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Ausführende Stelle: Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig - Fakultät 4 - Maschinenbau - Institut für Verkehrssicherheit und Automatisierungstechnik
Förderinitiative: Energieoptimiertes Bauen (EnOB)
Laufzeit: 10/2011 bis 10/2018
Bewilligte Summe: 381.051 €
Förderkennzeichen: 03ET1016A
Themen: Gebäudebetrieb & Gebäudeautomation
Innovation: Vorteile des Gebäudeautomationssystems: geringer Energieverbrauch, günstiges Preis-Leistungsverhältnis, modulares Gerätespektrum sowie Möglichkeiten zur flexiblen Konfiguration und Funktionsanpassung
Schlagworte:

Quintessenz

  • Dezentrales Konzept nutzt preiswerte Standard-Elektronikkomponenten
  • System ist einfach erweiterbar durch Anschluss weiterer Busteilnehmer
  • Automationssystem benötigt selbst wenig Strom
  • Zuverlässige und sichere Datenübertragung über konventionelle Telefonkabel
  • Open-Source-Charakter der Hard- und Software gewährleistet langfristige Verfügbarkeit

SmallCAN könnte den automatisierten Betrieb von Gebäuden deutlich vereinfachen. Das einfache und flexibel erweiterbare Feldbussystem stammt in seiner Grundstruktur aus dem Automobilsektor und benötigt selbst sehr wenig Energie. Zudem lässt es sich vergleichsweise kostengünstig implementieren und erweitern. In einem Forschungsprojekt wurde das schlanke Gebäudeautomationssystem jetzt um einige Automatisierungsfunktionen erweitert, die sich speziell in öffentlichen Gebäuden nutzen lassen. Zudem ist die Praxistauglichkeit im realen Betrieb wissenschaftlich evaluiert worden. Der Abschlussbericht liegt jetzt vor.

Projektkontext

Bei größeren Gebäuden mit komplexer Gebäudetechnik kann eine integrierte Automatisierung zu deutlichen Energieeinsparungen führen. Doch die marktverfügbaren Systeme kommen manches Mal aus Kostengründen nicht zum Einsatz oder können ihr Energieeffizienzpotenzial aufgrund mangelnder Flexibilität oder Erweiterbarkeit nicht voll ausschöpfen.

Das Feldbussystem SmallCAN kann sehr viele Sensoren und Geräte als Busteilnehmer über eine einzige Leitung von maximal 1.000 Meter Länge miteinander verknüpfen. Hierfür reichen gewöhnliche Telefonkabel und preiswerte Standardkomponenten aus. Eine weitere Besonderheit ist der geringe Eigenstrombedarf für das gesamte Automationssystem. Zudem ist es relativ einfach zu implementieren, denn im Regelfall ist es nicht notwendig, die Busteilnehmer individuell zu programmieren. Standardanwendungen können im Sinne von Funktionsblöcken durch eine einfache Parametrierung integriert werden. Inzwischen gibt es ein umfangreiches Portfolio verfügbarer Applikationen, welche das Gesamtsystem als Summe seiner Funktionsblöcke bilden.

SmallCAN-Systeme sind so kostengünstig, weil das dezentrale Konzept ohne spezielle Bus-Geräte auskommt. Dies vereinfacht auch die Montage kostenentscheidend. Zudem setzt das System durchgängig auf standardisierte Elektronikkomponenten wie Lichtschalter oder Pumpen, die über kostengünstige Bus-Module angekoppelt werden.

Das System erfüllt die Anforderungen an ein industrielles Feldbussystem und eignet sich gleichzeitigfür die Automatisierung unterschiedlicher Gebäudetypen.

Busankoppler (links) und dessen Anwendung in einem Anwendungsmodul zur Präsenzerkennung (rechts).

Busankoppler (links) und dessen Anwendung in einem Anwendungsmodul zur Präsenzerkennung (rechts).

© TU Braunschweig, Institut für Gebäude- und Solartechnik IGS sowie Institut für Verkehrssicherheit und Automatisierungstechnik iVA

Forschungsfokus

Das relativ junge Gebäudeautomationssystem SmallCAN wurde in dem Forschungsprojekt um einige Automatisierungsfunktionen erweitert, um die breite Anwendbarkeit und Praxistauglichkeit des Systems zu vertiefen. Es wurde unter realitätsnahen Bedingungen in zwei Gebäuden erprobt, einem privaten Wohngebäude und einem öffentlichen Hochschulgebäude. Weiterhin wird die für den Praxiseinsatz notwendige Vielfalt und Bandbreite an Applikationsmodulen geschaffen. Die Vorteile des SmallCAN-Systems sind in exemplarischen Installationen demonstriert worden.

Erfolge

Um die Praxistauglichkeit von SmallCAN zu erproben, wurde das neue Gebäudeautomationssystem in zwei Gebäuden installiert.

Das erste Demonstrationsobjekt ist ein Einfamilienhaus mit 400 Quadratmetern Grundfläche, in dem etwa 100 Applikationsmodule zum Einsatz kommen. So ermöglicht das Automatisierungssystem die individuelle oder systemoptimierte Steuerung von Heizungsanlage, Beleuchtung, Garagentoren, Jalousien usw. Außerdem wurde für dieses Gebäude das Heizungssystem so parametrisiert, dass die Vorgaben der EnEV nach DIN 4108-6 und DIN 4701-10 eingehalten werden. Es sind insgesamt 194 Komponenten (1 Zentrale, 98 Buskoppler sowie die verschiedenen benötigten Anwendungsapplikationen (Aktoren und Sensoren)) in das Gebäude eingebaut worden. Das Gebäudeautomationssystem ist hier seit 2012 in Betrieb ohne Störungen, so dass bereits umfangreiche Messdaten und Erfahrungen vorliegen.

Bei dem zweiten Demonstrationsobjekt handelte es sich um einen studentischen Arbeitssaal an der TU Braunschweig. Der Schwerpunkt der Systemauslegung war hier die tageslichtabhängige Helligkeitsregelung mit Ein-/Ausschaltautomatik. Dabei sollte ein energie- und komforteffizientes Lichtkonzept unter der Einhaltung der EnEV und der Arbeitsstättenverordnung realisiert werden. Mithilfe vernetzter Lichtsensoren und Bewegungsmeldern kann durch eine digitale Ansteuerung der Leuchten (DALI - Digital Addressable Lighting Interface) an den 39 Arbeitsplätzen eine Verbrauchsreduktion von etwa 60% erreicht und der in der EnEV festgelegte flächenbezogene Energiebedarf von weniger 14 W/m² erreicht werden. Auch diese Anlage läuft seit 2015 ohne Störungen.

Außerhalb der Gebäudeautomatisierung ist noch für Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT- eine Laboreinheit mit SmallCAN ausgerüstet worden. Auch diese Implementierung läuft störungsfrei.

Generell erwarten die Forscher, dass sich mit dem Einsatz des Automationssystems die gesamte Primärenergieaufnahme eines Gebäudes um durchschnittlich 10 bis 25% senken lässt. Eine Gegenüberstellung des Systems SmallCAN zu gängigen Automatisierungssystemen zeigt, dass sowohl der System-Energieverbrauch als auch die Kosten der Geräte bis um das Zehnfache niedriger liegen. Dabei sind die Kostenvorteile durch die nicht notwendige Sternverdrahtung bei der Vernetzung der Geräte noch nicht berücksichtigt.

Studentischer Arbeitssaal als Demonstrationsobjekt: Das neue Gebäudeautomationssystem SmallCAN wurde unter realitätsnahen Bedingungen in zwei Gebäuden erprobt, in einem privaten Wohngebäude und – hier im Bild – in einem öffentlichen Hochschulgebäude.

Studentischer Arbeitssaal als Demonstrationsobjekt nochmals in anderer Perspektive

© TU Braunschweig, Institut für Gebäude- und Solartechnik IGS
Lichtsimulation mit Visualisierung der Lichtverhältnisse im studentischen Arbeitssaal

Lichtsimulation mit Visualisierung der Lichtverhältnisse im studentischen Arbeitssaal

© TU Braunschweig, Institut für Gebäude- und Solartechnik IGS
Grundriss des Demonstrationsobjektes studentischer Arbeitssaal an der TU Braunschweig

Grundriss des Demonstrationsobjektes studentischer Arbeitssaal an der TU Braunschweig

© TU Braunschweig, Institut für Gebäude- und Solartechnik IGS
Helligkeitsprofil des Demonstrationsobjektes Studentischer Arbeitssaal

Helligkeitsprofil des Demonstrationsobjektes Studentischer Arbeitssaal

© TU Braunschweig, Institut für Gebäude- und Solartechnik IGS
Zeitlicher Verlauf ausgewählter Signale aus einer Beleuchtungssteuerung in Abhängigkeit der Außenhelligkeit für einem studentischen Arbeitssaal.

Zeitlicher Verlauf ausgewählter Signale aus einer Beleuchtungssteuerung in Abhängigkeit der Außenhelligkeit für einem studentischen Arbeitssaal.

© TU Braunschweig, Institut für Verkehrssicherheit und Automatisierungstechnik iVA sowie iQST GmbH, Braunschweig

Anwendung

Inzwischen gibt es für SmallCAN ein umfangreiches Portfolio an Anwendungsmodulen für den Einsatz des Systems in der Gebäudeautomation. Analysen zur funktionalen Sicherheit und Prüfungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) wurden bereits erfolgreich durchgeführt. Weiterhin ist ein Tool zur automatisierte Anforderungserhebung nach DIN 3813 und Simulation entwickelt worden.

Letzte Aktualisierung: 22. Januar 2020

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