Konstantlichtregelung mit KNX Vorwort

Vorwort

Mein Dank gilt an dieser Stelle Herrn Prof. Dr.-Ing., Eur.-Ing. Klaus Wolf als auch Prof. Dr.-Ing. Roland Schiek von der Fachhochschule Regensburg, sowie allen die mir mit Rat und Tat zur Seite gestanden haben. Außerdem bedanke ich mich bei der Firma Siemens AG, Abteilung A&D in Regensburg, insbesondere bei Herrn Robert Zizlsperger und Herrn Axel Großmann für die fachmännische Betreuung und Ermöglichung dieser Diplomarbeit.

Konstantlichtregelung  mit KNX 1 Aufgabenstellung  

Inhaltsverzeichnis

1  Aufgabenstellung.  4

2  Abstract  5

3  Einleitung.  6

4  Grundlagen.  7

4.1  KNX - Bussystem  7

4.1.1  Bestandteile  8

4.1.2  Wesentlicher Unterschied zur elektrischen Steuerung.  9

4.1.3  Vorteile  9

4.1.4  Physikalische Struktur / Netztopologie  10

4.2  Engineering Tool Software (ETS)  11

4.3  Digital Addressable Lighting Interface (DALI)  12

4.4  Lichttechnische Grundlagen.  13

4.5  Grundgrößen der Lichttechnik.  14

4.5.1  Leuchtdichte.  14

4.5.2  Beleuchtungsstärke.  15

4.5.3  Lichtstärke.  16

4.5.4  Lichtstrom.  17

4.6  Raumplanung  17

4.6.1  Beleuchtungsniveau.  17

4.6.2  Leuchtdichteverteilung  18

4.6.3  Grundregeln des Lichtdesigns.  18

4.7  Lichtfarbe und Farbwiedergabe.  18

4.8  Konstantlichtregelung.  20

4.8.1  Regelungsstrecke und -einrichtung.  20

4.8.2  Closed Loop  20

4.8.3  Integral Reset.  21

4.8.4  Zwei-Punkt-Regelung.  21

4.9  Funktionsweise Präsenzmelder  21

4.10  Lichtsensoren  23

1

Konstantlichtregelung  mit KNX 1 Aufgabenstellung  

4.11  Beispiele erhältlicher Lichtsensoren / Präsenzmelder  25

4.11.1  Osram  25

4.11.2  Siemens  26

4.12  Abschätzung der Energieeinsparung  27

4.12.1  Gebäudespezifischer Energieverbrauch  27

4.12.2  Lampentypen  28

4.12.3  Elektronische Vorschaltgeräte.  28

4.12.4  Gedimmte Leuchtstofflampen  30

4.12.5  Präsenzmelder  31

4.12.6  Lichtregelung.  31

4.12.7  Beispiel: mögliches Einsparpotential.  31

4.12.8  Beispiele aus der Praxis:  32

5  Konstantlichtregelung  33

5.1  Dynamische tageslichtabhängige Regelung des Kunstlichts  33

5.2  Montageort der Präsenzmelder / Lichtsensoren.  33

6  Praktischer Einsatz.  35

6.1  Prinzipielle Überlegungen  35

6.2  Bestehende Lichtsteuerung.  36

6.2.1  Lampenverteilung im Schulungsraum  36

6.2.2  Vorhandenen Schaltmöglichkeiten.  37

6.2.3  Gruppenaufteilung der Beleuchtungsanlage  40

6.2.4  Problematik des bestehenden Raumes  41

6.2.5  Vorhandene KNX-Busgeräte.  41

6.3  Neukonzeption des Schulungsraums:  41

6.3.1  Prinzip  41

6.3.2  Gewünschte Funktionen  42

6.3.3  Zusätzlich benötigte Busgeräte  43

6.4  Praktische Umsetzung  43

6.4.1  Montage der erforderlichen Geräte:  43

6.4.2  Software zur Raumberechnung.  44

6.4.3  Im Projekt benötigte Software  45

6.4.4  Parametrierung der Präsenzmelder  45

2

Konstantlichtregelung  mit KNX 1 Aufgabenstellung  

6.4.5  Parametrierung der Taster  46

6.4.6  Einstellen der Szenen  47

7  Zusammenfassung  48

7.1  Erreichte Ziele  48

7.2  Weitere Schritte, Empfehlungen.  48

7.2.1  Berechnung der Energieersparnis.  48

7.2.2  Optimierung der Lichtverhältnisse.  48

7.2.3  Schulungsmaßnahmen  49

7.3  Visionen, Ideen  49

8  Abbildungsverzeichnis.  50

9  Tabellenverzeichnis.  52

10  Literaturverzeichnis  53

11  Eidesstattliche Erklärung  55

12  Anhang  56

12.1  Grundregeln des Lichtdesigns.  56

12.1.1  Leuchtenanzahl.  56

12.1.2  Raumfaktor k.  57

12.1.3  Reflektionsgrade ρ  57

12.1.4  Raumwirkungsgrad ŋ R  58

12.2  Konstantlichtregelung mit Siemens Geräten  60

12.2.1  Kombisensor für Helligkeit und Temperatur AP254  60

12.2.2  Außenlichtabhängige Steuerung - Helligkeitssensor GE253 und  

Steuerbaustein  N342.  61

12.2.3  Helligkeitssensor UP oder AP255 und Schalt- / Dimmaktor N526/02  62

12.2.4  Präsenzmelder N258/21  63

3

Konstantlichtregelung mit KNX 1 Aufgabenstellung

1 Aufgabenstellung

Ziel dieser Diplomarbeit ist es unter Verwendung des KNX-Gebäudebussystems ein Konzept für eine Konstantlichtregelung zu erarbeiten.

Im Zuge dessen soll ein Schulungsraum der Siemens AG in Regensburg projektiert und in Betrieb genommen werden.

4

Konstantlichtregelung mit KNX 2 Abstract

2 Abstract

The intention of this diploma thesis is to develop a concept of a closed loop control for room illumination employing the KNX bus system.

In the course of this a training room at Siemens AG Regensburg shall be set up and put into operation.

5

Konstantlichtregelung mit KNX 3 Einleitung

3 Einleitung

In modernen Gebäuden wird die Beleuchtung in aller Regel nicht mehr nur einfach manuell geschaltet, sondern es besteht grundsätzlich die Forderung intelligente Lichtsteuer- bzw. -regelsysteme einzusetzen. Ziel ist eine effizient arbeitende Beleuchtung, was in diesem Zusammenhang bedeutet:

• Vermeidung von unnötig eingeschalteter Beleuchtung

• Energieeinsparung und Schonung der Ressourcen • Angenehmes Arbeitsklima durch ausreichend Helligkeit • Mehr Sicherheit durch optimale Beleuchtung • Maximale Lebensdauer der Leuchtmittel

6

Konstantlichtregelung mit KNX 4 Grundlagen

4 Grundlagen

4.1 KNX - Bussystem

In der herkömmlichen Gebäudetechnik werden die einzelnen Anlagenteile (sogenannte Gewerke) wie Beleuchtung, Beschattung, Heizung, Alarmanlage, etc. separat geplant und mit verschiedenen Systemen ausgeführt. Mit steigender Funktionalität und Komfortansprüchen wird die konventionelle Gebäudetechnik aufwendig, unübersichtlich und teuer. Eine Verbindung zwischen den Gewerken, z.B. für eine gemeinsame Bedienung, ist nur mit hohem technischen Aufwand möglich. [1]

Der Europäische Installationsbus (EIB) wurde als System entwickelt, das für alle wichtigen Anlagen in der Gebäudetechnik eingesetzt werden kann. Damit können die einzelnen Gewerke gemeinsam, "integral", geplant und ausgeführt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, haben sich 1990 führende Hersteller für Gebäudesystemtechnik in Europa zur European Installation Bus Association (EIBA) zusammengeschlossen. Gründungsmitglieder waren Siemens, Berker, Jung, Gira und Merten.

Jeder Hersteller hält sich an definierte Normen, so dass sämtliche Geräte untereinander kommunizieren können. Dies vereinfacht sowohl Planung als auch Ausführung und ermöglicht ohne Zusatzaufwand eine höhere Funktionalität sowie

7

Konstantlichtregelung mit KNX 4 Grundlagen

mehr Komfort. Der EIB ist ein Standard, der beschreibt, wie in einer Gebäudeinstallation Sensoren und Aktoren miteinander genutzt werden können. 1999 fusionierte EIB mit BatiBus und European Home Systems (EHS) zur KNX Association. KNX ist abwärtskompatibel zum EIB, so dass bestehende EIB-Anlagen mit KNX-Geräten erweiterbar sind.

Diese Technologie hat sich insbesondere durch gezielte Schulungsmaßnahmen von Installateuren, Planern und Integratoren sowie einheitlichem Marketing etabliert. [1]

KNX garantiert die Kompatibilität und Interoperabilität verschiedener Geräte und Systeme, nicht nur der Elektroinstallationstechnik, sondern auch aus anderen Bereichen wie Heizung, Lüftung, Klima (HLK) oder Hausgeräten (z.B. Herd).

4.1.1 Bestandteile

Das KNX-System besteht im Wesentlichen aus Sensoren und Aktoren, die über Busleitungen miteinander verbunden sind (siehe Abb. 4.3). Die Sensoren erzeugen Befehle in Form von Telegrammen, die Aktoren setzen die empfangenen Telegramme in Aktionen um, wie z. B. Schalten, Dimmen, etc. Die Kommunikation zwischen den Geräten findet meist über Zweidrahttechnik (Twisted Pair) statt, kann aber auch über Internet Protocol (IP), Funk (RF), Infrarot oder Powerline erfolgen. Weitere Systemsgeräte sind unter anderem Linienkoppler, Kontroller und Spannungsversorgungen (für weitere Systemgeräte und nähere Erläuterungen siehe www.siemens.de/gamma).

8

Konstantlichtregelung mit KNX 4 Grundlagen

Das System ist dezentral aufgebaut, d. h. jedes Gerät enthält einen eigenen Mikroprozessor. Somit ist keine Steuerzentrale nötig. Anhand der entsprechenden Parametrierung, die jederzeit veränderbar ist, weiß das Gerät, was es zu tun hat. Dadurch ist KNX sehr flexibel und jederzeit an neue Bedürfnisse anpassbar. [1]

KNX wird derzeit vor allem bei neuen Wohn- und Zweckbauten installiert, kann jedoch auch bei der Modernisierung von Altbauten nachträglich eingebaut werden.

4.1.2 Wesentlicher Unterschied zur elektrischen Steuerung

Bisher wurden alle Geräte elektrisch ein- oder ausgeschaltet. Nun gibt es zwei Netze, da Stromversorgung und Gerätesteuerung getrennt sind. Das Stromnetz zur Stromversorgung mit 230 V Wechselspannung und das Steuerungsnetz (KNX) mit maximal 30 V Gleichspannung. Diese werden unabhängig voneinander, beziehungsweise parallel im Gebäude verlegt.

4.1.3 Vorteile

Mit dieser Technologie kann nun jeder elektrische Verbraucher schnell und unkompliziert angesteuert werden. Durch Neuprogrammierung ist es möglich jede Art von Anschluss neu zu definieren. Ein Taster der vorher noch zum Schalten einer Deckenleuchte bestimmt war, kann z. B. zum Schalten der Gartenbewässerung umprogrammiert werden. Ebenso kann jedes System verschiedene Sensordaten abfragen. Beispielsweise können die Daten des Windmessers genutzt werden, um

9

Konstantlichtregelung mit KNX 4 Grundlagen

Jalousien oder Markisen einzufahren oder alle Fenster und Türen bei einer bestimmten Windstärke automatisch zu schließen. Welche Aktionen jeweils erfolgen sollen, lässt sich dabei durch Programmierung der Anlage flexibel festlegen.

4.1.4 Physikalische Struktur / Netztopologie

Der KNX ist aufgeteilt in 15 Bereiche, 15 Linien und 255 Teilnehmer pro Linie. Somit können bis zu 57.375 elektrische Geräte einzeln gesteuert werden. Die Physikalische Adresse 8.7.233 etwa bezeichnet den Teilnehmer 233 in Bereich 8, Linie 7. Auf einer Buslinie dürfen maximal 255 Busteilnehmern angeschlossen werden, wobei jede Linie eine eigene Spannungsversorgung benötigt.

Um die Struktur zu erweitern, können mit Hilfe von Linienkopplern bis zu 15 Linien über eine Hauptlinie miteinander verbunden werden. Die Hauptlinie selbst benötigt ebenfalls eine Spannungsversorgung und kann maximal 255 Busteilnehmer beinhalten (siehe Abb. 4.4).

Des Weiteren ist es möglich, maximal 15 Hauptlinien über eine Bereichslinie zu verbinden und dadurch zu erweitern. Die Bereichslinie wiederum kann ebenfalls 255 Teilnehmer haben.

Die Grafik in Abb. 4.5 zeigt die Aufteilung in Linien, Hauptlinien und Bereiche.

10

Konstantlichtregelung mit KNX 4 Grundlagen

Abb. 4.5: Bereiche: Bereichskoppler (BK), Linienkoppler (LK), Teinehmer (TLN)

Auf den übergeordneten Linien, Hauptlinie und Bereichslinie, werden meist Geräte eingebunden die Zentralfunktionen bieten. Dies sind z. B. physikalische Sensoren, Visualisierungen, Logikkomponenten und Aktoren in Verteilern, die Schaltausgänge für Sensoren aus verschiedenen Linien zur Verfügung stellen. [1]

4.2 Engineering Tool Software (ETS)

Die ETS ist eine standardisierte Software zur Planung und Konfiguration intelligenter Haus- und Gebäudesystemtechnik, die als Installationswerkzeug weltweit für jedes KNX Projekt / Gerät eingesetzt werden kann. Da sämtliche Produktdaten aller KNX-Hersteller importiert werden können, ist die ETS eine hersteller- und anbieterunabhängige Software, die sowohl Verwendung bei Installationsbetrieben als auch bei Planern findet.

Mit ihr erfolgen die Parametrierung der Busteilnehmer sowie das Zuweisen der Gruppenadressen (Funktionsadressen). Zusammengehörige Aktoren und Sensoren werden mittels Gruppenadresse verbunden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Zusammengehörigkeit von beispielsweise Schaltern und Lampen jederzeit zu ändern, ohne neue Leitungen verlegen zu müssen.

11