Licht- und Beleuchtungstechnik
Outdoor-Lichtmanagement
Die richtige Technik bietet ein Netzwerk an Möglichkeiten
12.07.2018
Die kommunale Außenbeleuchtung von morgen ist nicht nur sparsam, effizient und flexibel. Sie ist vernetzt, intelligent und bietet den Nutzern umfangreiche Möglichkeiten, die weit über die reine Beleuchtungsfunktion hinausgehen.
Kommunen können mit dem Umstieg auf die richtige Technologie heute schon enorme Einsparungen erzielen – und obendrein den Grundstein für kommende Smart-City-Anwendungen legen.
Wenn es darum geht, eine Stadt durch den Einsatz von vernetzten digitalen Technologien effizienter, umweltfreundlicher und attraktiver zu gestalten, muss niemand weit in die Zukunft blicken (Bild 1). Denn die technologischen und infrastrukturellen Voraussetzungen für eine sparsame und intelligente Außenbeleuchtung sind bereits heute vorhanden.
Die Sanierung der bestehenden Außenbeleuchtungslösungen würde sich für viele Kommunen lohnen. Aktuell sind über 30 % der insgesamt 9,4 Mio. Straßenleuchten älter als 30 Jahre – und belasten die Gemeinden durch die veralteten Technologien mit unnötig hohen Energiekosten. Zwischen 30 % und 50 % der kommunalen Energiekosten entfallen auf die Straßenbeleuchtung. Bereits durch einen Umstieg auf die energieeffiziente LED-Technologie könnten die Kommunen ihre Energiekosten um ein Drittel reduzieren. Noch höher liegt das Einsparpotential, wenn die Beleuchtungslösung über ein Lichtmanagementsystem gesteuert wird.
Die Sanierung einer technologisch veralteten Beleuchtungsanlage, die älter als 30 Jahre ist, ließe sich so häufig sogar kostenneutral über die Einsparungen bei den Betriebskosten umsetzen. Dennoch zögern viele kommunale Entscheider. Denn der Umstieg bedeutet eine Entscheidung für Jahrzehnte – eine Herausforderung angesichts der rasanten technologischen Entwicklung.
Gesucht wird eine leistungsfähige und zukunftssichere Lösung, mit der sich heute die Einsparungspotentiale erschließen lassen – und die alle Möglichkeiten für künftige Smart-City-Anwendungen offen hält. Das bedingt eine Reihe von neuen Auswahlkriterien bei Hard- und Software. Worauf sollten Anwender achten?
Powerline nutzt die vorhandene unterirdische Stromversorgung zum Aufbau des Netzwerkes und zur Datenkommunikation. Die Nutzung der bereits existierenden Stromleitungen scheint auf den ersten Blick praktisch. Jedoch sind Arbeiten am Netzwerk bei Stör- oder Service-Fällen im schlimmsten Fall mit unterirdischen Baumaßnahmen verbunden, was bei der häufig unbekannten Kabel-Infrastruktur einen schwer zu kalkulierenden Aufwand darstellt.
Der Markt tendiert aktuell eher zu einer drahtlosen Netzwerk-Kommunikation. Zum Aufbau des Funk-Netzwerkes müssen die Leuchten mit einer zusätzlichen Hardware-Komponente ausgerüstet sein. Eine eventuell erforderliche Wartung wird durch den unkompliziert zugänglichen Funk-Controller der Leuchte deutlich vereinfacht. Zudem ist das Netz dank der ausgereiften Technologie im Bereich der Drahtlos-Kommunikation schnell und einfach installiert.
Damit schafft er ideale Voraussetzungen für eine bequeme, drahtlose Steuerung der kompletten Beleuchtungsanlage vom Büro aus. Mit Reichweiten, die – je nach örtlichen Gegebenheiten – bei maximal 100 m liegen können, eignen sich Funknetzwerke zur Vernetzung selbst von teilweise verdeckten beziehungsweise weiter entfernten Lichtpunkten.
Aktuell haben die meisten Leuchtenhersteller sowohl Powerline als auch Funk-Lösungen im Portfolio. Um dem Anwender den maximalen Entscheidungsspielraum zu bieten, setzen professionelle Anbieter wie Trilux vermehrt auf modulare Baukasten-Systeme, die der Anwender schnell und einfach nach seinen Anforderungen konfigurieren kann.
Ist die Verbindung zwischen Server und Leuchte unterbrochen – beispielsweise durch einen Server- oder Gateway-Ausfall – können keine Steuerimpulse bzw. Dimmprofile mehr an die Leuchte ausgeliefert werden. In diesen Fällen kommt automatisch das im Leuchten-Controller hinterlegte Default-Dimmprofil zum Einsatz. Die Leuchte ist damit weiterhin voll funktionsfähig – Beleuchtungsstärke und Betriebsdauer werden vom Default-Setting bestimmt.
Ist der Controller in der Leuchte selbst defekt, kann auch das integrierte Dimmprofil nicht abgerufen werden. Aber auch in diesem Fall bleibt die Leuchte funktionsfähig – sie erhöht die Beleuchtungsstärke bei einem Controller-Ausfall automatisch auf 100 % bis der Defekt behoben ist. Umgebende Leuchten sind dank Mesh-Netzwerk-Topologie nicht betroffen.
Für eine hohe Datensicherheit empfiehlt sich mindestens eine 128 Bit-Verschlüsselung mit VPN-Verbindung. Zur Steuerung haben sich Web-basierte Software-Systeme durchgesetzt. Sie ermöglichen den Zugriff auf die Außenbeleuchtung per Browser mit Internetverbindung.
Darüber hinaus können die Wartungszyklen durch einen Einblick in die Betriebsparameter besser an den realen Bedarf angepasst werden. Besonders praktisch: Fällt eine Leuchte aus, kann der Betreiber – oder der Service-Mitarbeiter – wahlweise per SMS oder E-Mail informiert werden, Standort-Angabe inklusive. Eventuelle Störfälle können so gezielt innerhalb kürzester Zeit behoben werden.
Mit einem leistungsfähigen Lichtmanagementsystem lassen sich anhand dieser Daten neue Anwendungen umsetzen, beispielsweise „mitlaufendes Licht“ in der Beleuchtung von Straßen, Fußwegen, Parkanlagen oder Parkflächen. Dabei muss die Beleuchtungslösung – dank Sensoren – nicht mehr kontinuierlich ein hohes Beleuchtungsniveau aufrechterhalten. Im Ruhezustand werden die Leuchten in einem frei definierten Zeitfenster auf einen niedrigen Wert abgesenkt, beispielsweise auf 20 % Helligkeit in der Zeit von 2:00 Uhr bis 5:00 Uhr morgens.
Betritt eine Person oder ein Fahrzeug den Erfassungsbereich des Sensors, wird das Beleuchtungsniveau der betreffenden sowie der umliegenden Leuchten automatisch angehoben. Das mitlaufende Licht begleitet das Fahrzeug auf seinem Weg durch die Straßen oder den Fußgänger durch den Park und verbindet so die gewünschten Sicherheits- und Orientierungsansprüche mit einem Höchstmaß an Effizienz.
Anwender haben derzeit die Wahl zwischen Sensoren, die fest in den Leuchten verbaut sind und solchen, die extern an Mast oder Leuchte angebracht werden. Fest in den Leuchten verbaute Sensoren sind besonders unauffällig. Häufig ist es vorteilhafter, auf die Anbringung der Sensoren am Mast zu setzen, da sich so der Erfassungsbereich genauer an die Gegebenheiten vor Ort anpassen lässt. Auch die Service-Arbeiten sind bei extern angebrachten Sensoren deutlich vereinfacht.
Softwareseitig ist eine API-Schnittstelle eine gute Lösung. Damit lässt sich das Lichtmanagementsystem bequem in andere Anwendungen einbinden.
Auch bei der eingesetzten Hardware ist Flexibilität gefordert. Hier werden offene Schnittstellen an den Leuchten benötigt, um beispielsweise Sensorik und Lichtmanagement ohne großen Aufwand integrieren zu können. Im Optimalfall bieten Leuchtenhersteller die Möglichkeit, diese Integration auch nachträglich vorzunehmen. So können Kommunen, die ihre Straßenbeleuchtung mit LED sanieren wollen, aber noch nicht die finanziellen Mittel für ein Lichtmanagementsystem haben, die Möglichkeiten der Steuerung und Vernetzung offenhalten. Trilux bietet mit seinen Smart Lighting Ready Außenleuchten eine solche Option an.
Eines dieser Projekte setzte Trilux im heimischen Arnsberg in Zusammenarbeit mit der Stadt um. Hier wurde mit dem eigenen Outdoor-Lichtmanagementsystem eine intelligente Beleuchtungsanlage mit über 100 Lichtpunkten realisiert, die steuerbares sowie hocheffizientes LED-Licht spendet.
Der nächste konsequente Schritt sind größere Ausschreibungen, in denen es um die Sanierung der gesamten kommunalen Außenbeleuchtung mit tausenden von Lichtpunkten gehen wird. Hier werden Anbieter mit zukunftsfähigen und flexiblen Lösungen, die offen für Smart-City-Anwendungen sind, einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil besitzen.
Autor: Stefan Metzner
Bild 2, Mitte rechts: Eine kartenbasierte Visualisierung des Netzwerkes gibt einen eindeutigen Standort jeder Leuchte an – hierüber können Leuchten ausgewählt und zu Gruppen zusammengefasst werden, wobei sich für jede Gruppe Dimmprofile erstellen und unterschiedliche Beleuchtungsstärken und Betriebszeiten festlegen lassen
Bild 3, Mitte links: Lichtmanagement eröffnet die Potentiale der Smart City: Durch Sensorik können Daten zu Verkehrsaufkommen, Lärm oder Luftqualität gesammelt werden, Lichtmasten können zum Aufbau eines innerstädtischen WLAN Netzwerkes genutzt oder zu Ladestationen für E-Bikes und Elektromobile erweitert werden Der Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.
Wenn es darum geht, eine Stadt durch den Einsatz von vernetzten digitalen Technologien effizienter, umweltfreundlicher und attraktiver zu gestalten, muss niemand weit in die Zukunft blicken (Bild 1). Denn die technologischen und infrastrukturellen Voraussetzungen für eine sparsame und intelligente Außenbeleuchtung sind bereits heute vorhanden.
Die Sanierung der bestehenden Außenbeleuchtungslösungen würde sich für viele Kommunen lohnen. Aktuell sind über 30 % der insgesamt 9,4 Mio. Straßenleuchten älter als 30 Jahre – und belasten die Gemeinden durch die veralteten Technologien mit unnötig hohen Energiekosten. Zwischen 30 % und 50 % der kommunalen Energiekosten entfallen auf die Straßenbeleuchtung. Bereits durch einen Umstieg auf die energieeffiziente LED-Technologie könnten die Kommunen ihre Energiekosten um ein Drittel reduzieren. Noch höher liegt das Einsparpotential, wenn die Beleuchtungslösung über ein Lichtmanagementsystem gesteuert wird.
Die Sanierung einer technologisch veralteten Beleuchtungsanlage, die älter als 30 Jahre ist, ließe sich so häufig sogar kostenneutral über die Einsparungen bei den Betriebskosten umsetzen. Dennoch zögern viele kommunale Entscheider. Denn der Umstieg bedeutet eine Entscheidung für Jahrzehnte – eine Herausforderung angesichts der rasanten technologischen Entwicklung.
Gesucht wird eine leistungsfähige und zukunftssichere Lösung, mit der sich heute die Einsparungspotentiale erschließen lassen – und die alle Möglichkeiten für künftige Smart-City-Anwendungen offen hält. Das bedingt eine Reihe von neuen Auswahlkriterien bei Hard- und Software. Worauf sollten Anwender achten?
Vernetzung über Powerline oder Funk
Für eine intelligente Steuerung der Beleuchtungsanlage über ein Lichtmanagementsystem müssen die einzelnen Lichtpunkte im ersten Schritt zu einem flächendeckenden Netz zusammengeschlossen werden. Dazu kommen im Markt vorrangig zwei Technologien zum Einsatz – die Vernetzung über Powerline und per Funk.Powerline nutzt die vorhandene unterirdische Stromversorgung zum Aufbau des Netzwerkes und zur Datenkommunikation. Die Nutzung der bereits existierenden Stromleitungen scheint auf den ersten Blick praktisch. Jedoch sind Arbeiten am Netzwerk bei Stör- oder Service-Fällen im schlimmsten Fall mit unterirdischen Baumaßnahmen verbunden, was bei der häufig unbekannten Kabel-Infrastruktur einen schwer zu kalkulierenden Aufwand darstellt.Der Markt tendiert aktuell eher zu einer drahtlosen Netzwerk-Kommunikation. Zum Aufbau des Funk-Netzwerkes müssen die Leuchten mit einer zusätzlichen Hardware-Komponente ausgerüstet sein. Eine eventuell erforderliche Wartung wird durch den unkompliziert zugänglichen Funk-Controller der Leuchte deutlich vereinfacht. Zudem ist das Netz dank der ausgereiften Technologie im Bereich der Drahtlos-Kommunikation schnell und einfach installiert.
Breitbandige bidirektionale Echtzeitkommunikation
In der Praxis kommt überwiegend die Funknetz-Technologie ZigBee im UHF-Frequenzband mit 2,4 GHz zum Einsatz. Der Funkstandard, der speziell für den Datenaustausch im Rahmen der Gebäudeautomation konzipiert wurde, ermöglicht eine breitbandige bidirektionale Echtzeitkommunikation.Damit schafft er ideale Voraussetzungen für eine bequeme, drahtlose Steuerung der kompletten Beleuchtungsanlage vom Büro aus. Mit Reichweiten, die – je nach örtlichen Gegebenheiten – bei maximal 100 m liegen können, eignen sich Funknetzwerke zur Vernetzung selbst von teilweise verdeckten beziehungsweise weiter entfernten Lichtpunkten.
Aktuell haben die meisten Leuchtenhersteller sowohl Powerline als auch Funk-Lösungen im Portfolio. Um dem Anwender den maximalen Entscheidungsspielraum zu bieten, setzen professionelle Anbieter wie Trilux vermehrt auf modulare Baukasten-Systeme, die der Anwender schnell und einfach nach seinen Anforderungen konfigurieren kann.
Ausfallsicherheit durch Mesh-Netzwerk
Die sinnvollste Netzwerktopologie für Außenbeleuchtungslösungen ist ein Mesh-Netzwerk, bei dem alle Knotenpunkte miteinander kommunizieren. Durch ein mehrstufiges Sicherheitssystem besitzen die vernetzten Leuchten dabei eine hohe Ausfallsicherheit. In der Regel wird die Verbindung zwischen Leuchte und Server über ein externes Gateway, das bis zu 200 Leuchten bedienen kann, und einen Controller in der Leuchte hergestellt.Ist die Verbindung zwischen Server und Leuchte unterbrochen – beispielsweise durch einen Server- oder Gateway-Ausfall – können keine Steuerimpulse bzw. Dimmprofile mehr an die Leuchte ausgeliefert werden. In diesen Fällen kommt automatisch das im Leuchten-Controller hinterlegte Default-Dimmprofil zum Einsatz. Die Leuchte ist damit weiterhin voll funktionsfähig – Beleuchtungsstärke und Betriebsdauer werden vom Default-Setting bestimmt.
Ist der Controller in der Leuchte selbst defekt, kann auch das integrierte Dimmprofil nicht abgerufen werden. Aber auch in diesem Fall bleibt die Leuchte funktionsfähig – sie erhöht die Beleuchtungsstärke bei einem Controller-Ausfall automatisch auf 100 % bis der Defekt behoben ist. Umgebende Leuchten sind dank Mesh-Netzwerk-Topologie nicht betroffen.
Für eine hohe Datensicherheit empfiehlt sich mindestens eine 128 Bit-Verschlüsselung mit VPN-Verbindung. Zur Steuerung haben sich Web-basierte Software-Systeme durchgesetzt. Sie ermöglichen den Zugriff auf die Außenbeleuchtung per Browser mit Internetverbindung.
Lastenheft für Software
Die Anforderungen an die Steuersoftware sind ausgesprochen hoch – nicht zuletzt aufgrund der vielseitigen Möglichkeiten, die ein Outdoor-Lichtmanagementsystem bieten kann und soll. An erster Stelle sollte immer die Bedienfreundlichkeit stehen. Zu den elementaren Forderungen zählt daher eine intuitiv bedienbare Software mit einer grafischen Benutzeroberfläche. Im besten Fall bietet diese eine kartenbasierte Visualisierung des Netzwerkes (Bild 2), zum Beispiel über Google Maps, auf der jede Leuchte mit einem eindeutigen Standort eingezeichnet ist. Über die Karte können die Leuchten ausgewählt und zu Gruppen zusammengefasst werden. Je nach Software lassen sich für jede dieser Gruppen maßgeschneiderte Dimmprofile erstellen, beispielsweise unterschiedliche Beleuchtungsstärken und Betriebszeiten für die Leuchten in Haupt- und Nebenstraßen. Auch eine Nutzung im Rahmen von Event- und Städtemarketing bietet sich an. Ein paar Mausklicks und die Beleuchtung vor der Stadthalle bleibt bis zum Ende der Veranstaltung aktiv, das Rathaus wird zum Staatsbesuch besonders illuminiert oder die Beleuchtung in den Fußgängerzonen wird zum Stadtfest stimmungsvoll gedimmt.Reporting-Funktionen für Transparenz und Effizienz
Eine weiteres zentrales Auswahlkriterium für die Software sind leistungsfähige Reporting-Tools, mit denen sich die Effizienz und Funktionalität der Außenbeleuchtung kontinuierlich optimieren lassen. Wichtig ist ein Ad-Hoc-Überblick über alle relevanten Betriebsparameter wie Dimmniveau, Energieverbrauch oder Betriebsdauer und zwar wahlweise auf Ebene der Leuchten, der Gruppen oder des gesamten Netzwerkes. Diese Ergebnisse lassen sich hervorragend nutzen, um die Effizienz des Gesamtsystems zu optimieren.Darüber hinaus können die Wartungszyklen durch einen Einblick in die Betriebsparameter besser an den realen Bedarf angepasst werden. Besonders praktisch: Fällt eine Leuchte aus, kann der Betreiber – oder der Service-Mitarbeiter – wahlweise per SMS oder E-Mail informiert werden, Standort-Angabe inklusive. Eventuelle Störfälle können so gezielt innerhalb kürzester Zeit behoben werden.
Sensorische Intelligenz
Durch die Integration von Sensoren in das Lichtmanagementsystem lassen sich Intelligenz und Effizienz des Gesamtsystems weiter steigern. Gängig sind Tageslichtsensoren und Präsenzmelder, die das System mit wichtigem sensorischen Input versorgen. Dazu zählen insbesondere Informationen über die einsetzende Dämmerung oder das Vorhandensein von Personen im Erfassungsbereich.Mit einem leistungsfähigen Lichtmanagementsystem lassen sich anhand dieser Daten neue Anwendungen umsetzen, beispielsweise „mitlaufendes Licht“ in der Beleuchtung von Straßen, Fußwegen, Parkanlagen oder Parkflächen. Dabei muss die Beleuchtungslösung – dank Sensoren – nicht mehr kontinuierlich ein hohes Beleuchtungsniveau aufrechterhalten. Im Ruhezustand werden die Leuchten in einem frei definierten Zeitfenster auf einen niedrigen Wert abgesenkt, beispielsweise auf 20 % Helligkeit in der Zeit von 2:00 Uhr bis 5:00 Uhr morgens.
Betritt eine Person oder ein Fahrzeug den Erfassungsbereich des Sensors, wird das Beleuchtungsniveau der betreffenden sowie der umliegenden Leuchten automatisch angehoben. Das mitlaufende Licht begleitet das Fahrzeug auf seinem Weg durch die Straßen oder den Fußgänger durch den Park und verbindet so die gewünschten Sicherheits- und Orientierungsansprüche mit einem Höchstmaß an Effizienz.
Anwender haben derzeit die Wahl zwischen Sensoren, die fest in den Leuchten verbaut sind und solchen, die extern an Mast oder Leuchte angebracht werden. Fest in den Leuchten verbaute Sensoren sind besonders unauffällig. Häufig ist es vorteilhafter, auf die Anbringung der Sensoren am Mast zu setzen, da sich so der Erfassungsbereich genauer an die Gegebenheiten vor Ort anpassen lässt. Auch die Service-Arbeiten sind bei extern angebrachten Sensoren deutlich vereinfacht.
Zukunftsfähigkeit durch offene Schnittstellen
Was aber, wenn das Lichtmanagementsystem zu einem späteren Zeitpunkt in eine nachgelagerte oder übergeordnete Smart-City-Lösung integriert werden soll? Zukunftsfähige Lösungen sollten unbedingt über offene Schnittstellen verfügen, die dem Anwender die gewünschte Flexibilität für künftige Anwendungen bieten.Softwareseitig ist eine API-Schnittstelle eine gute Lösung. Damit lässt sich das Lichtmanagementsystem bequem in andere Anwendungen einbinden.
Auch bei der eingesetzten Hardware ist Flexibilität gefordert. Hier werden offene Schnittstellen an den Leuchten benötigt, um beispielsweise Sensorik und Lichtmanagement ohne großen Aufwand integrieren zu können. Im Optimalfall bieten Leuchtenhersteller die Möglichkeit, diese Integration auch nachträglich vorzunehmen. So können Kommunen, die ihre Straßenbeleuchtung mit LED sanieren wollen, aber noch nicht die finanziellen Mittel für ein Lichtmanagementsystem haben, die Möglichkeiten der Steuerung und Vernetzung offenhalten. Trilux bietet mit seinen Smart Lighting Ready Außenleuchten eine solche Option an.
Infrastruktur für innovative Anwendungen
Mit der Vernetzung der kommunalen Außenbeleuchtung legen Kommunen den Grundstein für visionäre Nutzungskonzepte, die über die reinen Beleuchtungsaufgaben hinausgehen. Das nahezu flächendeckende Netz an Lichtmasten bietet die ideale Infrastruktur, um auch „artfremde“ Hardwarekomponenten jenseits des Lichtmanagements zu integrieren. Möglich sind beispielweise Sensoren zur Erfassung von Verkehrsaufkommen, Lärm oder Luftqualität. Lichtstelen der neuesten Generation können zudem zum Aufbau eines innerstädtischen WLAN-Netzwerkes genutzt werden oder zu Ladestationen für E-Bikes und Elektromobile erweitert werden (Bild 3).Pilotprojekte ebnen den Weg
Aktuell steht die Transformation des Marktes hin zu intelligenten und vernetzten Außenbeleuchtungslösungen kurz bevor. Gefördert wird diese Entwicklung durch zahlreiche kommunale Pilotprojekte in der Größenordnung von 50 bis 200 Lichtpunkten.Eines dieser Projekte setzte Trilux im heimischen Arnsberg in Zusammenarbeit mit der Stadt um. Hier wurde mit dem eigenen Outdoor-Lichtmanagementsystem eine intelligente Beleuchtungsanlage mit über 100 Lichtpunkten realisiert, die steuerbares sowie hocheffizientes LED-Licht spendet.
Der nächste konsequente Schritt sind größere Ausschreibungen, in denen es um die Sanierung der gesamten kommunalen Außenbeleuchtung mit tausenden von Lichtpunkten gehen wird. Hier werden Anbieter mit zukunftsfähigen und flexiblen Lösungen, die offen für Smart-City-Anwendungen sind, einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil besitzen.
Autor: Stefan Metzner
Bild 2, Mitte rechts: Eine kartenbasierte Visualisierung des Netzwerkes gibt einen eindeutigen Standort jeder Leuchte an – hierüber können Leuchten ausgewählt und zu Gruppen zusammengefasst werden, wobei sich für jede Gruppe Dimmprofile erstellen und unterschiedliche Beleuchtungsstärken und Betriebszeiten festlegen lassen
Bild 3, Mitte links: Lichtmanagement eröffnet die Potentiale der Smart City: Durch Sensorik können Daten zu Verkehrsaufkommen, Lärm oder Luftqualität gesammelt werden, Lichtmasten können zum Aufbau eines innerstädtischen WLAN Netzwerkes genutzt oder zu Ladestationen für E-Bikes und Elektromobile erweitert werden Der Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.