Recherche über den aktuellen Stand der Technik von Automatisierungssystemen für Ein- und Mehrfamilienhäuser

Aus HSHL Mechatronik
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Einleitung

Mit dieser Ausarbeitung möchte ich einen Überblick geben zu erhältlichen Automatisierungssystemen für Ein- und Mehrfamilienhäuser. Als erstrangige Quelle habe ich für die Recherche verschiedene Websites genutzt, um einen aktuellen Stand der Technik zu geben, welche in diesem Gebiet rasant und abzweigend durch unterschiedliche Systeme fortschreitet. Darüber hinaus konnte ich Hinweise und Erklärungen eines erfahrenen Projektplaners in dieser Sparte im direkten Gespräch festhalten und kann diese in die vorliegende Ausarbeitung einbringen. Automatisierungstechnik im privaten Wohnungsbau sowie im Zweckbau (Krankenhäuser, Bürogebäude etc.) nimmt seit Jahren stetig zu, was sich durch den steigenden Sicherheits- Energie- und Komfortanspruch der Gebäudehalter erklären lässt. Der Bereich Hausautomation, welcher die Automatisierung von Ein- und Mehrfamilienhäusern beschreibt, ist ein Teilbereich der Gebäudeautomation. Es ist zwischen der Gebäudeautomation in Zweckgebäuden und gängig angewandter Hausautomation zu differenzieren, da die ganzheitliche Umsetzung in Zweckgebäuden aufwendiger ist und oft zum technischen Facilitymanagement genutzt wird. Die Anforderungen der Nutzer im Hausautomationsbereich unterscheiden sich zudem stark von denen in Zweckgebäuden. So wird im Wohnhaus beispielsweise eine einfach zu bedienende, übersichtlich visualisierte Bedienung gefordert, während ein Zweckbau von einer Zentrale mit entsprechenden Rechnern verwaltet wird. Weitere Ansprüche des privaten Nutzers können die Integration von multimedialen Inhalten in das System und weiterer Komfortfunktionen sein.

Darstellung eines automatisierten Familienhauses

In diesem Kapitel soll zunächst ein möglichen Tagesablauf in einem so genannten Smart Home beschrieben werden. Darauf folgend werde ich weitere Aspekte eines Smart Homes darlegen und zusammenfassend die wesentlichen Vor- und Nachteile aufzeigen.

Technische Aspekte eines Smart Homes

Das Leben in einem Smart Home soll für den Bewohner in erster Linie komfortabel sein, was durch eine zeit- und bedarfsgerechte Steuerung der Haustechnik ermöglicht werden kann. Hierzu zählt die Steuerung des Lichtes, der Heizung, der Alarmanlage, der Rollläden, der Lüftung oder Klimaanlage. Auch die elektrische Versorgung von weiteren Verbrauchern kann gesteuert werden. Durch die Automatisierung kann beispielsweise morgens ein geheiztes Bad, Hochfahren der Rollläden, Schalten des Lichtes im Schlafzimmer und ein gekochter Kaffee in der Küche realisiert werden. Beim Verlassen des Hauses wird durch die Betätigung des Lichtschalters im Eingangsbereich die Heizung ausgeschaltet bzw. heruntergeregelt, Stromverbraucher in den Ruhemodus versetzt und das Licht im gesamten Haus ausgeschaltet. Möglich ist auch das Starten eines Simulationsmodus, welcher bei längerer Abwesenheit, z.B. abwechselnd Beleuchtungen und Rollläden schaltet. Sollte ein Eindringen in die Immobilie verübt werden, so kann dieses durch unterschiedliche Sensoren erfasst werden und das Schalten von Aktoren bewirkt werden. Denkbar sind ein Einschalten der Beleuchtung im gesamten Gebäude, das Hochfahren der Rollläden und das Ertönen der Rauchmelder. Darüber hinaus kann der Besitzer, durch die Anbindung der Automatisierungssystems an das Internet, direkt über eine Nachricht an sein Mobiltelefon über den Status seines Hauses informiert werden. So ist es außerdem möglich, dass dieser neben der Statuserfassung der Sensoren im Haus, Aktoren im Haus fernsteuern und individuell an Gegebenheiten anpassen kann. Die genannten Szenarien sind Beispiele für den möglichen Einsatz einer Automatisierungsanlage im Wohnhaus. Zu den automatisierten, haustechnischen Elementen wird in Ein- und Mehrfamilienhäusern häufig eine vernetzte Unterhaltungs- bzw. Multimediaanlage mit in die Heimvernetzung integriert. Im gesamten Haus sind dadurch zentral abgelegte Medien abrufbar. Zudem ist der Aspekt des so genannten Smart Metering zu erwähnen. Den Einsatz dieser intelligenten Zählersysteme für den tatsächlichen Verbrauch von Strom, Wasser oder Gas hat der Gesetzgeber für bestimmte Kunden bereits vorgeschrieben, um die Energiewende möglich zu machen (Vgl. [EB13]). Durch die Einbindung dieser Zähler in ein Netzwerk ist die Kommunikation zwischen Energieversorger und Endverbraucher möglich. Der Energieverbrauch soll dadurch für den Verbraucher transparenter und bewusster werden sowie unterschiedliche, individuelle Tarife vom Energieversorger genutzt werden können. Zusammenfassend werden mit Abb. 2-1 einige Bereiche gezeigt, welche in Ein- und Mehrfamilienhäusern automatisierbar sind.

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Vor- und Nachteile der Hausautomation

In diesem Kapitel sollen die wesentlichen, allgemeinen Vor- und Nachteile, die mit einer Automatisierung eines Wohnhauses verbunden sind, tabellarisch gegenüber gestellt werden. Einzelne Punkte sind jedoch auch spezifisch für den jeweiligen Einsatz der Hausautomation zu bewerten. So ist beispielsweise zu berücksichtigen, ob es sich um einen Altbau handelt, welcher mit einem Automatisierungssystem ausgerüstet wird, oder ein Neubau, bei dem die Elektroinstallation bevorsteht. Ein anderer Aspekt, welche die Vor- oder Nachteilargumente ausmacht, ist das System, welches zur Umsetzung genutzt wird. Auf mögliche Systeme wird im nächsten Kapitel eingegangen.

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Abb.2-3 visualisiert einige, der in diesem Kapitel genannten Automatisierungsmöglichkeiten.

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Überblick eingesetzter Systeme

Bei der Recherche nach unterschiedlichen Systemen zur Automatisierung von Ein- und Mehrfamilienhäusern fiel auf, dass die Menge der Systeme, dessen Bezeichnungen und Hersteller enorm ist. Um das sinnvollste, wirtschaftlichste und preiswerteste System für den eigenen Bedarf auf dem Markt zu finden, ist eine fachkundige Bewertung der Gegebenheiten und Beratung sinnvoll. Da die Menge an Systemen, wie bereits erwähnt, immens ist, möchte ich zwei häufig eingesetzte Technologien erläutern, welche von zahlreichen Unternehmen am Markt angeboten werden. Im ersten Teilkapitel werde ich die KNX [KNX13] Technologie beschreiben, bei welcher es um eine Weiterentwicklung des genormten europäischen Bussystems (EIB) handelt. Im zweiten Teilkapitel soll ein ethernetbasiertes, feldbusunabhängiges System beschrieben werden, welches z.B. von der Firma Beckhoff Automation angeboten wird.

KNX Systeme

Da in der Gebäudeautomation wie in der Hausautomation ein großes Problem in der Kompatibilität der eingesetzten Komponenten zueinander besteht, wurde zunächst von einigen europäischen Herstellern aus der Branche der Gebäudesystemtechnik ein einheitliches, genormtes Bussystem genutzt. Heute gehören diesem Zusammenschluss mehr als 100 Unternehmen der Branche an und verwenden die Bezeichnung „Konnex Association (KNX)“ (Vgl. [KNX13]). Die störungsfreie Kompatibilität auch mit Systemen anderer Hersteller, welcher den KNX Standard verwenden, soll dadurch sichergestellt werden, ebenso die problemlose Erweiterbarkeit eines installierten Systems. Bei KNX handelt es sich um ein dezentrales, feldbusbasiertes System. Die Sensoren, Aktoren und Steuereinheiten haben integrierte Mikrocontroller bzw. „eigene Intelligenzen“ und tauschen Daten direkt untereinander aus, was im Allgemeinen in der linienförmigen Anordnung der Busteilnehmer passiert. Die Steuerfunktionen, welche mit 23V DC betrieben wird ist in diesem System von der Energieversorgung mit meist 230V AC getrennt, was mit Abb.3-1 verdeutlicht wird.

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Für die Übertragung der Daten werden verschiedene Übertragungsmedien angeboten, wodurch sich die jeweilige Umsetzung des Systems ergibt. Im Folgenden eine Zusammenfassung der Möglichkeiten: Twisted Pair - Verdrillte Kupferleitung, Poweline - Stromnetznutzung, Funk, Ethernet (IP), Infrarot, Lichtwellenleiter (nicht standardisierte Übertragungsmedien einiger Hersteller)

Am häufigsten wird die Umsetzung mit der Twisted Pair Verdrahtung durchgeführt. Es macht jedoch auch in Fällen eines Altbaus, denkmalgeschützten Gebäudes o.Ä. eine Funk oder Powerline Lösung ein zusetzen.


Ethernetbasierte Systeme

Bei diesen Systemen handelt es sich um zentrale Systeme mit einem zentralen Computer. Alle Sensoren sind an diesen Rechner angeschlossen und bewirken ein Schalten der Aktoren durch Auswertung der erfassten Daten. Das System nutzt die meist verbreitete LAN-Technologie Ethernet und wird in der Regel sternförmig aufgebaut, Abb.3-2 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau. Beim Defekt einer Leitung ist bei diesem Aufbau nicht das gesamte Netz, wie oft beim Feldbussystem, betroffen. An weiteres Kriterium, das für diese Umsetzung spricht ist die Einbindung in oft bereits vorhandene Ethernet-Netze. Zur Übertragung der Medien stehen auch hier verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung: Twisted Pair - Verdrillte Kupferleitung, Koaxialkabel, Glasfaserkabel, Funk

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Zusammenfassung / Fazit

Es immer spezifisch für den jeweiligen Anwendungsfall zu analysieren, welche Automatisierungslösung sich eignet. Für ein KNX basiertes Bussystem sprechen neben der standardisierten Schnittstelle einige weitere Argumente, wie die einfachere Verdrahtung sowie unkomplizierte Erweiterung durch die „integrierten Intelligenzen“ innerhalb dieser Komponenten. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass diese auch mit entsprechenden Mehrkosten belegt werden während bei einer ethernetbasierten Lösung auf konventionelles Elektromaterial zurückgegriffen werden kann. Andere Aspekte für die sternförmige, ethernetbasierte Lösung werden im vorherigen Kapitel erwähnt. Der Markt der Hausautomation ist stark in Bewegung und die Anzahl der verfügbaren Systeme und Hersteller wächst ständig. Neben dem angestrebten, nachhaltigen Umgang mit der Energie, welcher durch die Automatisierung eines Gebäudes erzielt werden soll und durchaus effizient in Zweckbauten erreicht wird, spricht in Ein- und Mehrfamilienhäusern der Anspruch auf Komfort der Bewohner die wesentliche Rolle. Überschlägig sei dafür zurzeit etwa das 3-fache einer konventionellen Gebäudeelektroinstallation zu zahlen.

Autor: Mario, Saake

Quellen

[AR13] http://img.archiexpo.com/pdf/repository_ae/50417/knx-2007-small-39716_4b.jpg (Zuriff 27.09.2013)

[BH13] http://www.beckhoff.de (Zugriff 25.09.2013)

[EB13] http://www.derenergieblog.de/alle-themen/energie/einbau-strom-und-gaszahler-was-ist-nach-den-jungsten-gesetzesanderungen-wann-einzubauen/ (Zugriff 26.09.2013)

[EN13] http://enafact.de/uploads/pics/eib-system-viele-funktionen.jpg (Zugriff 27.09.2013)

[IB13] http://ibrixxs.de/loxone/ (Zugriff 27.09.2013)

[IT13] http://www.itwissen.info/definition/lexikon/E-Home-eHome-electronic-home.html (Zugriff 25.09.2013)

[KNX13] http://www.knx.org (Zugriff 26.09.2013)

[RWE13] http://www.rwe-smarthome.de (Zugriff 25.09.2013)