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Eidesstattliche Erklärung

Hiermit versichere ich, dass ich diese Diplomarbeit eigenständig verfasst habe. Verwendete Auszüge und sinngemäÿ übernommene Inhalte anderer Texte sind mit einer Quellenangabe gekennzeichnet.

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Chr. Eder (96599)

Zusammenfassung

An der Hochschule zu Bremen werden zwei Vorlesungsräume auf ihren Heizwärmeverbrauch hin verglichen. Einer der Räume ist mit einer KNX/EIB Einzelraumregelung ausgestattet. Ziel dieser Diplomarbeit ist, die Einzelraumregelung so zu programmieren,

◦ C nur dann hat, wenn er belegt ist. dass der Raum die gewünschten 21

Für die Programmierung der Einzelraumregelung wird die Software Elvis der IT GmbH benutzt, die direkt mit den KNX/EIB-Komponenten kommunizieren kann. Mit Hilfe des Simulationsprogrammes Matlab/Simulink wird ein bereits vorhandenes Modell dem Vorlesungsraum angepasst und die möglichen Einsparungen durch Simulationen abgeschätzt.

Bereits vor dieser Diplomarbeit wurde eine erhebliche Wärmemenge gegenüber dem anderen Raum eingespart. Dies wird anhand von Datenaufzeichnungen begründet. In Zukunft wird nach Umstellung auf Heizung nach Stundenplan ein weiterer Einspareekt von bis zu 98% erzielt werden.

Summary

The heat consumption of two seminar rooms at the University of applied sciences Bremen is compared. One of these rooms has KNX/EIB single room control equipment. The object of this thesis is to programm the single room control. The room should only be warm, when it is used.

There is dierent software used for this thesis. The rst one ist Elvis from IT GmbH which can communicate with the KNX/EIB-components. It is used to program the single room control. The other one is Matlab/Simulink. With Matlab/Simulink a existing modell is converted to the seminar room to evaluate the heat consumption in the future.

In the past a lot of heat energy was saved which is caused on data recording. In the future 98% of heat consumption could be saved after just using the heating when somebody is ín the room.

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung  5

2  EIB/KNX  6

2.1  Software  8

2.1.1  ETS2  8

2.1.1.1  Projektierung  8

2.1.1.2  Inbetriebnahme/Test  9

2.1.2  Elvis  11

2.1.2.1  Der Elvis-Prozessserver  11

2.1.2.2  Die Bedienstation  11

2.1.2.3  Die Projektierung  11

2.1.2.4  Anwendungsbeispiele  14

2.2  Hardware  17

2.2.1  Raumtemperaturregler  17

2.2.2  Präsenzmelder  18

2.2.3  EIBGW-MBus  19

3  Messung des Aufwärm- und Abkühlverhaltens  21

3.1  Temperaturverlauf vom 05.04.2006  21

3.2  Temperaturverlauf vom 07.-10.06.2006  22

3.3  Bestimmung der Aufwärmung  22

3.4  Bestimmung der Abkühlung  23

4  Modell und Simulation der Räume I120 und I122  24

4.1  Modell des Raumes I122  24

4.1.1  Eingangsgröÿen  25

4.1.2  Parameter des Modells  25

4.1.3  Submodellbeschreibung  26

4.1.3.1  Fensterlüftung  26

4.1.3.2  Fenster  27

4.1.3.3  Raumtemperaturregler  28

4.1.3.4  Wärmeströme durch Wände  29

4.1.3.5  Raumtemperaturknoten  30

4.1.4  Implementierung unter Matlab/Simulink  31

4.1.5  Verikation der Simulation  31

4.1.6  Simulationen mit dem Modell  37

4.1.6.1  Ermittlung des Sollwertes des Nacht-Betriebes  37

4.1.6.2  Ermittlung des Sollwertes des Frostschutzbetriebes  39

4.1.6.3  Abschätzung der Energieeinsparung  40

4.2  Modell beider Räume  43

4.2.1  Simulationen mit dem Modell  44

1

2

Optimierte  nutzungsabhängige Raumheizung durch Gebäudesystemtechnik  

5  Nutzungsabhängige Raumheizung  50

5.1  Nutzungsabhängige Raumheizung mit Elvis  50

5.1.1  Anforderungen  50

5.1.2  Programmierung  50

5.2  Einbau von Präsenzmeldern  56

6  Auswertung der aufgezeichneten Daten  58

7  Fazit und Ausblick  63

8  Quellen  65

A  Anhang  66

A.1  CD  66

A.2  Testprotokoll  67

A.3  Anzahl der Sonnenstunden im März und April 2006  68

A.4  Stundenpläne  69

A.4.1  WS 2005/06  69

A  4 2 SS 2006  69

Abbildungsverzeichnis

1 Zeitlicher Verlauf zwischen dem Low und High Signal des EIB . . . . . . . . 2 Module der ETS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Projektierung der ETS2 in der Gebäudeansicht . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4 Inbetriebnahme der ETS2 in der Gruppenansicht . . . . . . . . . . . . . . . 10 5 Inbetriebnahme der ETS2, Telegrammaufzeichnung . . . . . . . . . . . . . . 10 6 Projektexplorer der Elvis-Projektierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 7 Eigenschaften eines Kontrollelementes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 8 Ereignisverarbeitung der Seite Belegungsplan . . . . . . . . . . . . . . . . 12 9 Übersicht über die Datenpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 10 Setzen der Timer im Global Skript . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 11 Export nach Elvis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 12 Export nach Elvis - Bestimmung des Datenpunkttyps . . . . . . . . . . . . . 16 13 Siemens Raumtemperaturregler UP250 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 14 Präsenzmelder von Busch-Jäger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 15 EIB-Gateway-MBus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 16 EIB-Doktor - Parametrierung des EIBGW-MBus . . . . . . . . . . . . . . . 19 17 Temperaturverlauf vom 05.04.2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 18 Temperaturverlauf vom 07.-10.04.2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 19 Aufwärmphase vom 06.04.2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 20 Modell: I122 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 21 Submodell: Fensterlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 22 Submodell: Fenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 23 Submodell: Raumtemperaturregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 24 Submodell: Wärmeströme durch Wände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 25 Ersatzschaltbild einer Wand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 26 Submodell: Raumtemperaturknoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 27 Temperaturverlauf vom 07.-10.04.06 von der Simulation (l) und der Wirklichkeit (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 28 Temperaturverlauf in der Nacht 08.-09.04.06 von der Simulation (l) und der Wirklichkeit (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 29 Temperaturverlauf vom 05.04.06 von der Simulation (l) und der Wirklichkeit (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 30 Temperaturverlauf vom 05.04.06 (Abkühlphase) von der Simulation (l) und der Wirklichkeit (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 31 Temperaturverlauf vom 05.04.06 (Aufwärmphase) von der Simulation (l) und der Wirklichkeit (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 32 Temperaturverlauf vom 06.04.06 von der Simulation (l) und der Wirklichkeit (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

◦ C in den 33 Temperaturverlauf im März bei ausgeschalteter Heizung und 21 Nachbarräumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

◦ C in den 34 Temperaturverlauf im März bei ausgeschalteter Heizung und 18 Nachbarräumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

35 Temperaturverlauf (l) und verbrauchte Wärmemenge (r) mit Sollwert 16

◦ C in den Nachbarräumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 und 21

36 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge mit Sollwert 21

◦ C (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 16 37 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge mit Sollwert 21

◦ C (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 38 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge mit Sollwert 21

◦ C (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 16 39 Modell: I122_I120.mdl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 40 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge ohne Absenkung des Sollwertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 41 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge mit Absenkung des Sollwertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 42 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge ohne Absenkung des Sollwertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 43 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge mit Absenkung des Sollwertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 44 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge ohne Absenkung des Sollwertes in I122 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 45 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge mit Absenkung des Sollwertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 46 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge ohne Absenkung des Sollwertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 47 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge mit Absenkung des Sollwertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 48 Elvis-Bild: Belegungsplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 49 Elvis-Bild Kalender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 50 Ablaufdiagramm Teil 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 51 Ablaufdiagramm Teil 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 52 Ablaufdiagramm Teil 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 53 Ablaufdiagramm Teil 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 54 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge Mai 2006 . . . . . . . . . 59 55 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge Ende Dezember 2005 . . 59 56 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge bei geönetem Fenster in I122 am 16.01.2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 57 Temperaturverlauf und verbrauchte Wärmemenge bei geönetem Fenster in I123 am 22.03.2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 58 Temperaturverlauf des Reglers und der Vergleichswerte im Februar 2006 . . 62

1 Einleitung

Im Zentrum für Informatik und Medientechnologien (ZIMT) der Hochschule Bremen benden sich zwei in der Bauweise gleiche Seminarräume (I122 und I123), die auf ähnliche Weise genutzt werden. Die Seminarräume besitzen zwei getrennte Heizkreisläufe mit jeweils einem Zähler für die Heizwärmemenge. Einer der Räume (I122) ist mit KNX/EIB-Komponenten für eine Einzelraum-Heizungsregelung, der andere (I123) ist mit den üblichen Thermosstatventilen ausgestattet. Mit Hilfe der Gebäudesystemtechnik wird

◦ C geregelt. Wenn ein oder mehrere Fenster geönet sind, wird die

der Raum I122 auf 21 ◦ C heruntergesetzt. In den ersten drei Jahren wurde dadurch 50% Solltemperatur auf 18 weniger Energie benötigt als in Raum I123.

Nun sollen weitere Einsparungen dadurch erzielt werden, dass der Raum nur beheizt wird, wenn er auch belegt ist. Über eine Benutzeroberäche kann man den Stundenplan bzw. Sonderbelegungen eingeben, was eine zyklische Abfrage und somit eine Absenkung des Sollwertes der Regelung zur Folge hat.

Der Raum I122 ist mit einem Raumtemperaturregler, mehreren Temperatursensoren und Stellventilen für die Heizung ausgestattet. Die Temperatursensoren benden sich am Beamerhalter, 1,85m über dem Boden an der Wand zu I123 (mit Styropor abgedichtet) und 6cm über dem Boden an der Fensterwand. Die Werte der Sensoren und die verbrauchten Wärmemengen werden alle fünf Minuten erfasst und gesichert. Später wird noch ein Präsenzmelder installiert, der zusätzlich die bewegungsabhängige Raumheizung unterstützen soll.

Über ein Modell des Raumes I122 sollen nun mögliche Energieeinsparungen abgeschätzt werden. Fälschlicherweise ist auch der Heizkreislauf des Raumes I120 mit an den Wärmezähler von I122 angeschlossen worden. Durch Einbinden des Raumes I120 in das Modell soll auch hier abgeschätzt werden, wie sich die verbrauchte Wärmemenge auf beide Räume aufteilen läÿt.

2 EIB/KNX

Der European Installation Bus (EIB) wird von der internationalen European Installation Bus Association (EIBA) als weltweit standardisiertes System verbreitet und gefördert. Die EIBA wurde am 8. Mai 1990 als Zusammenschluss von 15 europäischen Herstellern der Branche Gebäudesystemtechnik gegründet und hat ihren Sitz in Brüssel. Seit 2002 hat man den Übergang zu einer weiteren Dachorganisation gestartet, der Konnex Association (KNX). Dazu haben sich die Organisationen EIBA, European Home System (EHS), BatiBUS und andere zusammengeschlossen, mit dem Ziel ein universelles Bussystem zu schaen. KNX/EIB ist heute der einzige Bus, der die EN 50090 Elektrische Systemtechnik für Heim und Gebäude (ESHG) erfüllt. [4] [11]

Der KNX/EIB ist eine Zweidrahtleitung, die zusätzlich auch die Funktion der Spannungs-versorgung für die Busteilnehmer übernimmt, was eine einfache Verdrahtung zum Vorteil hat.

An dem Bus liegt eine Spannung von 24V DC, die von einer Spannungversorgung gespeist wird, so dass auch bei Ausfall eines Teilnehmers die Spannung erhalten bleibt. Eine Spannung von 24V ergibt ein 1-Signal. Möchte ein Teilnehmer eine 0 senden, fällt die Spannung kurz ab. Eine Drossel im Teilnehmer überhöht darauf die Spannung. Nach 104µs ist die Spannung wieder auf 24V zurückgesetzt. Dieses ermöglicht eine Übertragungsrate von 9600 Baud. [11] [12]

Abbildung 1: Zeitlicher Verlauf zwischen dem Low und High Signal des EIB

Beim KNX/EIB gibt es keine zentrale CPU, die die Kommunikation verwaltet oder Berechnungen anstellt. Die Telegramme werden nach dem CSMA/CA-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidande) gesendet. Jeder Teilnehmer, der ein Telegramm senden möchte, horcht auf den Bus, ob gesendet wird. Wenn keiner sendet, beginnen alle Teilnehmer gleichzeitig mit der Übertragung ihres Telegrammes. Der Teilnehmer mit der höchsten Priorität setzt sich durch und sendet sein Telegramm. Danach wiederholt sich der Vorgang bis alle Teilnehmer gesendet haben. Wenn zwei Teilnehmer die gleiche Priorität haben, entscheidet die physikalische Adresse (s.u.) des Teilnehmers, wer Vorrang hat. Es setzt sich das Telegramm am Bus durch, welches die meisten Nullen am Anfang hat. [11]

Die Telegramme bestehen aus 96 bis zu 208 Zeichen. Das EIB-Telegramm ist wie folgt aufgebaut [13] [12]:

• Kontrollbyte (1 Byte), bestehend aus zwei Präambelbits (zwei Nullen), zwei Prioritätsbits, einem High-Bit, einem Wiederholungsbit und zwei weiteren festgelegten Bits (Null und Eins)

• Quelladresse (2 Byte), im ersten Byte der Bereich und die Linie, im zweiten Byte die Teilnehmernummer (s.u.)

• Zieladresse (2 Byte), im ersten Byte die Haupt- und Mittelgruppe, im zweiten Byte die Untergruppe (s.u.)

• Routingzähler und Länge der Daten (1 Byte), der Routingzähler verhindert, dass Telegramme durch eine fehlerhafte Verdrahtung im Kreis gesendet werden

• Daten (2-8 Bytes)

• Paritätsbyte (1 Byte)

• Pause (1 Byte)

• Empfangsbestätigung (1 Byte) des Empfängers

• Pause (1 Byte)

Damit unterschiedliche Geräte verschiedener Hersteller miteinander kommunizieren können, wurde der EIS (European Interworking Standard) entwickelt. Für verschiedene Verwendungen der Telegramme wurden Typen festgelegt.

Quelle: [11]

Jedem Teilnehmer wird eine physikalische Adresse zugeordnet. Dadurch kann der Teilnehmer genau identiziert werden. Die physikalische Adresse setzt sich aus dem Bereich (1-15), der Linie (1-15) und dem Teilnehmer (1-255) zusammen, z.B. 1.1.1 . Diese Anordnung ermöglicht auch eine leichtere Einteilung der Teilnehmer auf Räume im Gebäude und läÿt diese leichter wiedernden.

Die Gruppenadressen sind ebenfalls dreigeteilt. Es gibt Hauptgruppen (0-15), Mit- telgruppen (0-7) und Untergruppen (0-255), z.B. 0/0/255. In den Gruppen sind die

Kommunikationsobjekte der Teilnehmer verknüpft. Jeder Teilnehmer horcht auf die Gruppenadressen, mit denen die Kommunikationsobjekte verknüpft sind.

2.1 Software

Es wurde folgende Software verwendet:

2.1.1 ETS2

Für die Planung, Projektierung und Inbetriebnahme des EIB wird die Software ETS2 (V 1.3a) benutzt. Die ETS2 ist in verschiedene Module aufgeteilt:

Aus Gründen der Übersicht wird hier nur auf die wichtigsten Funktionen der Module Projektierung und Inbetriebnahme/Test eingegangen, die im Rahmen dieser Diplomarbeit verwendet wurden.

2.1.1.1 Projektierung Das ETS2-Modul Projektierung ermöglicht, ausgehend von

der Gebäudeplanung, die Festlegung der Projektstruktur, die Einstellung der Geräteparameter und die Festlegung der funktionalen Verknüpfungen zwischen den EIB-Geräten. [14]

Die Geräte werden den Bereichen und Linien zugeordnet und bekommen automatisch ihre physikalische Adresse. Anschlieÿend können die Gruppenadressen den Kommunikationsobjekten der Geräte zugewiesen werden.

Die Zuordnungen können in verschiedenen Ansichten (Bustopologie-, Gruppenadressen-, Geräte-, Gewerkeansicht) angezeigt werden. Diese Listen informieren über den Typ und die Parametrierung der Busgeräte und zeigen die funktionalen Beziehungen zwischen den Busgeräten innerhalb eines ganzen EIB-Systems. [14]

2.1.1.2 Inbetriebnahme/Test Das ETS2-Modul Inbetriebnahme/Test dient zur In-

betriebnahme einer EIB-Installation. Zunächst werden die Geräte mit ihren physikalischen Adressen programmiert, damit anschlieÿend die Gruppenzuordnungen und die Parameter der Geräte hochgeladen werden können. Auch hier gibt es die gleichen Ansichten wie bei der Projektierung zur Anzeige. [14]

Im Modul Inbetriebnahme/Test lassen sich für Tests die Telegramme aufzeichnen (Menü: Test > Telegramme), die über den EIB gesendet werden. Die Inhalte der Telegramme werden nach der Aufzeichnung übersichtlich dargestellt.

2.1.2 Elvis

Die Elvis-Software der IT-GmbH (Version 2.4) ist ein Visualisierungsprogramm für Gebäudesystemtechnik. Es kann direkt über die serielle Schnittstelle mit dem EIB kommunizieren. Elvis lässt sich in drei Hauptprogramme teilen:

• der Prozessserver

• die Bedienstation

• die Projektierung

Zusätzlich gibt es noch den Debugger und die Administrations-Konsole, auf die an dieser Stelle nicht genauer eingegangen wird.

2.1.2.1 Der Elvis-Prozessserver Der Prozessserver ist das Zentral-Modul von El-

vis. Er ist die Schnittstelle zum EIB, über den er ein Prozessabbild (aktuelle Werte des Prozesses) erstellt. In Programmen kann der Prozessserver die Daten des Prozesses weiterverarbeiten. Zusätzlich kann der Prozessserver Zeitprogramme ausführen, Aufzeichnungen erstellen und Meldungen absetzen. Die Daten stellt er dann der Bedienstation zur Verfügung und/oder speichert diese in einer Datenbank ab. [10]

2.1.2.2 Die Bedienstation Die Bedienstation ist die graphische Benutzeroberäche

(GUI) von Elvis. Es können der Anlagenzustand und seine Veränderungen angezeigt werden. [10]

2.1.2.3 Die Projektierung In der Projektierung wird die Visualisierung für die Be-

dienstation und die Funktionen des Prozessservers erstellt. Beim Starten der Projektierung önet sich der Projektexplorer.

Für die Bedienstation können sog. Seiten erstellt werden. Diese können miteinander verlinkt werden, so dass man mit einem Mausklick in eine andere Seite wechseln kann. Im Grakeditor werden die Seiten bearbeitet. Es können Kontrolelemente wie z.B. Textausgabebausteine, Button oder Diagramme eingefügt werden. Jedem Kontrollelement kann ein Datenpunkt (s.u.) zugeordnet werden. Das Kontrollelement zeigt dann den Zustand des Datenpunktes an (z.B. Temperaturwert) oder steuert diesen (z.B. Ein-/Ausschalten).

Über einen Rechtsklick auf die Seite gelangt man in die lokale Ereignisverarbeitung. Hier können Programme hinterlegt werden, die bei Ereignissen wie Önen und Schlieÿen der Seite ausgeführt werden. Des Weiteren werden hier Programme hinterlegt, die beim Klick auf ein Kontrollelement ausgeführt werden.