Energiemanagement durch Gebäudeautomation: Grundlagen - Technologien - Anwendungen

1402 Pages·2014·154.71 MB·German

by  Bernd Aschendorf (auth.)

Energiemanagement
durch Gebäudeautomation
Bernd Aschendorf

Energiemanagement
durch Gebäudeautomation
Grundlagen (cid:129) Technologien (cid:129) Anwendungen
Professor Dr. Bernd Aschendorf
FB Informations- und Elektrotechnik
FH Dortmund
Dortmund, Deutschland

ISBN 978-3-8348-0573-7 ISBN 978-3-8348-2032-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-8348-2032-7
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Meinen Eltern gewidmet, die mir das hoch-
interessante Studium der Elektrotechnik ermöglicht
und mich jederzeit unterstützt haben.
Vorwort
Das vorliegende Buch befasst sich mit Gebäudeautomation und Energiemanagement.
Während Gebäudeautomation sich den wesentlichen Zielen Komfortsteigerung, Erhö-
hung der Sicherheit und Energieeinsparung sowie in gewissen Bereichen auch der Über-
wachung widmet, dient das Energiemanagement ausdrücklich der Energieeinsparung.
Gebäudeautomation wurde vor weit mehr als 15 Jahren mit einigen Gebäudebussyste-
men angegangen. Zu den ersten Systemen zählten PEHA PHC, EIB (der heutige KX),
LON und LCN. Zu dieser Zeit wurde von Herstellern, Verbänden und Elektroinstalla-
teuren postuliert, dass in kürzester Zeit die konventionelle Elektroinstallation nahezu
vollständig durch Bussysteme ersetzt würde, um die elektrischen Schaltungen zu verein-
fachen und flexibler zu gestalten. Damit würde zwar die Energieverteilung nicht gemin-
dert, sondern lediglich deren Steuerung vereinfacht. Dieses Ziel wurde bis heute nicht
einmal in Neubauten annähernd erreicht. Noch heute werden elektrische Schaltungen
durch verschiedenste Schalter und insbesondere viele Adern in Leitungen realisiert.
Neben den wenigen Neubauten, die jährlich realisiert werden, existieren jedoch viele
Altbauten, die vollständig saniert oder mit intelligenter Technik nachgerüstet werden
können und sollen.
Diesem immens großen potenziellen Markt hat sich die Industrie mit speziell für
Nachrüstung und sauberer Sanierung geeigneten Funkbussystemen und stromversor-
gungsbasierten (Powerline-)Systemen gestellt. Insbesondere in den letzten fünf Jahren
sind einige äußerst interessante Bussysteme gereift, mit denen man den gesamten Be-
reich der Gebäudeautomation bedienen kann. Problematisch ist in diesem Zusammen-
hang, warum bei Betrachtung dieser vielfältigen Lösungen das gesetzte Ziel nicht erreicht
wird. Neben den reinen Busteilnehmern, die dem Feldbus zugeordnet werden, entstan-
den in den letzten Jahren auch softwarebasierte Automations- und Leitebenenlösungen,
mit denen auch komplexeste Gebäudeautomation realisiert werden kann. Durch Einbin-
dung modernster Telekommunikations- und Netzwerktechnologie kann man auch per
Handy oder über das Internet direkt sein Haus beobachten und bedienen oder sich über
Probleme und Zustände informieren lassen. Einige Softwarepakete widmen sich zudem
der Nutzung verschiedenster Typen von Gebäudeautomationssystemen, um die beste
Lösung zum besten Preis generieren zu können. Einbindbar sind damit auch Multime-
VIII Vorwort
diasysteme, digitale Telefonie, elektronischer Datenverkehr, Informationsmanagement
und vieles mehr zu einem Multifunktionssystem. Die Systemkomponenten einer Gebäu-
deautomation werden im Folgenden detailiert beschrieben und einige am Markt verfüg-
bare Gebäudeautomationssysteme vorgestellt und auf Anwendbarkeit in Häusern und
Objektgebäuden hinsichtlich Neubau, Sanierung und Nachrüstung betrachtet. Dass
derartige Lösungen seit langem existieren und breitflächig im Einsatz sind, zeigt der Kfz-
Bereich, in dem vergleichbar zum Haus ähnliche Ziele bereits umgesetzt worden sind.
Aus diesem Grund werden zuerst die Systeme im Kfz vorgestellt.
Wesentlich weiter geht das Energiemanagement mit dem direkten Ziel der Energie-
einsparung. So verfügten Gebäudebussysteme zwar seit langem auch über Messsensorik,
um Temperatur, Feuchte, Helligkeit etc. zu messen, durch die gesetzten Energiesparziele
der EU im Rahmen der Energieeffizienzrichtlinie wurde dies wesentlich intensiviert. Seit
einigen Jahren ist geplant, den breitflächig verbauten konventionellen Energiezähler
durch einen elektronischen zu ersetzen und damit dem Energieverbraucher die Mög-
lichkeit der transparenten Einsicht in seinen Energieverbrauch zu ermöglichen. Darauf
basierend entwickelten einige Hersteller Smart Meter, die vom Energieversorger auch
von Ferne ausgelesen werden können. Die ausgelesenen Daten soll der Energieverbrau-
cher direkt beim Energieversorger abrufen können. Gedacht ist aber auch daran, dass die
Messdaten direkt vom Energieverbraucher zu Analysen und zur weitergehenden Nut-
zung eingesehen werden können. Durch dieses Metering kann der Energieverbraucher
gezielt seinen Energieverbrauch senken. Die Möglichkeit der Anwendung des Meterings
wird durch die Methoden des psychologischen, aktiven und passiven Energiemanage-
ments näher erläutert. So können zum einen Gebäudeautomationssysteme um Energie-
management erweitert oder spezielle Energieberatungssysteme entwickelt werden. Ge-
bäudeautomation und Smart Metering vereinigen sich somit ideal zu einem smart-
metering-basierten Energiemanagementsystem, das ohne Gebäudeautomation nicht
auskommt. Anhand von fünf Prototypen wird die Umsetzung dieses Ziels bei Verwen-
dung von ELV FS20 und HomeMatic, KNX/EIB, LCN, einer WAGO-SPS und IP-
Symcon in Verbindung mit verschiedenen Gebäudebussystemen vorgestellt.
Neben der Betrachtung der systematischen Anteile von Gebäudeautomation und
Energiemanagement werden auch die betreffenden Richtlinien und Gesetze zur Umset-
zung der Energiesparziele, des SmartMeterings und der Umsetzung der Energiewende
betrachtet, um die Hinweise und Möglichkeiten bezüglich der Einführung von Gebäude-
automation und Energiemanagement aus Sicht des Gesetzgebers zu erfahren.

Dortmund, im Oktober 2013 Bernd Aschendorf
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ...................................................................................................................... 1
2 Vergleich mit dem Kfz ............................................................................................... 15
2.1 Komfortfunktionen ........................................................................................... 16
2.2 Sicherheitsfunktionen ....................................................................................... 17
2.3 Energiemanagementfunktionen ...................................................................... 17
2.4 Störmeldefunktionen ........................................................................................ 20
2.5 Limitvorgaben .................................................................................................... 22
2.6 Adaptives Nutzerverhalten .............................................................................. 23
3 Funktionen der Gebäudeautomation ...................................................................... 25
3.1 Komfortfunktionen ........................................................................................... 25
3.2 Sicherheitsfunktionen ....................................................................................... 26
3.3 Energiemanagementfunktionen ...................................................................... 27
3.4 Multimediafunktionen ..................................................................................... 29
3.5 Dokumentmanagementfunktionen ................................................................ 30
3.5.1 Funktionen eines CMS ........................................................................ 31
3.5.2 Anwendung des CMS-Systems Joomla XJ! ...................................... 32
3.5.3 Fazit zu CMS-Systemen ...................................................................... 39
4 Systemvergleich der Gebäudeautomationssysteme ............................................. 41
4.1 Strukturierung der Gebäudeautomationssysteme ........................................ 41
4.1.1 Zentrale Systeme .................................................................................. 42
4.1.2 Dezentrale Systeme .............................................................................. 44
4.1.3 Halbdezentrale Systeme ...................................................................... 49
4.2 Medien der Gebäudeautomationssysteme ..................................................... 50
4.2.1 Drahtgebundene Systeme ................................................................... 51
4.2.2 Funkbasierte Systeme .......................................................................... 52
4.2.3 Powerline-basierte Systeme ................................................................ 54
4.2.4 LAN-/WLAN-basierte Systeme ......................................................... 56
4.2.5 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) ................................ 57
X Inhaltsverzeichnis
5 Automatisierungspyramide der Gebäudeautomation ........................................ 59
5.1 Konventionelle Elektroinstallation ................................................................. 60
5.1.1 Hausanschluss ...................................................................................... 61
5.1.2 Zählerplatz ............................................................................................ 62
5.1.3 Stromkreisverteiler und Sicherungseinrichtungen ......................... 62
5.1.4 Kabel und Leitungen ........................................................................... 63
5.1.5 Dezentrale Stromkreisverteiler .......................................................... 63
5.1.6 Kabelkanäle ........................................................................................... 64
5.1.7 Schalter, Steckdosen, Strom- und Lichtanschlüsse ......................... 64
5.1.8 Kommunikationseinrichtungen ........................................................ 64
5.1.9 Netzwerkeinrichtungen ...................................................................... 65
5.1.10 Multimediaeinrichtungen ................................................................... 65
5.2 Feldbusebene ...................................................................................................... 66
5.3 Automatisierungsebene .................................................................................... 67
5.4 Leitebene ............................................................................................................. 68
5.4.1 BuB-Systeme ......................................................................................... 68
5.4.2 Visualisierung ....................................................................................... 69
5.4.3 Steuerung .............................................................................................. 69
5.4.4 Störmeldung ......................................................................................... 69
5.4.5 Einbindung weiterer Funktionen ...................................................... 70
6 Gateways und Systemschnittstellen ......................................................................... 71
6.1 Standards ............................................................................................................ 71
6.1.1 KNX/EIB ............................................................................................... 71
6.1.2 LON ....................................................................................................... 72
6.1.3 IEC 61131-3 .......................................................................................... 72
6.1.4 RS485 ..................................................................................................... 73
6.1.5 Funk 868 MHz ..................................................................................... 73
6.1.6 EnOcean ................................................................................................ 73
6.1.7 Standardschnittstellen zwischen Feldbus- und
Automatisierungsebene ...................................................................... 73
6.2 Gateways ............................................................................................................. 74
6.2.1 Echte Gateways .................................................................................... 75
6.2.1.1 Einsatzgebiet ......................................................................... 76
6.2.1.2 Beispiele für Gateways ........................................................ 76
6.2.2 Medienkoppler ..................................................................................... 79
6.2.3 Zubringersysteme ................................................................................ 79
6.2.3.1 Beispiele für Zubringersysteme ......................................... 80
6.2.4 Systemschnittstellen ............................................................................ 81
6.2.4.1 Beispiele für Systemschnittstellen ..................................... 82
Inhaltsverzeichnis XI
7 Gateways auf der Basis von Multifunktionssystemen ......................................... 83
7.1 Contronics Homeputer .................................................................................... 83
7.2 IP-Symcon .......................................................................................................... 84
7.2.1 Installation und Aufruf von IP-Symcon ........................................... 86
7.2.2 Bestandteile von IP-Symcon .............................................................. 89
7.2.3 Anlage von Geräten mit der Quick-and-Dirty-Methode ............... 92
7.2.4 Strukturierte Methode zum Aufbau
einer IP-Symcon-Anwendung ........................................................... 127
7.2.4.1 Integration von KNX/EIB im Gebäudebeispiel ............... 136
7.2.4.2 Integration von EnOcean im Gebäudebeispiel ............... 143
7.2.4.3 Integration von HomeMatic im Gebäudebeispiel .......... 147
7.2.4.4 Integration von LCN im Gebäudebeispiel ....................... 149
7.2.4.5 Integration einer WAGO-SPS im Gebäudebeispiel ........ 153
7.2.4.6 Integration einer Siemens-S7-SPS im Gebäudebeispiel ... 156
7.2.4.7 Integration von EATON-xComfort
im Gebäudebeispiel ............................................................. 158
7.2.4.8 Integration von Z-Wave im Gebäudebeispiel ................. 159
7.2.4.9 Integration von 1-Wire im Gebäudebeispiel ................... 161
7.2.4.10 Integration von DMX im Gebäudebeispiel ...................... 163
7.2.4.11 Integration von M-Bus im Gebäudebeispiel .................... 165
7.2.4.12 Zusammenfassung zur Integration verschiedener
Gebäudeautomationssysteme in IP-Symcon ................... 167
7.2.4.13 Rangfolge der Güte und Möglichkeit zur Integration
von Gebäudeautomationssystemen in IP-Symcon ......... 169
7.2.5 Konfiguratoren ..................................................................................... 175
7.2.5.1 Verwendung des Konfigurators für KNX/EIB ................ 175
7.2.5.2 Verwendung des HomeMatic-Konfigurators .................. 181
7.2.5.3 Verwendung des LCN-Konfigurators .............................. 183
7.2.5.4 Verwendung des EATON-xComfort-Konfigurators ..... 185
7.2.5.5 Verwendung des Z-Wave-Konfigurators ......................... 188
7.2.5.6 Vor- und Nachteile von Konfiguratoren .......................... 188
7.2.6 Smart-Metering-Möglichkeiten von IP-Symcon ............................ 189
7.3 Fazit zur Anwendung von IP-Symcon ........................................................... 194
8 Übersicht über Gebäudeautomationssysteme ....................................................... 197
8.1 Konventionelle Elektroinstallation ................................................................. 198
8.1.1 Analyse .................................................................................................. 203
8.1.2 Neubau .................................................................................................. 203
8.1.3 Sanierung .............................................................................................. 204
8.1.4 Erweiterung .......................................................................................... 204
8.1.5 Nachrüstung ......................................................................................... 204
8.1.6 Anwendbarkeit für smart-metering-basiertes Energiemanagement 204
8.1.7 Objektgebäude ...................................................................................... 205