Energieverbrauchsreduzierung von Mehrfamilienhäusern. Konzeptionierung einer Klimatisierungs- und Heizungsanlage mit intelligenter Lüftungs- und Gebäudesteuerung

Inhaltsverzeichnis

ABSTRACT

INHALTSVERZEICHNIS

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

1 EINLEITUNG
1.1 Ziel dieser Arbeit
1.2 Aufbau dieser Arbeit

2 SYSTEMVERGLEICH
2.1 Grundlagen der Kommunikation
2.1.1 Datenübertragung
2.1.2 Datenverarbeitung
2.1.3 Störsicherheit
2.2 Fahrzeugsysteme
2.2.1 Kraftfahrzeuge
2.2.2 Schienenfahrzeuge

3 GEBÄUDESTEUERUNG
3.1 Energie
3.2 Grundschaltungen
3.2.1 UND-Schaltung
3.2.2 ODER-Schaltung
3.3 Manuelle Steuerung
3.3.1 Ausschaltung
3.3.2 Wechselschaltung
3.3.3 Kreuzschaltung
3.3.4 Berechnung von Schaltstellungen 223.4 Automatisierte Steuerungen
3.4.1 Teilautomatisierte Einzelsteuerung
3.4.2 Automatisierte Einzelsteuerung
3.4.3 Automatische Steuerung (verkabelt)
3.4.4 Automatische Steuerung (drahtlos)
3.5 Zusammenfassung

4 HERSTELLER VON GEBÄUDEAUTOMATION
4.1 Gebäudeautomation mit Somfy
4.1.1 Kostenaufstellung
4.1.2 Die Radio-Technologie von Somfy (RTS)
4.1.3 Das iO-Homecontrol
4.2 Gebäudeautomation mit Siemens
4.2.1 Kostenaufstellung
4.2.2 Aufbau der LOGO!-Steuerung
4.2.3 Aufbau der S7-300-Steuerung

5 HEIZEN, KÜHLEN, LÜFTEN
5.1 Optimale Raumtemperatur
5.1.1 Wärme- und Kälteverlauf in einem Raum
5.1.2 Effiziente Beheizung und Kühlung eines Raumes
5.1.3 Klimaanlage
5.2 Heizen
5.2.1 Berechnung der Normheizleist
5.2.2 Brennstoffe für Wärmeerzeugungsanlagen
5.2.3 Heizkreisverteilung
5.2.4 Warmwasserbereitung
5.3 Kühlen
5.3.1 Kühllastberechnung
5.3.1 Grundlagen und Umweltverträglichkeit
5.3.2 Kältekreislauf
5.4 Lüften
5.4.1 Raumlufttechnikanlage
5.4.2 Anlagenaufbau
5.4.3 Hygiene in RLT-Anlagen 55V
5.5 Zusammenfassung

6 ENTWICKLUNG EINER ANLAGE
6.1 Anlagenbestandteile
6.1.1 Entwicklungsumgebung Gebäude
6.1.2 Entwicklungsumgebung Etage
6.2 Dimensionierung der Anlage
6.2.1 Berechnung der Normheizlast
6.2.2 Kühllastberechnung
6.2.3 Stromverbrauch in RLT-Anlagen
6.3 Anlagenkosten
6.4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

7 FAZIT

8 ANLAGEN ZUR BACHELORARBEIT
8.1 Anlage 1 : Steuerung und Energieversorgung
8.2 Anlage 2: Peripheriegeräte
8.3 Klimazonenkarte

9 ANHANG

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Definitionsverzeichnis

Formelverzeichnis

Literaturverzeichnis

Danksagung

Erklärung an Eidesstatt

Abstract

Die vorliegende Bachelorarbeit behandelt die Themen der grundlegenden Gebäudetechnik sowie deren Steuerungsmöglichkeiten. Im Anschluss wird das Gesamtkonzept eines Gebäudes entworfen. Die Bachelorarbeit beruht auf einer Literaturauswertung und beinhaltet eine Beispielmessung verschiedener Heizungssteuerungen. Diese Arbeit eignet sich besonders für Personen, die sich in die Gebäudesteuerung einarbeiten wollen und eventuell vor der Kaufentscheidung stehen, eine vollständige Automation oder eine Teilautomation in ein Haus oder eine Wohnung einzubauen, aber auch für diejenigen, die bereits eine Gebäudeautomation besitzen und sich mit deren Funktionen auseinandersetzen möchten. Das Interessensumfeld kann privater bis beruflicher Natur sein sein. Diese Arbeit kann jedoch eine individuelle Beratung durch einen Fachmann nicht ersetzen und darf vor allem nicht als Anleitung fungieren. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit Vergleichen anderer Branchen wie der Kraftfahrzeug- und Schienenfahrzeugtechnik in Verbindung mit verschiedenen Gebäudesteuerungen. Darunter sind auch die beiden wichtigen Hauptschaltungen in der Elektrotechnik vertreten. Einige Hersteller von Gebäudeautomation mit Ausführungsarten wie Funk- und Kabelgebunden werden mit Kostenkalkulation vorgestellt. Im zweiten Teil werden die Funktionen Heizen, Kühlen und Lüften in einzelnen Anlagenteilen beschrieben. Einige zugehörige Regeln der Technik sowie Berechnungsmethoden wie Heizlast und Kühllast werden mit Beispielen erläutert. Daraufhin wird ein konkretes Objekt beschrieben, mit dem eine durchschnittliche Berechnung nach Normwerten durchgeführt wird. Ein praktisches Beispiel von Temperaturverläufen innerhalb eines Raumes zwischen manueller und automatischer Heizungssteuerung wird grafisch anhand von realen Messwerten dargestellt. Die Messung zeigt einen geradlinigen Temperaturverlauf des Raumes auf und lässt so den Schluss auf Kosteneinsparung zu. Die Berechnung aus dem Beispiel führt zur Empfehlung von Investitionen in automatische Anlagen, da sich durch intelligente Verknüpfung und Steuerung verschiedener Anlagen Betriebskosten senken lassen. Für die Gesamtheit der Bewohner ist festzustellen, dass durch die Investition des Eigentümers ein immer gleichbleibendes Wohnklima bei geringer Kostenbelastung entsteht. Für den Eigentümer zeigt sich, dass sich die Anlage nach einigen Betriebsjahren amortisiert hat und gewinnbringend auf die Kosten auswirkt.

Bild auf der Titelseite:^[1]

Abbildung 1: Logo der Wilhelm Büchner Hochschule (für dieser Veröffentlichung entfernt)

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die vorliegende Arbeit hat das Heizen und Kühlen eines Gebäudes zur Effizienzsteigerung in Verbindung mit künstlicher Intelligenz zum Gegenstand. Dieses Thema reizt mich persönlich sehr, da ich zu Hause am liebsten alles - das Licht, die Heizung, die Rollläden - automatisieren möchte. Hierzu gibt es den Begriff Smart Home. Er beschreibt ein vernetztes Gebäude, das automatisiert Aktionen wie das Bedienen von Rollladen oder Licht in Abhängigkeit von Sensorik und Software durchführt. Dabei stellt sich die Frage: Warum kann künstliche Intelligenz nicht zur Energieeinsparung beitragen?

Definition 1: Smart Home

Der Begriff „Smart Home“ zielt auf das informations- und sensortechnisch aufgerüstete, in sich selbst und nach außen hin vernetzte Zuhause. Verwandte Begriffe sind „Smart Living“ und „Intelligent Home“. Enge Beziehungen gibt es im Allgemeinen zum Internet der Dinge und im Speziellen zu Smart Metering.^[2]

1.1 Ziel dieser Arbeit

Das Ziel dieser Arbeit soll die Verbesserung der grundlegenden Einstellung zur Energieeffizienz in Gebäuden durch Automatisierung sein, in spezieller Betrachtung der Heizung, Klimatisierung und Lüftung von Mehrfamilienhäusern sowie deren Steuerung. Bereits zu Baubeginn soll auf die Effizienz von Gebäuden geachtet werden. Intendiert ist hierbei nicht die reine Energieeinsparung der Anlagen sein. Durch Gebäudeautomation sollen die grundlegenden Gebäudefunktionen Heizen und Kühlen entlastet werden, eine nicht notwendige Beleuchtung kann ebenfalls automatisiert abgeschaltet werden. Zusätzlich kann die bereits verwendete Energie für z. B. Heizen, Kühlen etc. durch entsprechende Wandler für weitere Zwecke verwendet werden. Dies geschieht durch Nutzung der entstehenden Immissionen wie Abwärme aus einzelnen Anlagen. Beispiel: Die Abwärme der Klimaanlage wird im Sommer zum Erwärmen des Wassers für die Dusche verwendet.

Definition 2: Immission

Durch Emission in bestimmte Umweltmedien eindringender bzw. dort in bestimmten Konzentrationen vorhandener Schadstoff (oder -Energie).^[3]

1.2 Aufbau dieser Arbeit

Zum besseren Überblick ist die vorliegende Arbeit in einer dreifachen Baumstruktur gegliedert. Zu Beginn jedes Kapitels ist eine Kurzübersicht zu finden, die das Kapitel in einigen Worten beschreibt. Am Schluss der Arbeit sind verschiedene Verzeichnisse wie Abkürzungs-, Formel-, Definitions- und Abbildungsverzeichnis zu finden. Zudem ist die Arbeit in zwei Bereiche gegliedert. Zum einen ist dies der allgemeine Teil, in dem sich die Einleitung und der Systemvergleich befinden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird ein konkretes Objekt beschrieben. Die Literaturnachweise sind nach ISO 690 mit numerischer Referenz zu der Literaturliste im Anhang verknüpft.

2 Systemvergleich

Im folgenden Kapitel wird ein Systemvergleich den Bereichen

- Kraftfahrzeugtechnik und
- Schienenfahrzeugtechnik

durchgeführt. Ziel dieses Kapitels soll die Veranschaulichung der vielen unterschiedlichen Systeme sein. Das Kapitel zeigt die jeweiligen Systeme in den verschiedenen Bereichen auf und veranschaulicht deren Automation innerhalb der entsprechenden Umgebungen. Der Systemvergleich wird jeweils zwischen Kraftfahrzeug- und Schienenfahrzeugtechnik sowie der Gebäudetechnik durchgeführt. Der Vergleich erfolgt mit Systemen wie Heizung, Klimatisierung und Lüftung, aber auch der eigentliche Informationsaustausch innerhalb und zwischen Steuerungen wird veranschaulicht.

2.1 Grundlagen der Kommunikation

Die Signalübertragung innerhalb von Baugruppen kann schlicht nur logisch „AN" oder „AUS" sein, ein Mittelwert ist grundsätzlich nicht definiert. Diese Informationen werden durch Medien wie Kabel oder Funkwellen übertragen. Diese Art der Datenübertragung, d. h.„AN" oder „AUS", wird als unidirektionale Kommunikation bezeichnet. Die Kommunikation verläuft immer nur in eine Richtung. Ein Rückkanal, der z. B. zur Empfangsbestätigung einer Nachricht genutzt werden könnte, ist nicht vorhanden. Dieses Prinzip ist mit drei Beispielen zu erläutern.

1. Ein Vortrag: Hier sendet der Vorträger die Informationen zu den Interessenten.
2. Eine Stromleitung: Solange der Strom an ist, leuchtet die Lampe; wenn er abgeschaltet wird, erlischt die Lampe.
3. Das aus der Mode geratene CB- Funkgerät: In der Zeit, in der der Sender etwas sagt, kann er gleichzeitig nichts hören, denn er muss das Senden beenden, bevor er wieder hören kann (Abbildung 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Unidirektionale Kommunikation^[4]

Der bidirektionale Informationsaustausch bietet einen Rückkanal an. Das vereinfacht den Informationsaustausch wesentlich, da nicht nur davon ausgegangen werden muss, dass die Nachricht angekommen ist; das Eintreffen einer Nachricht wird sofort bestätigt. Als Beispiele können das klassische Mobilfunk- oder Festnetztelefonat wie in Abbildung 3 oder eine Diskussion genannt werden. Jeder Teilnehmer kann innerhalb eines Gespräches antworten, BEVOR der Sender mit seiner Information zum Ende angelangt ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bidirektional:

Der informati on sau stau sch erfolgt von beiden Parteien gleichzeitig, es kann zum gleichen Zeitpunkt gesendet und empfangen werden. Beispiel: Telefonat

Abbildung 3: Bidirektionale Kommunikation^[5]

Beide Arten der Kommunikation können zu so vielen Informationen gleichzeitig führen, dass wichtige Informationen untergehen und von den erforderlichen Teilnehmern schlicht „überhört" werden. So können auch sicherheitsrelevante Anforderungen verloren gehen. Um solche Probleme zu vermeiden, werden sogenannte Hierarchien der Teilnehmer gebildet. Es wird grob zwischen wichtigen und unwichtigen Teilnehmern unterschieden; Beispiel: Bremsanlage und Radio. Die Unterscheidung der Nachrichten über Teilnehmer ist bereits ein wichtiger Fortschritt, da schon selektiert werden kann. Diese Unterscheidung ist je nach Anwendung immer noch viel zu grob, um einen genauen Informationsfluss sicherzustellen. Daher werden zu den Hierarchien auch noch Prioritäten gesetzt. Je nach Herstellerkönnen die Prioritäten und Hierarchieebenen unterschiedlich aufgebaut sein, das Prinzip ist jedoch immer gleich.

2.1.1 Datenübertragung

Die Datenübertragung erfolgt wie zuvor erwähnt durch „AN" und „AUS", d. h. „1" und „0", wobei das Übertragungsmedium ein Kabel oder Funkwellentechnologie sein kann. Wie bereits festgestellt, ist das Problem einer jeden Datenübertragung die Fülle an Informationen. Nach einer gewissen Anzahl unkontrolliert und nebeneinander verlaufener Gespräche geht leicht der Überblick verloren. Um das zu vermeiden, werden die vielen Nullen und Einsen in einem geordnetem Schema übertragen. Das Vorgehen erfolgt ähnlich den Wörtern und Buchstaben eines Textes, die der Leser entziffern soll, um den Inhalt zu verstehen. Dieses Schema nennt sich Standarddatendiagramm und beinhaltet neben einigen Kontrollfeldern den genauen Adressaten sowie die zu übertragende Information. Ein solches Standarddatentelegramm ist in nachfolgender Tabelle ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Bitfelder eines Standarddatentelegramms^[6]

Die Tabelle soll veranschaulichen, wie eine Standardkommunikation zwischen Steuerungen aufgebaut ist. In einem Bussystem senden und hören alle Teilnehmer generell jede Information. Die Information wird von dem jeweils angesprochenen Teilnehmer verarbeitet, alle anderen verwerfen die Information. Die Inhalte eines Datenpaketes sind hier nicht von Bedeutung und werden auch nicht weiter behandelt. Im Allgemeinen lässt sich sagen, dass es mehrere Ebenen gibt, auf denen die Kommunikation zwischen Steuerungen ablaufen kann. Solche Ebenen können in einem Haus wie in Abbildung 4 skizziert aufgebaut werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Busebenen^[7]

Die Untergliederung erfolgt wie in Abbildung 4 beispielhaft dargestellt in der Sensor­/Aktorebene. In dieser Ebene werden die Sensoren und Aktoren weitestgehend vernetzt. In der Prozessebene laufen dann sämtliche Daten zusammen, hier werden Sensorsignale ausgewertet und anhand der Benutzereingaben aus der nächsten Stufe verarbeitet, sodann werden entsprechende Aktionen an die Aktoren veranlasst. In der letzten Ebene, der Leitebene, sind Kontroll- und Fernsteuerungsanwendungen untergebracht, die über einen externen Anbieter laufen. Hierbei sind die beiden Kommunikationswege deutlich ersichtlich:

- 1. der horizontale Kommunikationsweg (auf einer Ebene) und
- 2. der vertikale Kommunikationsweg (zwischen den Ebenen).

Die Führungsebene gibt die gewünschten Parameter ein, kann jedoch auch die Anwendungen manuell steuern. Zu beachten ist jedoch, dass eine Steuerung mittels einer höheren Ebene nur durch die jeweilig unterstellten Ebenen möglich ist. So kann beispielsweise eine Kommunikation mit der Sensorik aus der Leitebene nur dann erfolgen, wenn die Führungsebene und die Prozessebene aktiv sind. Sollte eine Ebene inaktiv sein, z. B. durch Stromausfall bedingt, kann keine Kommunikation mit der Sensorik aufgebaut werden. Mit entsprechender Vernetzung kann eine mobile Abfrage z. B. via Smartphone über das Internet erfolgen. Vereinzelte Anbieter bieten eine Vielzahl an Möglichkeiten an, um das eigene Heim zu vernetzen. Als Beispiel kann die Vernetzung aus dem Hause Somfy dienen, die in Abbildung 5 zu sehen ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Gebäudesteuerung über das Internet^[8]

Die Abbildung 5 zeigt links ein Gebäude, das über das Internet z.B. per Smartphone gesteuert werden kann. Ebenso können auch Informationen wie Sensorwerte oder Kamerabilder aus dem Haus an das Smartphone übertragen werden. Dabei ist der Vorgang immer gleich: Datenpakete werden an den Anbieter, z. B. Somfy, übermittelt. Dieser sendet dem Kunden über das Internet und den nächstgelegenen Funkmast die zuvor festgelegten Informationen an dessen Smartphone. Der Kunde kann entsprechend auf dem gleichen Weg Handlungen vornehmen.

2.1.2 Datenverarbeitung

Die Datenverarbeitung erfolgt in der Steuerung. Hier laufen sämtliche Daten der Sensorik sowie auch die Benutzereingaben zusammen. So kann mittels Kennfeldsteuerung immer der passende Zyklus gefunden und entsprechend reagiert werden. Eine Kennfeldsteuerung ist prinzipiell wie ein großer Aktenschrank gefüllt mit Parametern aufgebaut, mit dessen Hilfe Schalthandlungen an Rollladen, Heizung usw. vorgenommen werden können. Die einfachsten Steuerungen sind die zeitabhängigen Steuerungen. Hierbei werden Aktionen nach einem festgelegten Zeitmuster ausgeführt. Einige Steuerungen lernen während des Arbeitsablaufes mit. Die sogenannte adaptive Regelung kompensiert den Verschleiß an Sensoren und Aktoren. Durch die Überwachung kann der Verschleiß z. B. an Rollläden verringert werden, indem eine Wartung vorgeschlagen wird, wenn der Behang zu schwergängig ist.

Definition 3: Adaptive Regelung

Anpassung dynamischer Systeme mithilfe von Instrumenten, die einen gewünschten Zustand des Systems dadurch herbeiführen wollen, dass bei Störungen des Systems zielkonforme Reaktionen ausgelöst werden (Baetge). Den höchsten Grad der Anpassungsfähigkeit erreichen solche Systeme, die bei wesentlichen Änderungen der Umwelt ihre Systemelemente zu ändern vermögen. Anwendung z. B. in der Produktion zur fortlaufenden Optimierung des Herstellungsprozesses.^[9]

Weiterhin kann diese Regelung auch im Winter helfen, wenn beispielsweise der Rollladen festgefroren ist, somit schützt sich das System vor Zerstörung. In beiden Fällen gibt die Anlage eine Fehlermeldung heraus, je nach Konfiguration kann auch die entsprechende Baugruppe aus der automatischen Steuerung herausgenommen werden, bis die Fehlerbehebung quittiert wurde.

Die automatisierte Steuerung besteht grundsätzlich aus drei Schritten:

1. Erfassung von Werten/Vorgaben (Input)
2. Verarbeiten der erfassten Werte bzw. Vorgaben (Kennfeldsteuerung)
3. Ausgeben von entsprechenden Handlungen (Output)

Steuerungen erfassen sämtliche Daten mithilfe der angeschlossenen Sensorik. Im folgenden Beispiel bildet sich die Sensorik aus Raumtemperaturfühler und Bewegungsmelder. Die Aktorik ist durch jeweils eine Lampe, Heizung und Klimaanlage aufgestellt. Die Fehlerausgabe wird zum einen durch eine Lampe realisiert und zum anderen durch einen Fehlerspeicher, der den Fehler in Klartext anzeigt. Mit Hilfe des durch den Benutzer eingegebenen Kennfeldes werden die Schalthandlungen entsprechend durchgeführt. Die Tabelle 2 veranschaulicht beispielhaft das Vorgehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Schalthandlungen (Bsp.) einer Steuerung mit Sensorik und Benutzereingaben ^[10]

Die in Tabelle 2 dargestellten Schalthandlungen sind wie folgt aufgebaut:

- Der Wert „1" erfüllt die Bedingung und
- der Wert „0" erfüllt nicht die Bedingung.
- Der Temperatursensor liefert einen reellen Messwert, z. B. 22°C.

1. Es wird eine Bewegung detektiert. Jedoch ist diese außerhalb des vom Benutzer eingestellten Zeitfensters aufgetreten und somit wird keine Beleuchtung eingeschaltet. Die Temperatur liegt innerhalb des Sollwertes von 22°C, daher wird an der Heizung und an der Klimaanlage nichts verändert.
2. Nun wird die Bewegung innerhalb des Zeitfensters erkannt und somit auch eingeschaltet. Die Steuerung bemerkt durch das interne Kennfeld, dass die Temperatur angestiegen ist und schaltet somit die Kühlung des Gebäudes ein.
3. Es wird keine Bewegung erkannt, jedoch wird erkannt, dass die Temperatur auf 18°C gefallen ist, somit wird die Heizung zugeschaltet.
4. Eine Störung wird ausgegeben, da sich der Temperatursensor in einem undefinierten Bereich befindet. Die Steuerung würde eine Fehlermeldung ausgeben, diese könnte z. B. Leitungsbruch zum Temperatursensor lauten. Die Anlagen würden sich nun automatisch abschalten oder wenn verfügbar einen Ersatztemperaturfühler zum weiteren Betrieb verwenden. In dieser Zeile ist die Störsicherheit gut zu sehen. Obwohl die Temperaturerfassung gestört ist, ist die Bewegungsmeldung davon nicht betroffen. Das Ansteuern der Beleuchtung wird zuverlässig durchgeführt.

Das ist ein einfaches Beispiel von verknüpften Abläufen. Mit steigender Anzahl von Sensoren und Aktoren können immer komplexere Abläufe entstehen. Die Kommunikation erfolgt zwischen den einzelnen Geräten immer im gleichen Schema. Die Inhalte der übertragenen Daten sehen bei einer Auswertung in etwa dem gezeigten Informationsfluss in Abbildung 6 ähnlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Visualisierung der Datenübertragung zwischen Steuerungen¹¹

Zu beachten ist bei dieser Abbildung, dass es sich hierbei um die CAN- Kommunikation für die Komfortelektronik eines Kraftfahrzeuges handelt. Dies ist an den Einstellungswerten ersichtlich: 2V/Div und 0,1ms/Div. Jedes Kästchen hat somit eine Spannungshöhe von 2 Volt und eine Dauer von 0,1 Millisekunden. Somit lässt sich aus dem Bild herauslesen, dass es ein 4-Volt-Spannungssignal ist. Die Länge einer Nachricht kann variieren. Im vorliegenden Bild ist es z. B. möglich, dass ein Kommunikationspaket ca. 0,55 Millisekunden lang ist. Die Spannungshöhe von 4 Volt lässt den Schluss zu, dass es sich hierbei um einen langsamen Bus handelt. Schnellere Kommunikationen über den CAN-Bus sind im Antriebsstrang zu finden. Die Spannungshöhe liegt hier bei einem Volt. Langsame Kommunikationen werden je nach Hersteller für die Komfortelektronik, z. B. für Klimatisierung oder den Scheibenwischer, verwendet. Zur Signalübertragung zwischen Geräten und Systemen können ebenfalls verschiedene Medien zum Einsatz kommen. Aus einem Signalflussausschnitt ist dies nicht immer wie in Abbildung 6 eindeutig herauszulesen. Die Übertragungstechnik kann unter anderem Funktechnologie, Glasfaserkabel oder Kupferkabel sein. Im klassischen Hausgebrauch werden zwei Arten zu finden sein: die Kupferverkabelung und verschiedene Funktechnologien. Diese garantieren die Übertragung der Sensorwerte und die Aktorposition, wobei die Kupferverkabelung in Neubauten Vorzug finden wird, die Kommunikationsleitungen können einfach unsichtbar in die Wände eingearbeitet werden. Hingegen findet die Funktechnologie in Bestandsbauten bei Nachrüstung ihren Einsatz, da keine Leitungen zur Steuerung verlegt werden müssen.

2.1.3 Störsicherheit

Bei jeder Art der Informationsübertragung kann es zu Fehlern kommen. Es gibt viele verschiedene Arten der Störsicherheit von Bussystemen. Eine Möglichkeit ist die Verhinderung von Störeinflüssen von außen. Übertragungsmedien wie Kupferkabel können leicht äußeren Störfrequenzen ausgesetzt werden. Es reicht beispielsweise aus, wenn eine Kommunikationsleitung den Funkwellen eines Mobiltelefons ausgesetzt wird. Somit können falsche Informationen übertragen werden oder die Kommunikation kann komplett ausfallen. Um solche Störungen zu vermeiden, sind geschirmte- und verdrillte Aderpaare (TP-Leitung) im Einsatz.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Aufbau eines LAN-Kabels¹²

Das Drahtgeflecht wird auf das Gerätegehäuse (Schutzleiter) abgeleitet. Somit werden elektromagnetische Felder direkt abgeleitet. Verdrillte Aderpaare schirmen sich gegenseitig, da sich eine Störung immer auf beide Leitungen auswirkt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Twisted-Pair-Leitung¹³

Das ist bereits eine weitere Möglichkeit der Störsicherheit. In CAN- Kommunikationsleitungen der KFZ-Branche wird auf jeder der beiden Leitungen die gleiche Information spiegelverkehrt übertragen. Durch diese Art der Datenübertragung kann eine Leitung komplett z. B. durch Bruch, Kurzschluss etc. ausfallen. Der Betrieb ist weiterhin über die zweite intakte Leitung möglich. Im Regelbetrieb wird die Signalhöhe beider Kanäle ausgewertet, durch einen Differenzverstärker wird das gestörte Signal in eine eindeutige für die Steuerung lesbare Information umgewandelt.^[14]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Signalauswertung mittels Differenzverstärker

Zusammenstellung der wichtigsten Maßnahmen zur Störsicherheit:

- Geschirmte Datenübertragungsleitungen
- Redundante Informationsübertragung über zwei Leitungen
- Verdrillte Aderpaare (TP)
- Differenzverstärkung

2.2 Fahrzeugsysteme

Im nachfolgenden Kapitel wird anhand kurzer Beispiele die Datenbuskommunikation in Kraftfahrzeugen und Schienenfahrzeugen erläutert. Das Kapitel soll einen Überblick über Busebenen und deren Verwendungen verschaffen und anhand von Beispielen die Verwendung veranschaulichen.

2.2.1 Kraftfahrzeuge

Im KFZ können viele verschiedene Komponenten verbaut sein. Um diese Komponenten effizient und möglichst kostengünstig in das KFZ einbinden zu können, wird auf eine Vielzahl von Sensoren und Aktoren zurückgegriffen. Auch der stetige Anstieg an Kommunikations- und Komfortelektronik in den KFZ macht einen nicht geringen Anteil des Verkabelungsaufwandes aus. Dieser Verkabelungsaufwand ist mit steigenden Komfortanforderungen sehr hoch. Die Verkabelung im klassischen Sinne einer Verdrahtung eins zu eins ist nicht mehr zu realisieren. Deshalb bedienen sich die Hersteller der Vernetzung von Steuergeräten. Dieses Vorgehen vermeidet eine doppelte Anzahl von Sensorik; durch die Busanbindung lassen sich auch problemlos weitere Baugruppen hinzufügen. Mittels Vernetzung von beispielsweise Motorsteuerung, Klimatisierung und Bordnetz können je nach Hersteller der Motortemperaturfühler und der Außentemperaturfühler für zwei Systeme gleichzeitig verwendet werden. So kann der Sensorwert zum einen für die Berechnung der Einspritzmenge (Gemischbildung) und zum anderen für die Berechnung des Raumklimas im Inneren des Fahrzeugs (Komfortelektronik) verwendet werden. Eine solche Vernetzung ist in der nachfolgenden Abbildung ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Vernetzung eines Kraftfahrzeuges (PKW)¹⁵

Im Bild sind einige verschiedene Bustypen angegeben, die im Kraftfahrzeuggewerbe gebräuchlich sind. In der Gebäudeautomation sind diese nicht weiter präsent. Somit wird hier darauf nicht weiter eingegangen. Wichtig bei der Betrachtung ist die Vernetzung der Geräte untereinander. Die Vernetzung der Geräte und Systeme dient dem mehrfachen Verwenden von Informationen wie bereits beschrieben. Somit sind doppelt verbaute Sensoren, lange Leitungswege und dicke Kabelbäume nicht mehr notwendig und entfallen größtenteils. Der Informationsfluss, wie in Abbildung 10 dargestellt, ist so zu verstehen, dass sämtliche Daten „auf dem Bus liegen", jede Steuerung kann auf alle Daten zugreifen. Die jeweils benötigten Daten werden verarbeitet, der Rest wird einfach verworfen. Durch die Fülle an übertragenen Informationen werden sogenannte Topologien gebildet, vgl. hierzu Abbildung 10. Somit wird der Informationsfluss innerhalb eines Systems wie Infotainment, Antrieb usw. sichergestellt. Ein Gateway übersetzt die von den jeweiligen Systemen übermittelten Daten und stellt einige ausgewählte Informationen für die übrigen Teilnehmer zur Verfügung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Kommunikationsproblem bei fehlendem Übersetzer^[16]

Das Gateway fungiert zum einen als Trenner zwischen den einzelnen Systemen und zum anderen als Übersetzer, wie in Abbildung 11 exemplarisch dargestellt ist. Beide Funktionen sind besonders wichtig, um einen sicheren Betrieb der Anlage zu gewährleisten. Das Gateway kann z. B. bei Fehlern wie in Beispiel Tabelle 2 auf Seite 7 das defekte System wegschalten, die restlichen Funktionen sind dennoch gewährleistet.

2.2.2 Schienenfahrzeuge

Wie im KFZ sind die Anforderungen auch im Schienenfahrzeug groß, jedoch nicht so komplex wie in einem KFZ aufgebaut, da viele Bereiche wegfallen. Als Beispiel ist hier der große Bereich Infotainment zu nennen. Dieser wird bei allen namhaften KFZ-Herstellern durch Glasfaserkabelkommunikation im sogenannten MOST-Bus realisiert. Hierbei handelt es sich um einen optischen Lichtwellenbus. Diese Busart ist besonders gut geeignet, wenn große Datenmengen in kürzester Zeit benötigt werden, z. B. Filme oder Gespräche. In einem Schienenfahrzeug ist dies nicht erforderlich. Infotainmentsysteme wie Navigation, DVD oder Fernsehfunktion, Rückfahrkamera etc. werden bei Schienenfahrzeugen nicht eingesetzt. Im Schienenfahrzeugbau gibt es jedoch eine große Anzahl an Richtlinien und Vorschriften zur Sicherheit im Bahnbetrieb, die eingehalten werden müssen; dies regelt im Allgemeinen die Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung (EBO). Die überwachende Institution ist das Eisenbahn-Bundesamt (EBA). Die weiteren Begrifflichkeiten sind für diese Arbeit nicht von Bedeutung und werden auch nicht weiter behandelt. Allgemein lässt sich der Eisenbahnbetrieb in zwei Bereiche untergliedern: zum einen den Regional- und zum anderen den Fernverkehr. Bei Hochgeschwindigkeitszügen sind die zu verarbeitenden Datenmengen sehr hoch. Außerdem gilt es, der Anforderung der Redundanz genüge zu tun.

Definition 4: Redundanz

In der Datenorganisation das mehrfache Führen gleicher Daten, also das mehrfache Vorkommen desselben Sachverhaltes, wobei die Wiederholung als nicht notwendig eingeordnet wird. Redundanz wird auch der Teil einer Nachricht genannt, der für den Empfänger nicht neu, also keine Information ist.^[17]

Deshalb werden sämtliche sicherheitsrelevanten Komponenten doppelt ausgeführt. Dieses Vorgehen ermöglicht bei einem defekten Kommunikationsbereich die Übernahme durch den noch intakten Bereich. Ein Ausschnitt aus der Busverkabelung des Endwagens aus der Flotte VelaroD von Siemens, der Baureihe 407 der Deutschen Bahn, ist in Abbildung 12 zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Prinzipbild der Busverknüpfung im Velaro D (BR407) ¹⁸

Die Abbildung zeigt die Vernetzung von gekuppelten Zügen (grün) und die Einzelsteuerung. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Systemen geschieht über den Multifunktions-Vehicle-Bus (MVB), im Bild in roter Farbe dargestellt. Die Kommunikation der Untersysteme mit Sensorik und Aktorik geschieht herstellerspezifisch entweder analog oder über CAN-Bus.

3 Gebäudesteuerung

Im folgenden Kapitel wird als Erstes der Begriff Energie erläutert. Im nächsten Schritt wird der Zweck der Gebäudesteuerung aufgezeigt und deren Arten werden veranschaulicht. Die Arten der Gebäudesteuerung sind grundsätzlich:

- Manuell
- Automatisiert

Die Unterkapitel befassen sich mit grundlegenden Schaltungen der Elektrotechnik und Einzelsteuerungen in Gebäuden. Darüber hinaus werden die Automatisierungsarten von Gebäuden aufgezeigt. Hier wird veranschaulicht, wie Einzelautomation bis hin zur komplexen Gebäudesteuerung realisiert werden kann.

3.1 Energie

Durch Automatisierung bestimmter Prozesse im Gebäude und durch Energierückgewinnung kann viel Energie eingespart werden.

Definition 5: Energie

Fähigkeit, physikalische Arbeit zu leisten, damit Veränderungen im oder am Stoff zu bewirken; für Produktion notwendig. Energie ist an das Vorhandensein eines Energieträgers gebunden; in der Natur isoliert in gespeicherter Form nicht möglich.^[19]

Obwohl Energie nicht verbraucht werden oder verloren gehen kann, wird im allgemeinen Sprachgebrauch z. B. von Stromverbrauch gesprochen. Tatsächlich wird Energie immer umgewandelt und nicht verbraucht. Energie entsteht am häufigsten durch chemische Umwandlung aus verschiedenen Energieträgern. Die Energieträger werden in zwei Hauptgruppen unterteilt:

1. Fossile Energieträger wie Gas, Kohle, Atomenergie etc.
2. Erneuerbare Energieträger wie Sonnen-, Wind-, oder Müllenergie etc.

Energieträger wie Wind, Sonne, Wasser, Gas, Kohle etc. werden in eine allgemein verwendbare Form, z. B. elektrischen Strom, umgewandelt. Die chemische Umwandlung geschieht unter anderem durch Verbrennen von Brennstoffen und Erhitzen von Wasser. Der entstehende Wasserdampf bringt Turbinen zur Rotation. Diese Rotation wird zum Antrieb von Generatoren zur Stromerzeugung verwendet. Die nachfolgende Tabelle gibt einen kurzen Überblick über den im Jahre 2015 hergestellten Strom in Deutschland.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3: Übersicht der Stromerzeugung in Deutschland (2015)²⁰

Einige wenige Ausnahmen bilden rein mechanische Antriebe wie z. B. Sägewerke, die beispielsweise durch Wasserkraft angetrieben werden. Aufgrund ihrer Seltenheit werden diese hier nicht weiter behandelt. Bei der Energieumwandlung entstehen unerwünschte Nebenprodukte wie Wärme oder Abgase. Der Wirkungsgrad (η) bezeichnet das Verhältnis der genutzten zur zugeführten Energie und gibt den Prozentualen Nutzwert aus. Obwohl die Technik der Glühbirne veraltet und deren Verkauf bereits seit dem 01.09.2012 verboten ist, lässt sich der Wirkungsgrad an ihr besonders gut veranschaulichen. In folgender Formel ist das Beispiel einer Glühbirne berechnet.^[21]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der angegebene Wert (5 %) ist ein sehr schlechter Wert, da nur 5 % von den zugeführten 100 % für die Lichterzeugung genutzt werden. Die restlichen 95 % sind die Verlustenergie, die auf die abgestrahlte Wärme abfällt. Der Wirkungsgrad wird auch in sogenannten Sankey-Diagrammen veranschaulicht. Eine neuartige LED­Lampe hat hingegen einen Wirkungsgrad von ca. 13 %^[22]

Abbildung 13:Darstellung des Wirkungsgrades einer Glühlampe²³

Ein einfaches Beispiel eines Sankey-Diagramms ist in der Abbildung 13 zu sehen. Von links kommt die eingespeiste oder vorliegende Energie.

Die produktive Energie fließt nach rechts in das betreffende Gerät, im vorliegenden Fall zur Lichterzeugung in die Glühbirne. Die Verlustleistung z. B. in Form von Wärme ist in einem Sankey-Diagramm symbolisch nach unten abfallend veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 14: Stromkosten vergleichbarer Leuchtmittel²⁴

In Abbildung 14 sind die Stromkosten einer konventionellen verbotenen Glühbirne im Vergleich mit einer modernen LED-Lampe aufgezeigt. Dabei wurden vergleichbare Leuchtstärken der Lampen verwendet und eine Leuchtdauer von 1.000 Stunden im Jahr bei einem Strompreis von 0,27 €/kWh angenommen. In der Grafik ist zu sehen, dass die Glühbirne mehr als das Fünffache an Strom bei gleicher Helligkeit benötigt.

Ein komplexeres Beispiel ist in Abbildung 15 zu sehen. Auch hier ist der Energiefluss im Sankey-Diagramm von links nach rechts dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 15: Jahresenergieflussbild einer Solaranlage²⁵

Die Verlustleistung geht jeweils nach oben und unten ab. Das Diagramm zeigt den Energieverlauf von zwei Quellen. Die eine Quelle (oben) könnte z. B. eine Heizung sein und die andere (unten) ist eine Solaranlage. Von ca. 200 % eingespeister Energie bleibt ca. die Hälfte zum Heizen im Wasserspeicher (rechts) übrig. Nach Abrechnen der Speicherverluste bleiben ca. 95 % an Nutzleistung übrig.

3.2 Grundschaltungen

Im folgenden Kapitel werden die beiden grundlegenden Schaltungsformen UND- sowie ODER-Schaltung beschrieben.

3.2.1 UND-Schaltung

Eine UND-Schaltung, auch Reihenschaltung beschreibt, eine Schaltung, bei der mindestens zwei vorgeschaltete Bedingungen erfüllt sein müssen, bevor eine Aktion zustande kommt^[26] . Es müssen BEIDE Schalter betätigt werden, um den Stromkreis zu schließen, damit die Lampe leuchtet, wie in Abbildung 16 gezeigt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 16: UND-Schaltung²⁷

3.2.2 ODER-Schaltung

Eine ODER-Schaltung, auch Parallelschaltung genannt, beschreibt eine Schaltung, bei der mindestens eine von mehreren Bedingungen erfüllt sein muss, bevor eine Aktion stattfinden kann^[28]. Es muss mindestens ein Schalter betätigt sein, damit der Stromkreis geschlossen ist, um die Lampe zum Leuchten zu bringen.

[...]

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^[1] Bildquelle: (Wilhelm Büchner Hochschule 2016), Literatur Nr. 62.

^[2] (Springer Gabler 2016), Literatur Nr. 52.

^[3] (Springer Gabler 2016), Literatur Nr. 52.

^[4] (selbst erstelltes Element 2016), Literatur Nr. 45.

^[5] (selbst erstelltes Element 2016), Literatur Nr. 45.

^[6] (selbst erstelltes Element 2016), Datenentnahme aus: (Hermann Merz 2015) S. 101, Literatur Nr. 29.

^[7] (selbst erstelltes Element 2016), mit Bildern aus Microsoft WORD, Literatur Nr. 45.

^[8] Quellen: zum Teil aus ((Bachelorarbeit), Phil Reitz 2016) Seite 30 und (selbst erstelltes Element 2016), Literatur Nr. 1 und 45.

^[9] Aus (Springer Gabler 2016), Literatur Nr. 52.

^[10] (selbst erstelltes Element 2016), Literatur Nr. 45.

^[11] (Volkswagen-Konzern 2016), Literatur Nr. 59

^[12] Bildquelle: (LAPP KABEL 2012), Literatur Nr. 34.

^[13] (Volkswagen-Konzern 2016), Literatur Nr. 59

^[14] Bildquelle: Teils aus: (Volkswagen-Konzern 2016) teils (selbst erstelltes Element 2016), Literatur Nr. 59 und 45

^[15] (KFZTech 2015), Literatur Nr. 31.

^[16] Aus: (Hermann Merz 2015), Literatur Nr. 29.

^[17] (Springer Gabler 2016), Literatur Nr. 52.

^[18]Quelle aus (Siemens AG 2010), sowie (selbst erstelltes Element 2016) Interpretierung und Zeichnung der Busstruktur, Literatur Nr. 47 sowie 45.

^[19] (Springer Gabler 2016), Literatur Nr. 52.

^[20](Statistisches Bundesamt 2016), Literatur Nr. 54.

^[21](Google kein Datum), Literatur Nr. 26.

^[22]Aus: (Reichelt elektroník 2016), Literatur Nr. 41.

^[23](Google kein Datum), Literatur Nr. 26.

^[24] Teils aus (Energieverbraucher 2016) und teils (selbst erstelltes Element 2016), Literatur Nr. 22 und 45.

^[25] Grafik entnommen aus (D. M.-I. Schmid 2016) S. 51, Literatur Nr. 42.

^[26](Moeller | Eaton 2011), Literatur Nr. 37.

^[27](Moeller | Eaton 2011 ), Literatur Nr. 3.7

^[28] (Moeller | Eaton 2011), Literatur Nr. 37.