Sensoren und Relais
Augen, Ohren und Hände einer Gebäudeautomation
Bislang konzentrierten sich Energieeffizienzmaßnahmen auf den Bau des Gebäudes mit Blick auf z.B. Wärmedämmung und Fenster. Die neue EU-Richtlinie für Gebäude (Energy Performance of Buildings Directive), 2018 verabschiedet und seit 2020 zwingend vorgeschrieben, stellt einen signifikanten Wandel hin zu einem verstärkten Fokus auf die Beherrschung der Energienutzung innerhalb des Gebäudes dar: Smart Buildings und Gebäudeautomatisierung. Doch obwohl intelligente Bauten eine exzellente Kapitalrendite bieten, ist es immer noch schwierig, das erforderliche Anfangskapital genehmigt zu bekommen.
Bild: Omron Electronic Components Europe B.V.Die neue Direktive wird hilfreich dazu beitragen, sowohl CO2-Emissionen als auch die Kosten für die Eigner zu reduzieren. Außerdem lassen sich intelligente Gebäudesysteme um zusätzliche Funktionen erweitern. Laufend kommen neuen Technologien auf, die intelligente Gebäudesysteme besser und günstiger machen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über den Stand der Technik, angefangen bei der Sensorik, die die Daten bereitstellt hin zu den Steuerungskomponenten, die das System dazu befähigen, diese Daten zu verwenden.
Bild: Omron Electronic Components Europe B.V.Bilderkennung
Mit dem Einsatz von ursprünglich für Mobiltelefone entwickelter Bilderkennungstechnologie können Gebäudeautomatisierungssysteme Kamerabilder interpretieren. Sie können Stimmungsausdruck, Alter und Geschlecht einschätzen oder Einzelpersonen erkennen. Mit solchen Sensoren ließen sich Sicherheits- und Gebäudeautomatisierungssysteme letztendlich zusammenfügen, unter Verwendung eines einzigen Satzes von Bildverarbeitungsmodulen. Die gesammelten Daten können automatisch beantwortet, zentral gespeichert oder erfasst, und an einen Bearbeiter nur bei Bedarf weitergegeben werden. Potentiell kann ein Büro ein Individuum bei Ankunft erkennen und Heizung und Licht nach Wunsch einschalten. Omrons HVC-Modul ist das erste Vision-Modul speziell für Anwendungen wie Building Automation, in niedrigen Stückzahlen verfügbar und leicht integrierbar, ohne dass der Entwicklungsingenieur die komplexen Algorithmen verstehen muss. Mit der voll integrierten steckerfertigen Komplettlösung sieht sich der Entwickler nur die Outputs an, um sein System zu konfigurieren.
Temperatursensoren
Geht es bei einer Anwendung nur um das Erfassen von Menschen, ohne Erkennung, sind Temperatursensoren eine fest etablierte Alternative zu Bewegungssensoren. In einem Gebäudeautomatisierungssystem lassen sich solche Sensoren auch auf vielerlei andere Weise verwenden, um einen wertvollen Beitrag zur Sicherheit zu leisten, indem sie potenzielle Probleme identifizieren, ehe diese zu einer größeren Gefahr werden. Viele Brände beginnen z.B. mit einer lokalen Überhitzung; ein Wärmesensor erkennt diese mögliche Brandgefahr. Dies kann nicht nur Leben retten, sondern durch die Möglichkeit rechtzeitiger vorbeugender Wartung auch Kosten. Um in einer Gebäudeautomatisierungsumgebung von Nutzen zu sein, benötigen solche Sensoren ein weites Sichtfeld zur akkuraten und zuverlässigen Anwesenheits- und Standorterkennung und anderen raumgebundenen Aspekten in einem Raum. Omrons MEMS-Temperatursensoren des Typs D6T basieren auf einem IR-Sensor, der die Oberflächentemperatur des Zielobjekts kontaktlos misst mittels einer Thermosäule, die dessen abgestrahlte Energie absorbiert.
Umgebungssensoren
Ein intelligentes Gebäude muss auf Veränderungen des Umfeldes reagieren, um die Energieeffizienz und den Nutzerkomfort zu optimieren. Mehrzweck-Umgebungssensoren ermöglichen die Bewerkstelligung zahlreicher Messaufgaben auf ziemlich einfache Weise mit nur einem kleinen Sensor. Das spart Entwicklungszeit durch diverse kundenkonfigurierbare Optionen. Ob es darum geht, die optimale Büroarbeitstemperatur aufrechtzuerhalten oder dass in einem Museumsraum die richtige Luftfeuchte und Beleuchtung zum Schutz der Exponate herrschen - die Sensoren bieten leicht interpretierbare Daten, die sich anschließend analysieren, in der Cloud speichern und dazu verwenden lassen, Parameter einzustellen oder Echtzeit-Anpassungen vorzunehmen. Sieben Kernparameter sollte jeder Umgebungssensor für Gebäude-und Industrie-Automatisierungssysteme überwachen können: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht, UV-Index, Luftdruck, Störgeräusche und Beschleunigungsverhalten. Sensoren wie der 2JCIE können all dies überwachen und übermitteln ihre Daten über bekannte drahtgebundene und drahtlose Datenschnittstellen wie USB und Bluetooth.
Bild: Omron Electronic Components Europe B.V.Luftqualität
Bauvorschriften stellen detaillierte Vorgaben zu mechanischen Luftaustauschraten in Räumlichkeiten auf, einschließlich der nicht bewohnbaren wie Toiletten, Badezimmern, Küchen und Abstellkammern. Während Bauingenieure dafür sorgen, dass solche Räume mit vorschriftsmäßigen Ventilatoren und anderen Arten von Lüftungen ausgestattet sind, muss ein Gebäudemanager diese Lüftungen instandhalten und sicherstellen, dass deren Leistung nicht unter das geforderte Niveau abfällt. Für diese Aufgabe stehen geeignete Sensoren zur Verfügung. Der Digitaldrucksensor D6F-PH zur Erkennung von Luftströmung und verschmutzten Filtern in Wärmerückgewinnungsgeräten bewerkstelligt dies durch die Erfassung des Differenzialdrucks vor und nach dem Ventilator oder Filter. So erkennt er einen Leistungsrückgang durch Verschmutzung und warnt, dass eine Reinigung oder Ersatz erforderlich ist.
Steuerung der Ausgänge
Sind diese Sensoren die 'Augen und Ohren' eines Gebäudeautomatisierungssystems, so bedarf es auch der 'Hände' um daraufhin zu handeln. Es muss die Ausgänge steuern: Heizungen, Beleuchtungen, Lüftungen etc. Relais sind hierfür noch immer eine passende Lösung. In so gut wie allen Gebäudeautomatisierungssystemen finden sich am Output elektromechanische Leiterplattenrelais. Das mag angesichts so vieler verfügbarer alternativer Schalttechnologien, einschließlich Halbleiter-Schalter, überraschen. Vier Gründe hierfür:
- • Relais haben einen oder mehrere Relaiskontakt-Ausgänge
- • Die Kontakte können mit einem Wechsler-Ausgang für Verriegelungs- und Abtastschaltungen versehen werden
- • Relais können AC-oder DC-Spannungen einzeln schalten
- • Relais erfüllen die Anforderungen der Isolations- und Glühdrahtprüfung
Aufgrund erheblicher Lastenunterschiede und neuer Anforderungen an Relais durch jüngste Technologien haben Hersteller wie Omron Plattform-Relaisserien entwickelt, die all diesen unterschiedlichen Ansprüchen gerecht werden. Die G5Q-Familie bietet z.B. verschiedene Spezifikationen mit dem gleichen Leiterplattenanschluss für verschiedene Schaltbedarfe. Auch Relaishersteller sehen sich vor der Herausforderung, ihre Komponenten immer kompakter zu gestalten. Das G5Q z.B. ist ein Industrierelais für hohe Spezifikationen, jedoch nur 20mm lang, 15mm hoch und 10.3mm tief. Spezielle Anwendungen haben ihre eigenen speziellen Herausforderungen. LED-Beleuchtung, Wasserpumpen und kapazitive Eingangsfilter mit Leistungsfaktorkorrektur erzeugen hohe Einschaltströme. Das bedeutet extreme Lasten für die Relaiskontakte. Verschmelzen Relaiskontakte, zerstört dies das Relais und somit das Gerät. Relais wie das G5Q-1A-EL2 für kapazitive Einschaltströme im µs-Bereich können Einschaltströme von 40A/100µs und Nenn-Ausschaltströme von 1A/250VAC bis zu hunderttausend Mal schalten. Das gleiche Konstruktionsprinzip gibt es für induktive Motorlasten (z.B. Lüfter) mit Einschaltströmen im ms-Bereich. Das G5Q-1A-EL3 ist entsprechend konzipiert und schafft etwa 300.000 Schaltspiele mit 250VAC/30A und 500ms Einschaltströmen (induktive Last) mit einem Ausschaltstrom von 3A. Das G5Q-1A-EL bewältigt Schaltaufgaben in allgemeinen Standardanwendungen (resistive Last) mit hohen Kontaktlasten (10A/250VAC), bei denen Relais oft einem starken Temperaturanstieg ausgesetzt sind. Schließlich gibt es noch stromsparsame bistabile Relais wie das G5RL-U. Diese schalten bis zu 16A und bekommen hohe Einschaltströme von bis zu 150A in den Griff.
Schlussbemerkung
Seit das Bewusstsein für die Auswirkungen von verschwendeter Energie in Gebäuden steigt, hat sich das Technologieangebot zur Einsparung und Steuerung dieser Energie dramatisch verbessert. Die oben beschriebenen Sensoren und Relais versetzen Gebäudemanager in die Lage, sowohl Kosten als auch die CO2-Bilanz zu reduzieren. Mit der Entwicklung der Cloud müssen sie in einem Gebäude sogar gar nicht mehr selbst anwesend sein, um sich ein Bild der Lage zu verschaffen. Sämtliche von System gesammelten Daten und unternommenen Maßnahmen als Reaktion auf diese lassen sich in der Cloud speichern und vom Gebäudemanager prüfen. Dieser kann das System reprogrammieren, um dessen Reaktionen im Licht gewonnener Erfahrungen zu verbessern, oder gegebenenfalls sogar direkt einzugreifen.
Bislang konzentrierten sich Energieeffizienzmaßnahmen auf den Bau des Gebäudes mit Blick auf z.B. Wärmedämmung und Fenster. Die neue EU-Richtlinie für Gebäude (Energy Performance of Buildings Directive), 2018 verabschiedet und seit 2020 zwingend vorgeschrieben, stellt einen signifikanten Wandel hin zu einem verstärkten Fokus auf die Beherrschung der Energienutzung innerhalb des Gebäudes dar: Smart Buildings und Gebäudeautomatisierung. Doch obwohl intelligente Bauten eine exzellente Kapitalrendite bieten, ist es immer noch schwierig, das erforderliche Anfangskapital genehmigt zu bekommen.
Bild: Omron Electronic Components Europe B.V.Die neue Direktive wird hilfreich dazu beitragen, sowohl CO2-Emissionen als auch die Kosten für die Eigner zu reduzieren. Außerdem lassen sich intelligente Gebäudesysteme um zusätzliche Funktionen erweitern. Laufend kommen neuen Technologien auf, die intelligente Gebäudesysteme besser und günstiger machen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über den Stand der Technik, angefangen bei der Sensorik, die die Daten bereitstellt hin zu den Steuerungskomponenten, die das System dazu befähigen, diese Daten zu verwenden.
Omron Electronic Components Europe B.V.
Dieser Artikel erschien in GEBÄUDEDIGITAL 2 (April) 2020 - 07.04.20.Für weitere Artikel besuchen Sie www.gebaeudedigital.de
