entsprechend farblich und mechanisch kodierten Steckern fabrikseitig vormontiert auszustatten (Bild 8). Die Verbindungen zur Fassadentechnik sind in den folgenden Beispielen konzeptionell dargestellt. Die Schnittstellen mit den Kabelanschlüssen von der Fassadentechnik zur Raumautomation bis auf die Kontaktbelegung der Stecker/Buchsen sind verbindlich festzulegen, sodass jedes Gewerk für sich seine Leistung bis zur Übergabestelle selbstständig fertigstellen und 1:1 funktional prüfen kann, bevor eine gemeinsame Inbetriebnahme erfolgt (Bild 9).

Das nächste Beispiel zeigt den Anschluss der Fassadentechnik mittels im Fassadenprofil- integrierter Steckverbinder, einschließlich der Vorgabe der Kontaktbelegung. Bei der Montage ist darauf zu achten, dass Kabelenden, die aus dem Fassadenprofil heraushängen, vor Beschädigungen geschützt werden. Die einzelnen Steckbuchsen liefert der Hersteller elektrisch geprüft und mit einer Gummiabdeckung zum Schutz vor Verschmutzung. Erst im Zuge der Verkabelungsarbeiten der Raumautomation werden sie angeschlossen bzw. angesteckt (Bild 10). In den Bildern 11 und 12 sind die Installation des Bereichsverteilers und die Anschlusstechnik der Fassadentechnik eines realisierten Bauvorhabens zu sehen.

Fazit

Für optimale und zukunftsorientierte, vor allem auch für große und komplexe Sonderbauten empfehlen wir eine frühzeitige Funktionsberatung, die schon mit der Bedarfsplanung in der Projektentwicklung beginnt. Die hierfür entwickelten gewerkeübergreifenden Lösungen verbessern die Qualität während der Planung und in der Bauphase. Dadurch erübrigen sich unnötige Investitionen und Folgekosten, und es entstehen optimale Nutzungs- und Produktionsumgebungen für Mieter und Nutzer. Für den Eigentümer wiederum erhöht sich die Bauqualität, das Baurisiko vermindert sich. Ein so durchdachtes Gebäude vereinfacht die Mieterfindung und -bindung und trägt damit zu einer kontinuierlichen Rendite und guten Wertsicherung des immobilen Anlagengutes bei.