Gebäudesystemtechnik
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Fachplanung
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Elektrotechnik
Dezentrale Steuerung von Lüftungs- und Klimaanlagen
ep6/2001, 4 Seiten
Nachteile im konventionellen Schaltschrankbau Die Gebäudeautomation - gewachsen aus der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik (MSR) einerseits und der zentralen Leittechnik (ZLT) auf der anderen Seite - ist seit geraumer Zeit angetreten, die gebäudetechnischen Funktionen in ihrer Gesamtheit zu automatisieren. Um diese Aufgabe zu lösen, werden auf der Managementebene leistungsfähige Rechner eingesetzt und die Automationsstationen mit hochintegrierten Mikroprozessorsteuerungen ausgestattet. Für den Informationsaustausch zwischen beiden Ebenen stehen Netzwerke nach dem Stand der Technik zur Verfügung, die jedoch bezüglich der breiten Anwendung allgemein anerkannter Kommunikationsstandards noch manchen Wunsch offen lassen. Die Schaltschränke als Hardwareschnittstelle zwischen der Automatisierungsebene und der Anlagentechnik sind konzeptionell heute noch auf dem Stand wie zu Zeiten der ZLT. Bei der Realisierung eines Gebäudeautomationssystems stellen Schaltschränke und Installation einen wesentlichen Kostenfaktor dar. Denn noch immer wird die Anlagensteuerung in Schaltschränke eingebaut, unterteilt in ein Elektronikfeld für die Automationsebene und Leistungsfelder. Diese Schaltschränke beanspruchen in den Technikzentralen moderner Gebäude viel Platz und demonstrieren in langen Reihen, getrennt von Lüftungs- und Klimaanlagen, eindrucksvoll solide Handarbeit (). Für die Verknüpfung der Feldgeräte mit dem Schaltschrank ist eine aufwendige Installation notwendig. Neben der kostenintensiven Verlegung von Kabeln ist auch die Erhöhung der Brandlast zu nennen. Die Planung von Schaltschränken setzt zudem voraus, dass die Auslegung der Klimaanlage vollständig bekannt und die Planung abgeschlossen ist. Spätere Änderungen führen zu einer aufwendigen Korrektur der Schaltschrankplanung. Dass es auch anders gehen kann, ist bereits hinlänglich bei modernen Heizungsanlagen bewiesen worden. Die Hersteller von Heizkesseln binden die erforderlichen Steuer- und Regeleinrichtungen direkt in die Anlage ein. An dieser Stelle setzt mit der Energiebustechnik ein alternativer Lösungsansatz an. Es galt ein Gerät zu entwickeln, das die komplette Technologie von der Steuereinspeisung bis zum Schütz bzw. Frequenzumrichter einschließlich der Steuer- und Regeltechnik für die Anlagenbaugruppen integriert. Zusätzlich sollte die Bau- und Planungszeit auf ein Minimum reduziert werden, denn längere Ausfallzeiten - etwa bei der Modernisierung eines Krankenhauses - führen zu erheblichen Mehrkosten, wenn während der Bauphase ein Provisorium geschaffen werden muss. Grundlagen der Energiebustechnik Bild veranschaulicht das Prinzip der Energiebustechnik. Dargestellt ist ein schematischer Ausschnitt aus einer Klimaanlage. Das Konzept der Energiebustechnik besteht zunächst in der Aufteilung einer Lüftungs- und Klimaanlage in immer wiederkehrende Baugruppen. Die in Bild dargestellten Aggregrate reichen von einer Klappe, einem Filter, über einen Erhitzer und Kühler bis zu einem Ventilator. Die einzelnen Baugruppen haben, betrachtet man die verschiedenen möglichen Anlagentypen in ihrer Gesamtheit, genau umrissene, standardisierbare Funktionen. Diese Funktionen werden durch spezialisierte Geräte realisiert, die alle nötigen Bauteile von der Hard- bis zur Software Gebäudetechnik Elektropraktiker, Berlin 55 (2001) 6 481 Dezentrale Steuerung von Lüftungs- und Klimaanlagen Th. Hansemann, Mannheim Für die Steuerung und Regelung von Lüftungs- und Klimaanlagen werden die erforderlichen Komponenten in herkömmlicher Bauweise zentral in Schaltschränken angeordnet. Lösungen in anderen Anlagenbereichen, z. B. der Heizungstechnik, zeigen, dass eine dezentrale Anordnung Kosten spart und flexibler ist. Mit der Energiebustechnik wird ein alternativer, dezentraler Ansatz für die Klima- und Lüftungstechnik vorgestellt. Anhand von Beispielen werden praktikable Lösungen diskutiert. Dipl.-Ing. Thomas Hansemann ist als Manager Sales and Marketing bei der ABB Gebäudetechnik AG in Mannheim tätig. Autor Konventioneller Schaltschrank für die Gebäudetechnik Prinzip der dezentralen Energiebustechnik enthalten. In Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme der Anlagenkomponente sind unterschiedliche Varianten lieferbar. Untersuchungen haben gezeigt, dass man mit diesen standardisierten Automatisierungsgeräten den größten Teil der Anlagen aufbauen kann. Lediglich spezielle Anwendungen werden auch weiterhin mit individuellen Hard- und Softwarelösungen umgesetzt. Im Gegensatz zum konventionellen Schaltschrankbau mit individueller, sternförmiger Verkabelung wird ein Energiebussystem eingesetzt, das sowohl die Stromversorgung als auch die Datenübertragung sicherstellt. Das System setzt sich aus dem sogenannten Energiebus und dem Datenbus zusammen. Der Energiebus besteht aus einem ausreichend dimensionierten Kabel, das die angeschlossenen Module und die damit gesteuerten Verbraucher (Pumpe, Ventilator usw.) mit Energie versorgt. Über den Datenbus tauschen die Energiebusmodule Informationen mit der Gebäudeleittechnik aus. Notwendige Verriegelung werden gewährleistet durch den von der Gebäudeleittechnik unabhängigen Datenaustausch zwischen den Modulen sowie mit übergeordneten, hardwaremäßig realisierten Steuerungs- und Sicherheitsfunktionen im Schaltschrank, z. B. die Frostschutzfunktion. Beispiel: Energiebusmodul zur Ansteuerung und Regelung einer Pumpe Jedes Energiebusmodul (Bild ) enthält statt einer konventionellen Motorschutzeinrichtung ein busfähiges, intelligentes Modul, das allphasig den Motorstrom misst. Die Messwerte werden hinsichtlich verschiedener Schwellen automatisch überwacht, so dass zusätzliche, sonst übliche Schutzeinrichtungen wie Keilriemenwächter oder Differenzdruckwächter überflüssig sind. Die Motorinformationen werden regelmäßig über das Bussystem an die Gebäudeleittechnk weitergeleitet. Störungen werden rechtzeitig erkannt und detailliert gemeldet. Wartungsarbeiten können somit sehr effektiv und zustandsorientiert durchgeführt werden. Um die Arbeit vor Ort weiter zu vereinfachen, sind die Energiebusmodule bereits werksseitig mit einer Motoranschlussleitung und einem kurzen Anschlusskabel zum Energiebus ausgestattet. Gebäudetechnik Elektropraktiker, Berlin 55 (2001) 6 Anlagenstruktur der Energiebustechnik Das Energiebusmodul enthält die Komponenten zur Regelung und zur Ansteuerung des Pumpenmotors Integration der Energiebustechnik in die Gesamtstruktur Bild zeigt die Integration der Energiebusmodule in das Gesamtkonzept. Übergeordnet führt die Leitzentrale alle Managementfunktionen aus. Über Bedien- und Anzeigegeräte können die Energiebusmodule direkt parametriert bzw. auch entsprechende Datenpunkte abgefragt werden. Die Energiebusmodule fügen sich als autarke Systeme in das Gesamtsystem ein. Die Kommunikation mit der Leitzentrale erfolgt über den LON-Bus. Standardmäßig stellt die Leitzentrale folgende gebäudeleittechnischen Funktionen zur Verfügung: Zeitschaltprogramm. Vorvereinbarte Aufträge werden zeitgesteuert abgearbeitet, wobei sich die Aufträge im Minutenraster vereinbaren lassen können. Bestimmte Folgen können zu Tagesprogrammen zusammengefasst werden, die in einer Kalenderdarstellung aufgelistet werden. Somit lassen sich auch ganze Jahresprogramme erstellen. Ereignisprogramm. Dieses Programm gibt aufgrund von z. B. Schaltbefehlen oder Grenzwertveränderungen automatisch vordefinierte Aufträge aus. Netzwiederkehrprogramm. Das Programm sorgt dafür, dass nach einem Netzausfall das System automatisch in den Zustand zurückkehrt, in dem es vor dem Netzausfall war. Lastspitzenbegrenzung (EMAX). Das Programm stellt durch zyklische Hochrechnung und automatisches Abschalten und späteres Wiederzuschalten zugeordneter Verbraucher sicher, dass der mit dem EVU vereinbarte Leistungsbezug in einem vorgegebenen Überwachungsintervall nicht überschritten wird. Verbrauchsstatistik. Dieses GLT-Modul erfasst den Energieverbrauch von Anlagen, ggf. mit unterschiedlichen Energieträgern, und stellt verbrauchte Mengen und Kosten in Form von Statistiken dar. Betriebsstundenzählung. Dieses Programm erfasst die Zeit, die ein bestimmtes Gerät eingeschaltet war. Bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes wird eine Wartungsmeldung erzeugt. Störstatistik. Die Störhäufigkeit realer und fiktiver Datenpunkte von Anlagen, z. B. zur Schwachstellenbewertung oder zur Auslösung von Wartungsmaßnahmen bei einer vorgegebenen Schaltspielzahl, wird erfasst und registriert. Beispiel Spielcasino Schenefeld Das Beispiel des Spielcasinos Schenefeld zeigt die Integrationsfähigkeit der Energiebustechnik. Zwei Vollklimaanlagen sollen für ein angenehmes Raumklima sorgen. Eine Anlage zur Wärmerückgewinnung sichert die optimale Energieausnutzung, wobei die angenehmen Raumkonditionen beibehalten werden. Obwohl die exakte Dimensionierung der Klimaanlagen zum Zeitpunkt der Auftragserteilung noch nicht abgeschlossen war, sollte schon zwei Monate später die Inbetriebnahme stattfinden. Bei Verwendung herkömmlicher Schaltschränke war das kaum zu schaffen. Denn die Planung dieser Schaltschränke hätte erst abgeschlossen werden können, nachdem auch für den letzten Antrieb alle notwendigen Angaben verfügbar gewesen wären. Erst danach hätten die Schaltschränke gebaut, vor Ort montiert und angeschlossen werden können. Die Alternative „Schaltschrankfertigung auf der Basis ungesicherter Informationen“ hat im Allgemeinen später aufwendige Umbauten vor Ort zur Folge. Außerdem hätten alle Schaltschrankumbauten entsprechende Änderungen in der Dokumentation nach sich gezogen. Diese Alternative kam daher nicht in Frage. Man entschied sich aus diesen Gründen für ein dezentrales Gebäudeautomationssystem. Kabeleinsparung und Raumgewinn Die ursprüngliche Planung sah im Rechnerraum des Casinos ausreichend Platz für Schaltschränke vor. Sämtliche lufttechnischen Anlagen sollten dagegen auf dem Dach rechts und links neben dem Glasgewölbe stehen. Eine umfangreiche Verkabelung, teilweise im Doppelboden des Casinos verlegt, hätte die Verbindung zwischen den Schaltschränken und der Anlagentechnik hergestellt. Heute befindet sich im Rechnerraum lediglich eine Energieverteilung, die auch Bediendisplays und eine zentrale PC-Schnittstelle enthält. Außerdem hat darin das Modem seinen Platz, das Störungen direkt an die Landesbank nach Kiel meldet. Der frei gebliebene Platz wird heute vom Casino Schenefeld sinnvoller genutzt. Statt der zunächst in konventioneller Installation vorgesehenen Kabelbündel verlaufen heute vom Rechnerraum nur einige Kabel für die Energieversorgung und die Buskommunikation zu den betriebstechnischen Anlagen. Die hierbei drastisch reduzierten Brandlasten waren ein weiteres starkes Sicherheitsargument im Hinblick auf den regen Publikumsverkehr im Spielcasino. Gebäudetechnik Elektropraktiker, Berlin 55 (2001) 6 483 Montage direkt an den Lüftungsanlagen Die metallgekapselten Energiebusmodule wurden direkt an die Außenwand der Lüftungsgeräte geschraubt, während kleine Geräte, beispielsweise für die Steuerung von Pumpen, sogar im Inneren Platz fanden. So ist heute der Montageplatz im Bereich der Klimaanlagen für die Automatisierungstechnik sinnvoll genutzt, während die ursprünglich für die Aufstellung von Schaltschränken vorgesehenen Quadratmeter großzügigere Platzverhältnisse im Rechnerraum bieten. Zusammenfassung und Ausblick Mit dem Energiebus wurde ein Automatisierungskonzept entworfen, das Schaltschränke einspart. Hier werden die Steuer- und Regelbaugruppen einer HLK-Anlage als autarke, kompakte Module unmittelbar an die betriebstechnischen Anlagen montiert (Bild ). Statt aufwendiger Einzelverkabelung erfolgt die Versorgung der Geräte über ein Energiebussystem, das sowohl die Stromversorgung als auch die Datenübertragung übernimmt (Bild ). Wie in einem Baukastensystem lassen sich die benötigten Steuer- und Regelbaugruppen in Form von Funktionsblöcken zusammensetzen. Neben einem Zugewinn an Nutzfläche durch den Wegfall ganzer Schaltschrankgruppen wird zusätzlich auch ein erheblicher Teil an Verkabelung eingespart. Das reduziert nicht nur die Investitionskosten, sondern verringert auch die Brandlast in einem Gebäude. Die bisherigen Erfahrungen mit der Energiebustechnik sprechen für eine konsequente Weiterentwicklung dieser dezentralen Technik. Diese ist bei der ABB Gebäudetechnik AG insbesondere im Hinblick auf die weitergehenden Möglichkeiten der Technologie des Local Operating Network (LON) für die kommenden Monate geplant. Gebäudetechnik Elektropraktiker, Berlin 55 (2001) 6 484 Energiebusmodule werden direkt an die Anlage montiert Energiebustechnik in einer Klimazentrale
Autor
- T. Hansemann
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