Integrierte Fassadensysteme

Bedeutung der Fassadenautomation

In der derzeitigen Planungspraxis werden die gebäudetechnischen Teilfunktionen, wie Heizen, Kühlen, Lüften, Beleuchten sowie den Sonnen- und Blendschutz, die Fassadensysteme über­nehmen, üblicherweise separat von verschie­denen Betei­ligten (Fassa­den-, Lüftungs-, Hei­zungs-, Elektro-, MSR-Planer) ge­plant und ausgeführt.

Dies führt dazu, dass die Gewerke in der Regel nur suboptimal aufeinander abgestimmt sind und damit technische und organisa­to­rische Schnittstellenprobleme im derzeitigen Planungs- und Aus­führungsablauf eines Bauvorhabens auftreten können. Darüber hinaus gibt es für integrierte Fassadensysteme noch keine standardisierten Automatisierungskonzepte und -funktio­nen, wie dies in der klassischen Gebäudeautomation der Fall ist (z. B. standardisiere Automationsschemata für Lüftungs- und Kli­ma­anlagen oder Heizungsanlagen).

Basierend auf dem gegebenen Wissensstand und dem aktuel­len Stand der Technik lagen die wesentlichen Schwerpunkte der Untersuchungen in folgenden Themenbereichen:

Entwicklung einer Automationsbibliothek für die Fassaden­automation auf Basis der bereits für die Raumautomation bestehenden Funktionsbeschreibung gemäß VDI 3813 [3].

Energieeffiziente Fassadenautomation durch optimierte Gewerke übergreifende Funktionalität und Berücksichtigung der Anlagenparameter über Kennlinien basierte Regelung.

standardisierter Entwurf einer Planungsmethodik und Aufbau einer Systematik des Planungsprozesses auf Grundlage der bestehenden Normen und Richtlinien.

Entwicklung von verbesserten Ansätzen für höherwertige Regelungsstrategien unter Berücksichtigung von Behaglichkeitskriterien am Beispiel der Fassadenautomation.

In allen Themenbereichen geht es grundlegend um eine bedarfs- und nutzergerechte sowie energieeffiziente Umsetzung der Ein­zel­funktionen (Heizen, Kühlen, Lüften, Beleuchten, …) so­wie um die Einbindung des Fassadensystems als Teilsystem in die Gebäudetechnik.

Aufbau des Fassadenteststands der Hochschule Biberach

Das FuE-Projekt beinhaltet hierbei Vorgehensweisen und Strukturen der Fassadenautomation am Beispiel eines exemplarischen Fassadenelementes des industriellen Projektpartners Wicona Hydro Building Systems GmbH Ulm, welches um einen Testraum ergänzt wurde.

In Bild 1 ist der Aufbau des Fassadenelements aus einer hinterlüfteten doppelschaligen Verglasung und einem dezentralen Lüftungsgerät dargestellt. Neben den Funktionen Lüften, Heizen und Kühlen durch das dezentrale Lüftungsgerät beinhaltet das Fassadenelement zudem die Funktionen Sonnenschutz und Lichtlenkung. Zum Außenraum hin sind dem Lüftungselement PV-Paneele zur Deckung des Eigenbedarfs vorgelagert. Raumseitig schließt das Lüftungsgerät über eine Holzblende mit schlitzförmigen Öffnungen der Zu- und Abluft an den Raum an.

Der Fassadenteststand (Bild 2) wurde in einer Laborhalle der Hochschule Biberach aufgebaut, so dass mit dem Öffnen der Tore die Testfassade an den Außenraum angrenzt und ebenfalls Untersuchungen der natürlichen Lüftung erfolgen können.

Zur Versorgung des Heiz-/Kühlregisters des Lüftungsgerätes sowie der thermisch regulierbaren Fußboden- und Wandflächen wurde der Fassadenteststand mit einer aufwendigen hydraulischen Kälte- und Wärmeverteilung (Bilder 3 und 4) ausgestattet. Dabei ermöglicht die Automatisierung der Energieerzeugung und -verteilung sowie die Informationsverknüpfung über einen eigenen Buskoppler die Erstellung und Untersuchung unterschiedlicher Szenarien (z. B. Eckraum, ergänzende Fußbodenheizung).

Für die Automatisierungsstruktur des Fassadenteststandes (Bild 5) bedeutet dies, dass eine übergeordnete frei programmier­bare Automationsstation die gesamten Daten der Hydraulik sowie der eigentlichen Fassaden- und Raumautomation von der jeweiligen Unterstation mit Buskoppler gebündelt erfasst. In der Feldebene erfolgt die Steuerung und Kommunikation der Sensoren und Akto­ren über analoge Signale, Buskommunikation und batterielose Funktechnologie.

Untersuchungen der Planungsmethodik

Um den steigenden Anforderungen an die Fassadenautomation gerecht zu werden, wurde zum einen eine Bibliothek für die Fas­sadenautomation auf Grundlage der Funktionsbeschreibung nach VDI 3813-2 [4] entwickelt, sodass anerkannte Richtlinien der Raumautomation zur er­wei­ter­ten Anwendung in der Fas­sa­den­automation dienen.

Zum anderen realisiert die er­stellte standardisierte Pla­nungs­methodik eine Be­schrei­bungs­methodik des sys­te­ma­tischen und normierten Pla­nungsvorgangs in der Fassa­den­automation. Dabei wird ein Ablauf von der Funktionsdefinition nach GA-Effizienzklassen (DIN EN 15 232 [5]) im Lastenheft über die verbale Beschreibung der Funktionsabläufe im Pflichtenheft bis zur übergeordneten Darstellung der Automation in Funktionslisten und Automations­schemata (VDI 3813 [3] bzw. VDI 3814 [6]) beschrieben. Den Schluss der Abfolge bildet die Ausführung und Umsetzung der einzelnen Funktionen nach internationaler Norm IEC 61 131 [7]. In Bild 6 ist die beschriebene Planungsmethodik grafisch unterstützt anschaulich dargestellt.

Ansätze

für höherwertige Regelung

Die Identifikation von Anlagenparametern fördert eine optimierte Inbetriebnahme der Steuerung und Regelung. Dabei kann die Identifikation sowohl in Messun­gen zur Kennlinienbildung realer Anlagenparameter als auch in simulationsgestützten Untersuchungen durchgeführt werden. Die gewonnenen Er­geb­nisse lassen sich in der übergeordne­ten Raumregelung einsetzen. So kann anhand hinterlegter Kennlinienmodelle bei aktuellen Randbedingungen der zu erwartende Betriebszustand berechnet werden. Mit einer zusätzlichen Ergebnisbewertung bezüglich der Energieeffizienz und Be­hag­lichkeit der ermittelten Be­triebs­zustände ist es möglich zwischen mehreren Systemen eine optimierte Entscheidung zu treffen.

Die Berücksichtigung der Be­haglichkeit als Regelgröße ist mit dem Bestreben verbunden neben einem möglichst energie­effizienten Gebäudebetrieb die Zufriedenheit und Akzeptanz des Nutzers zu steigern und damit ebenfalls eine höhere Produkti­vität zu erreichen. Ausschlagge­bend ist dabei der Mensch als Nutzer und Maßstab der Behaglichkeitsthematik. So wird das Wahrnehmungsempfinden des Menschen nach P. Ole Fanger aus DIN EN ISO 7730 [8] als Grundlage für die Definition der thermischen Behaglichkeit herangezogen. Fanger definiert mit dem PMV-Wert (Predicted Mean Vote) die vorausgesagte mittlere Klimabeurteilung in Abhängigkeit von Bekleidung und Aktivität des Nutzers sowie der Lufttemperatur, Strahlungstemperatur, Luftgeschwindigkeit und relativen Luftfeuchtigkeit. Außerdem stellt Fanger eine Annahme zwischen der Klimabeurteilung und dem prozentualen Anteil unzufriedener Nutzer her, dem PPD-Wert (Predicted Percentage of Dissatisfied).

Im Rahmen detaillierter Auseinandersetzungen mit Möglichkeiten der vereinfachten Klimabeurteilung wurden in der Master Thesis „Behaglichkeit als Regelgröße“ [9] die Einflussgrößen der Behaglichkeit untersucht sowie eine Ermittlungsmethode auf Basis der Fuzzy-Logik entwickelt. Die vereinfachte Ermittlung der Klimabeurteilung beschränkt sich dabei auf leicht ermittelbare Einflussgrößen mit großer Auswirkung – dies sind Bekleidung, Aktivitätsgrad und empfundene Raumtemperatur. Die Größen Strahlungstemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit werden in diesem Ansatz dagegen vernachlässigt.

Ein möglicher Ansatz Behaglichkeitskriterien in Form der Klima­be­urteilung in der Fassaden- und Raumregelung zu berücksichti­gen liegt in der Ermittlung einer optimierten Sollwert-Vorgabe. Die bedarfsgeführte Sollwert-Vorgabe für Temperatur und Volumenstrom der Zuluft hat den Vorteil eine optimierte Regelung zu realisieren ohne in die Regelungs- und Steuerungsabläufe der Anlagentechnik direkt einzugreifen.

Zur Berücksichtigung sämtli­cher Einflusskriterien wurden die drei Module Energieniveau, Ent­scheidungskriterien und Lüftungsvarianten definiert. Bild 7 stellt hierbei die Auswirkung der Module in der Regelungsstruktur ver­einfacht dar.

Die detaillierte Bedeutung und Zusammenhänge der einzelnen Module sind in Bild 8 veranschaulicht und sollen im Folgenden näher erläutert werden. Die Abbildung zeigt neben den drei Mo­dulen auf der linken Seite eine exemplarische Auflis­tung relevanter Eingangsgrößen, die sowohl auf die Module wirken als auch direkt in die Sollwert-Ermittlung eingehen. Die Sollwert-Er­mittlung von Zuluft-Volumenstrom und Zuluft-Temperatur nehmen konkret Bezug auf die Auslegung des hier betrachteten dezentralen Lüftungsgeräts.

Mit dem Menschen als Indikator der Behaglichkeit ist ihre Berücksichtigung lediglich während der Anwesenheit von Nutzern notwendig. Denn Behaglichkeit definiert sich erst über das menschliche Empfinden und wird durch dieses in seiner Bedeutung relevant.

In Bezug auf die Regelstrategie trifft dies auf Anwendungen im Energieniveau „Comfort“ (Komfortniveau) zu. Weitere im Forschungsvorhaben definierte Energieniveaus liegen außerhalb des Nutzungszeitraums und können damit die energieeffiziente Nutzung gegenüber den Behaglichkeitsanforderungen höher einstufen. Die unterschiedlichen Energie­niveaus werden wie folgt definiert:

„Comfort“ – Komfortniveau: im belegten Raum liegen Tem­pera­tur und Luftqualität im behaglichen Bereich vor.

„Pre Comfort“ – Bereitschaftsniveau: Energiesparender Zustand eines unbelegten Raumes, der bei Präsenzmeldung schnell das Komfortniveau erreichen kann.

„Economy“ – Absenkniveau: Energiesparender Zustand eines über einen längeren Zeitraum unbelegten Raumes (z. B. nachts).

„Protection“ – Gebäudeschutzniveau: Raumzustand, der mit minimalem Energieaufwand eine Beschädigungsfreiheit der Bausubstanz und der technischen Anlagen gewährleistet.

Die Wahl des Energieniveaus erfolgt entsprechend der Abfrage von Zeit, Präsenz und individueller Beeinflussung. Den Energie­niveaus sind jeweils Grenzwerte der Klimaauslegung und eine Gewichtung der Entscheidungskriterien hinterlegt. Dem Nutzer wird jedoch durch die Option „Individuelle Beeinflussung“ eine Eingriffsmöglichkeit in die Gewichtung der Entscheidungskriterien geboten.

Als Entscheidungskriterien werden Energieeffizienz, thermische Behaglichkeit und hygienische Behaglichkeit definiert. Dabei wird die thermische Behaglichkeit über den PMV-Wert und das Zugluftrisiko („draught risk“ DR), die wesentlichen Einflusskriterien des Behaglichkeitsempfindens, beschrieben. Die hygienische Behaglichkeit definiert sich anhand der CO₂-Konzentration der Raumluft. Zur Bewertung der Energieeffizienz werden Eingriffe des Nutzers in das energetisch optimal ausgelegte System und mit dem Eingriff verbundene Abweichungen einer energieeffizienten Regelung beurteilt. Nutzereingriff, PMV-Wert, DR und CO₂-Konzentration werden kontinuierlich ermittelt und beeinflussen in Abhängigkeit ihrer Gewichtung die Sollwert-Ermittlung.

Das Modul Lüftungsvarianten beinhaltet Konzepte der natürli­chen, mechanischen und Hybrid-Lüftung. Dabei sind technische Möglichkeiten der Lüftungskonzepte und thermische Rahmenbedingungen ausschlaggebend für die Wahl der jeweiligen Variante und die Auslegung von Volumenstrom und Temperatur der Zuluft. Bei der Auswahl ist unter anderem zu berücksichtigen, dass die natürliche Lüftung neben einem geringen energetischen Aufwand ebenfalls von diversen Einflüssen des Außenklimas abhängt und  damit in der Auslegung stets ein Sicherheitsfaktor zu berücksichtigen ist. In erster Linie dient der Lüftungsvorgang dem Luftaustausch und kann darüber hinaus eine zusätzliche Temperierung der Raumluft bei mechanischer Lüftung realisieren. Außerdem bietet die natürliche Lüftung bei einer Außenlufttemperatur kleiner der Raumlufttemperatur und Kühlbedarf Potential zur natürlichen Kühlung der Raumluft und Speicherflächen.

Die bisher entwickelten Ansätze werden im Rahmen anderer FuE-Projekte weiter verfolgt, um die Komplexität der Fassadenautomation in der Umsetzung zu fassen sowie die Nutzerwahrnehmung und die Bedeutung der Schnittstelle Mensch-Maschine zu ergründen und optimierte Lösungswege zu bieten.

Fazit

Die steigende Bedeutung der Fassade erfordert Lösungsansätze im Umgang mit der Komplexität integrierter Fassadensysteme sowie den Automationsanforderungen Gewerke übergreifender Funktionen. Hierbei bilden eine standardisierte Planungsmethodik und eine Automationsbibliothek die Grundlage für die Auslegung der Fassadenautomation als Teil des ganzen Gebäudesystems, unter Berücksichtigung von Energieeffizienz und Behaglichkeitsaspekten.

Literatur
[1]          Becker, M., Koenigsdorff, R., Hasert, A., Hudjetz, S., Knoll, P., Köberle, T., Scherer, H.,: Abschlussbericht: AUTiFAS- Automatisierung innovativer Fassadensysteme mit integrierter technischer Gebäudeausrüstung unter Berücksichtigung von Behaglichkeitsaspekten, Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung, September 2012, Institut für Gebäude- und Energiesysteme, Hochschule Biberach
[2]          Hasert, A., Becker, M.: Deutsche Kälte-Klima-Tagung 2012 Würzburg, „Automatisierung innovativer Fassadensysteme mit integrierter technischer Gebäudeausrüstung unter Berücksichtigung von Behaglichkeitsaspekten“, Deutscher kälte- und Klimatechnischer e.V., 2013, ISBN-Nr. 987-3-932715-48-8, 10 Seiten, November 2011, Würzburg
[3]                    VDI 3813-1: Gebäudeautomation (GA) – Grundlagen der Raumautomation; Berlin, Beuth-Verlag; Mai 2011
[4]          VDI 3813-2: Gebäudeautomation (GA) – Raumautomationsfunktionen (RA-Funktionen); Berlin, Beuth-Verlag; Mai 2011
[5]          DIN EN 15232: Energieeffizienz von Gebäuden – Einfluss von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement, Berlin, Beuth-Verlag, September 2012
[6]          VDI 3814-1: Gebäudeautomation (GA) – Systemgrundlagen, Berlin, Beuth-Verlag, November 2011
[7]          IEC 61131: Speicherprogrammierbare Steuerungen; Berlin, Beuth-Verlag; Dezember 2009
[8]          DIN EN ISO 7730: Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit; Berlin, Beuth-Verlag; Mai 2006
[9]          Hasert, A.: Behaglichkeit als Regelgröße – Erweiterung eines Raummodells zur Berücksichtigung der Behaglichkeit als Regelgröße und Analyse der Regelungsoptimierung durch Simulationsstudien, Master Thesis, November 2011, Hochschule Biberach