Gebäude-Automation

Gebäudeautomation ist die Gesamtheit von Überwachungs-, Steuer-, Regel- und Optimierungseinrichtungen in Gebäuden mit dem Ziel, Funktionsabläufe gewerkeübergreifend selbstständig durchzuführen oder deren Bedienung zu vereinfachen.

Gebäudeautomation – Effizienz durch Vernetzung

Der VDI definiert den Begriff der Gebäudeautomation als „digitale Mess-, Steuer-, Regel- und Leittechnik für die technische Gebäudeausrüstung“. In der DIN EN ISO 16484 2, 3.30 wird diese Definition noch um die Aspekte Einrichtungen und Dienstleistungen ergänzt. Gebäudeautomation wird in Wohn- wie auch in Zweckbauten bereits über viele Jahre eingesetzt und nimmt vor allem in Hinblick auf Energieeinsparung und Energieeffizienz einen zunehmend wichtigen Stellenwert ein. Ganz nebenbei werden die Anforderungen der Bewohner und Benutzer nach Komfort erfüllt.

Gebäudeautomation im Eigenheim

Im Wohnungsbau gehören mittlerweile zahlreiche automatisierte Funktionen zum Standard, so zum Beispiel die automatische Funktion der Heizungsanlagen oder die automatische Lichtsteuerung. Bewegungsmelder und Helligkeitssensoren ermöglichen die angepasste Funktion an das Verhalten und den Bedarf der Hausbewohner. Lösungen in der Haus- oder auch Heimautomation bieten in erster Linie Wohnkomfort, Sicherheit und Überwachung. Die automatisierte Gebäudetechnik im privaten Wohnungsbau wird häufig mit Begriffen wie „Smart Home“ oder „das intelligente Haus“ belegt. Für den Verbraucher zunehmend interessant wird auch die Fernsteuerung über Applikationen. So kann die Navigation im Menü des Interfaces bequem auch von unterwegs aus erfolgen.

Im Bereich von Ausbau und Sanierung lässt sich eine Automation häufig über Funktechnologie umsetzen. Dies erspart kostspielige Leitungsführungen und hält die Systeme flexibel. In der EN 50090 ist der erste offene Standard für die Gebäudeautomation per Funk hinterlegt. Im Bereich der Heimautomation ist der Standard Z-Wave für den Dialog von Bedeutung. Dieses Protokoll nutzt vermaschte Netze und ist aktuell für die Einstellung und Programmierung von Beleuchtung, Heizung, Lüftung, Klimatechnik und Sicherheitstechnik verfügbar. Zu beachten ist bei der Funksteuerung generell, dass die Produkte unterschiedlicher Hersteller nicht immer kompatibel sind.

Gebäudeautomation im Zweckbau

In modernen Bürohäusern und öffentlichen Bauten ist der Grad der Automation schon heute deutlich ausgeprägter als im Wohnhaus. Nicht nur die Heizungsanlage, sondern auch Kühlungs- und Lüftungsanlagen funktionieren über eine vollautomatische Regelsteuerung. Die Jalousien werden über Sensoren gesteuert und sorgen so immer für die idealen Licht- und Klimaverhältnisse. Ein behagliches Umfeld kommt auch den Mitarbeitern in den Zweckbauten zugute und bietet dem Unternehmen Vorteile. Denn wer sich wohlfühlt, arbeitet besser und effizienter. In Gebäuden mit Kundenverkehr sorgt die Gebäudeautomation für mehr Service. Die Verständigung erfolgt über Bussysteme und Netzwerke. Dadurch wird zum einen der Energieverbrauch optimiert, zum anderen wird technisches Personal eingespart und das Gebäudemanagement erleichtert. Durch Gebäudeautomation werden zusätzlich Nutzungsänderungen deutlich vereinfacht. So muss bei einer Grundrissveränderung Elektroinstallation und Elektrotechnik nicht geändert werden. Erforderliche Umstellungen werden über eine Um- und Neuprogrammierung der intelligenten Komponenten realisiert.

Die Ebenen der Gebäudeautomation

Bei allen Automatisierungssystemen in Gebäuden findet sich eine ähnliche hierarchische Struktur. Diese ist erforderlich, um die Regelfunktionen zu steuern. Insgesamt umfasst die Struktur drei Ebenen, jede Ebene hat spezifische Aufgaben:

Managementebene: Ein Leitrechner übernimmt das „Management“ der Gebäudeautomation. Hier werden die Anlagen über eine spezielle Software, die auch als Gebäudeleittechnik bezeichnet wird, überwacht und optimiert. Als Schnittstellen werden zum Beispiel die Systeme OPC oder BACnet eingesetzt. Im Leitrechner laufen alle Informationen zusammen; durch diese Vernetzung können auch Funktionen hinterlegt werden, die anlagenübergreifend arbeiten. Der Leitrechner stellt alle nötigen Programme bereit, hier erfolgt digital die Dokumentation und Archivierung von Daten und Prozessen. Durch eine Verbindung mit externen Rechnersystemen können die Informationen weitergeleitet werden. So lassen sich zum Beispiel die Verbrauchswerte an ein externes Abrechnungssystem übertragen.

Automationsebene: Sogenannte DDC-GA (Direct-Digital-Control-Gebäudeautomation) Bausteine steuern und regeln die angebundenen Systeme. Die DDCs sind häufig als Microcontrollersystem aufgebaut und gewährleisten den automatischen Betrieb der Anlage. Die Verbindung zu den Aggregaten erfolgt drahtgebunden, pro Meldung bzw. Signal wird ein Adernpaar verwendet. Montiert sind die DDCs in einem Schaltschrank in der Nähe der betriebstechnischen Anlagen (BTA). Grund dafür ist, die Leitungen zu reduzieren, die in Zweckbauten nicht selten enorme Längen aufweisen. DDC-Bausteine können auch übergeordnete Leitfunktionen übernehmen, dann wird kein zusätzlicher Leitrechner benötigt. Voraussetzung dafür ist, dass die zu steuernden Anlagen örtlich zusammengefasst sind und keine stetige Anpassung erforderlich ist.

Feldebene: Für die Erfassung der Systeminformationen werden in der Gebäudeautomation Aggregate eingesetzt, die sich in zwei Komponenten aufgliedern. Die Aktoren ermöglichen die Befehlsausgabe an die jeweiligen BTAs, die Sensoren erfassen Systeminformationen wie Durchflüsse, Luftfeuchtigkeit oder Temperaturen. Die Aggregate befinden sich meist in unmittelbarer Nähe der zu steuernden Systeme.

Übergreifende Vernetzung in der Gebäudeautomation

In Zweckbauten ist die technische Gebäudeausrüstung vielschichtig aufgebaut, betriebstechnische Anlagen unterschiedlicher Gewerke müssen für einen reibungslosen Ablauf im Gebäudemanagement exakt abgestimmt werden. Zu den wichtigsten Standardinstallationen gehören Versorgungsanlagen wie Heizungs- und Lüftung, Wasser und Energie, ebenso Steuerungsanlagen für die Beschattung oder die Lichtsteuerung, zunehmend auch Alarmanlagen, Zutrittskontrollen, Multimedia und das Facility Management. Über Raumautomationssysteme werden die einzelnen Anlagekomponenten koordiniert und zusammengefasst. Die Einbindung ist auf unterschiedliche Arten möglich:

Die einzelnen Gewerke werden über die DDC-Bausteine eingebunden.

Spezielle DCC-Bausteine ohne Regelfunktion stellen Ein- und Ausgabefunktionenbereit. Diese Einbindung wird genutzt, wenn integrierte Automatisierungsfunktionen in den Geräten vorliegen.

Die Anlage wird direkt mit dem Leitrechner gekoppelt. Dieses Prinzip ist sinnvoll, wenn sehr viele Informationen übermittelt werden müssen oder die Anlage über ein eigenes Rechnersystem verfügt. Die Datenübertragung erfolgt dann über ein Bussystem oder ein Netzwerk.

Für den direkten Datenaustausch zwischen den BTAs im Gebäude werden innerhalb der Automationsebene über die vorhandenen physikalischen Bus- oder Netzverbindungen Peer-to-Peer-Verbindungen installiert.

Im Objektbereich und in der Industrie werden häufig dezentrale Systeme verwendet. Dabei kommunizieren die Geräte über einen gemeinsam genutzten Datenbus ohne zentrale Steuerung. Häufig eingesetzt wird dafür der KNX-Standard, der in der EN 50090 verankert ist und der einzige offene Standard für Haus- und Gebäudetechnik darstellt. Vorteil dieses Systems: Alle Aggregate sind über den Bus vernetzt, das System ist flexibel und ausbaufähig, die Bedienung unkompliziert. Die zentrale Lösung erweist sich in vielen Fällen als kostengünstiger und sind mit niedrigeren Installationskosten verbunden. Die Gebäude- und Raumautomation wird per Zentralsteuerung von der Managementebene übernommen. Durch standardisierte Schnittstellen ist auch diese Variante flexibel, in die gesamte Planung und Installation sollten künftige Erweiterungen bereits mit einbezogen werden.

Energieeffizienz durch integrierte Gebäudeautomation

In Wohn- und Zweckbauten fallen etwa 40 % des Gesamtenergieverbrauchs in Deutschland an. Mehr als ein Drittel davon werden für Raumwärme und die Warmwasserbereitung aufgewendet, zwei Drittel entfallen auf Beleuchtung, Kühlung und Lüftung. Das Einsparpotential ist hier groß, daraus resultieren wiederum hohe Einsparungen an klimaschädlichen Emissionen. Neue und energieeffiziente Technologien wie die Gebäudeautomation sind in der Lage, den Energieverbrauch zu optimieren und die Energieeffizienz zu steigern. Der Automatisierungsgrad wird von namhaften Herstellern wie Siemens stetig weiterentwickelt. Die Studie „Energieeffizienz durch Gebäudeautomation“ des ZVEI - Zentralverband für Elektro- und Elektronikindustrie e. V. hat die hohen Einsparmöglichkeiten bestätigt: Bei einem Versuch über zwei Heizperioden erwiesen sich bei einem mittleren Automatisierungsgrad Einsparungen von 21 %, bei hohem Automatisierungsgrad von 49 % im Vergleich zur Einstellung der Werte per Hand.