Danksagung

Ich danke:

• Prof. Dr.-Ing. R. Grohmann für eine interessante Aufgabenstellung und seine engagierte und lehrreiche Betreuung der Arbeit.

• allen Mitarbeitern und Angestellten der HTWK Leipzig, die mich bei der Bearbeitung des Themas unterstützt haben.

• meinen Eltern, die mir mein Studium überhaupt erst ermöglicht haben. Für Eure einzigartige Unterstützung während dieser Zeit, die sicherlich nicht selbstverständlich ist, vielen Dank!

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   

1  Einleitung  1

2  Ziele dieser Arbeit  2

3  Grundlagen  3

3.1  Wichtige Lichttechnische Größen.  3

3.2  Präsenzmelder  7

3.2.1  Funktionsprinzip des PIR-Melders  8

3.2.2  Erfassungscharakteristik von PIR-Meldern  9

3.2.3  Störquellen.  10

3.2.4  Lichtmessung von Bewegungsmeldern  11

3.2.4.1  Echte Tageslichtmessung.  12

3.2.4.2  Mischlichtmessung  13

3.2.4.3  Vergleich echte Tageslichtmessung - Mischlichtmessung  14

3.3  Energieeinsparung in der Beleuchtungstechnik  15

3.3.1  Energieeinsparung durch Tageslicht.  15

3.3.2  Energieeinsparung durch Kompensation des Planungsfaktors.  15

3.3.3  Energieeinsparung durch effektive Leuchtmittel  16

3.3.4  Energieeinsparung durch den Einsatz moderner Vorschaltgeräte  17

3.3.4.1  Dimmen von Leuchtstofflampen mittels 1-10 V Technologie  18

3.3.4.2  Digitale Steuerung DALI  19

3.3.4.3  Energieeinsparung durch Energie - Management -Systeme.  20

3.4  Energiemanagement in der Beleuchtung  22

3.4.1  Anforderungen an ein Energie-Management-System  22

3.4.2  Funktion  22

3.4.3  Amortisationszeit.  23

3.4.4  Wahrnehmung  23

3.4.5  Zuverlässigkeit, Unterhalt und Service.  24

3.5  Steuerung und Regelung des Kunstlichts  25

3.5.1  Was ist eine Steuerung.  25

3.5.2  Was ist eine Regelung  26

3.6  Möglichkeiten zur Realisierung eines Beleuchtungskontrollsystems  28

3.6.1  Konventionelle Installation  28

3.6.1.1  Bestandteile der konventionellen Installation  30

3.6.1.2  Vor und Nachteile einer konventionellen Installation  30

3.6.2  EIB (Europäischer Installations- Bus)  31

3.6.2.1  Was ist der EIB ?  31

3.6.2.2  Vor- und Nachteile des EIB.  34

3.6.3  SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung)  35

3.6.3.1  Geschichte der SPS  35

3.6.3.2  Was ist eine SPS ?  35

3.6.3.3  Vor- und Nachteile einer SPS  36

4  Lichtsteuerung in den Räumlichkeiten der HTWK-Leipzig  37

4.1  Untersuchung ausgewählter Räumlichkeiten  37

4.1.1  Nutzungszeit  38

4.1.2  Energiepreis.  38

4.1.3  Kosten der Umbauarbeiten  39

4.1.4  Preise des Materials  39

4.1.5  Einsatz der Präsenzmelder in den jeweiligen Räumen  40

4.2  Koburger Strasse  41

Patrick  Pählke HTWK Leipzig  

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4.2.1  Haus 2 - Neubau  41

4.2.1.1  Einsparung durch normgerechte Beleuchtungsstärke  44

4.2.1.2  Einsparung durch Umverdrahtung der Leuchtenbänder  46

4.2.1.3  Einsparung durch tageslichtabhängiges Schalten der  

Beleuchtung.   49

4.2.1.4  Einsparung durch tageslichtabhängiges Dimmen der  

Beleuchtung.   60

4.2.1.5  Einsparung durch Einsatz einer Zeitschaltuhr.  65

4.2.2  Haus 1 - Altbau  66

4.2.2.1  Einsparung durch normgerechte Beleuchtungsstärke  67

4.2.2.2  Einsparung durch tageslichtabhängiges Schalten der  

Beleuchtung.   68

4.2.2.3  Einsparung durch tageslichtabhängiges Dimmen der  

Beleuchtung.   72

4.3  Gustav-Freitag-Strasse  74

4.3.1  Einsparung durch normgerechte Beleuchtungsstärke  76

4.3.2  Einsparung durch tageslichtabhängiges Schalten der Beleuchtung  77

4.3.3  Einsparung durch tageslichtabhängiges Dimmen der Beleuchtung  80

4.4  Eichendorfstrasse  82

4.4.1  Energieeinsparung in den WC´s / Waschräumen  83

4.4.2  Energieeinsparung in den Lager und Technikräumen  84

4.4.3  Energieeinsparung auf den Fluren.  84

4.4.4  Energieeinsparung in den Büros / Arbeitszimmern  85

5  Auswertung  89

5.1  Vergleich der Investitionen in der Koburger Strasse  90

5.1.1  Einsparung durch normgerechte Beleuchtungsstärke  90

5.1.2  Einsparung durch tageslichtabhängiges Schalten der Beleuchtung  91

5.1.3  Einsparung durch tageslichtabhängiges Dimmen der Beleuchtung  93

5.1.4  Vergleich der Einsparungsmöglichkeiten untereinander  95

5.2  Vergleich der Investitionen in der Gustav-Freitag-Strasse  97

5.2.1  Einsparung durch tageslichtabhängiges Schalten der Beleuchtung  97

5.2.2  Einsparung durch tageslichtabhängiges Dimmen der Beleuchtung  98

5.2.3  Vergleich der Einsparungsmöglichkeiten untereinander  99

5.3  Vergleich der Investitionen in der Eichendorfstrasse  101

6  Zusammenfassung und Ausblick  103

7  Abkürzungsverzeichnis  106

8  Abbildungsverzeichnis.  108

9  Tabellenverzeichnis  110

10  Literaturverzeichnis.  112

Anlagen   

Erkl  ärung  

Thesen   

Patrick  Pählke HTWK Leipzig  

Einleitung 1

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1 Einleitung

Ein hoher Prozentsatz der heute genutzten Beleuchtungsanlagen entspricht nicht dem Stand der Technik und den Normen, so dass eine Sanierung sowohl aus Kostengründen als auch zur Qualitätssicherung anzuraten ist.

Die Installation neuzeitlicher Beleuchtungssysteme verringert die Stromkosten und zwar mit Hilfe von Spiegelrasterleuchten, Dreibandenleuchtstofflampen mit elektronischen Vorschaltgeräten und durch die Nutzung eines

Beleuchtungskontrollsystems (tageslichtabhängiges Schalten oder Dimmen, automatisches Abschalten mit Hilfe einer Zeitschaltuhr, Nutzung von Präsenzmeldern).

Veraltete Beleuchtungsanlagen in Betrieben, Hochschulen, Büros usw. werden selten als sanierungsbedürftig erkannt. Denn das Licht brennt, die Anlage funktioniert und alles scheint in Ordnung zu sein. Doch der Schein trügt. Aufgrund von Erhebungen weiß man, dass ein hoher Prozentsatz der Beleuchtungsanlagen nicht den Normen entspricht.

Neben den erhöhten Anforderungen an die Beleuchtungsqualität verlangt die Stromkostensenkung nach neuzeitlichen Lichtkonzepten und Leuchten. Die intensive Nutzung von Tageslicht spielt hierbei eine wichtige Rolle, denn Tageslicht hat den entscheidenden Vorteil, dass es nahezu unbegrenzt wie auch kostenlos zur Verfügung steht.

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Ziele dieser Arbeit 2

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2 Ziele dieser Arbeit

Diese Arbeit versucht auf den folgenden Seiten aufzuzeigen, welche Möglichkeiten es gibt, in den Lehrgebäuden der HTWK Leipzig, insbesondere den Hörsälen und Seminarräumen, Elektroenergie bei der Beleuchtungssteuerung einzusparen.

Dabei wurden Einsatzbedingungen, Anschaffungs-, Installations-, und Betriebskosten der einzelnen Lichtsteuerungssysteme recherchiert und verglichen. An ausgewählten Beispielen (Büros, Hörsäle und Seminarräume der HTWK Leipzig) wurden die verschiedenen Kosteneinsparungsvarianten verglichen und in einer Nutzensrechnung nachvollzogen.

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Grundlagen 3

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3 Grundlagen

3.1 Wichtige Lichttechnische Größen

Lichtstärke /12/

Die Lichtstärke ist das Verhältnis des Lichtstromes, der in einem kleinen Raumwinkel abgestrahlt wird, zur Größe dieses Raumwinkels.

Formelzeichen: I Einheit: Zeichen:

Beziehungen:

Raumwinkel /12/

Der Raumwinkel ist das Verhältnis der Größe einer beleuchteten Fläche zum Quadrat des Abstandes zwischen Lichtquelle und Fläche.

Ω (Omega) Formelzeichen: Einheit: Steradiant Zeichen: sr

Beziehungen:

Lichtstrom /12/

Durch die Bewertung der physikalischen Strahlungsleistung (Watt) mit Hilfe der wellenabhängigen Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges entsteht als neue Größe der Lichtstrom. Alle weiteren lichttechnischen Größen sind mit dem Lichtstrom verknüpft. Der Lichtstrom ist die von einer Lichtquelle in alle Richtungen insgesamt abgestrahlte Lichtleistung.

Φ (Phi) Formelzeichen: Einheit: Lumen Zeichen: lm

Ω = Φ Beziehungen: Gleichung 3.3 * I

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Grundlagen 4

_________________________________________________________________ Leuchtdichte /12/

Die Leuchtdichte ist ein Maß für den Helligkeitseindruck, der im menschlichen Auge von einer selbstleuchtenden oder beleuchteten Fläche hervorgerufen wird.

Formelzeichen: L Candela pro m ² Einheit: cd/m ² Zeichen:

Beziehungen:

Man erhält den Zahlenwert der Leuchtdichte, indem man die Lichtstärke einer Lichtquelle durch die leuchtende Fläche teilt, wie man sie aus der Messentfernung sieht.

Beleuchtungsstärke /12/

Die Beleuchtungsstärke ist das Verhältnis des Lichtstromes, der auf eine beleuchtete Fläche fällt, zur Größe der beleuchteten Fläche.

Formelzeichen: E Einheit: Lux Zeichen: lx

Φ

Beziehungen:

Lichtausbeute /12/

Die Lichtausbeute gibt an, mit welchem Wirkungsgrad die aufgenommene elektrische Leistung P in Licht umgesetzt wird, das heißt wie viel Lichtstrom je Watt aufgenommener elektrischer Leistung von einer Lampe erzeugt wird.

η (Eta) Formelzeichen: Einheit: Lumen pro Watt Zeichen: lm/W

Φ η

Beziehungen: _________________________________________________________________ Patrick Pählke HTWK Leipzig

Grundlagen 5

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Abbildung 3.1 Zusammenhang zwischen den lichttechnischen Größen

Nutzungszeit /12/

Die Nutzungszeit Nutz ist das Zeitintervall, während dessen eine vorgegebene t

Beleuchtungsstärke durch Tageslicht an einem oder mehreren Bezugspunkten im Innenraum erreicht oder überschritten wird.

Das Kunstlicht muss teilweise oder ganz ausgeschaltet werden, sobald das Tageslicht eine vorgegebene Beleuchtungsstärke erreicht hat. Das bedeutet ebenfalls, dass das Kunstlicht bei Unterschreitung dieser Grenze wieder eingeschaltet wird.

Relative Nutzungszeit /12/

Ein Teil der Nutzungszeit kann auch außerhalb der Arbeitszeit liegen. Somit ist diese Zeit für die Energiekosteneinsparung bedeutungslos. Bei Berechnungen der Einsparpotentiale einer Beleuchtungsanlage ist es deshalb zweckmäßiger die relative Nutzungszeit zu verwenden. Die relative Nutzungszeit ist die während der Arbeitszeit (A) anfallende Nutzungszeit, bezogen auf die Dauer der Arbeitszeit.

t

=

t rel Nutz ,

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Grundlagen 6

_________________________________________________________________ Tageslichtquotient /14/

Der Tageslichtquotient ist nach DIN wie folgt definiert: Das Verhältnis der Beleuchtungsstärke E p in einem Punkt einer gegebenen Ebene, die durch direktes und/oder indirektes Himmelslicht bei angenommener oder bekannter Leuchtdichteverteilung des Himmels erzeugt wird, zur gleichzeitig vorhandenen Horizontalbeleuchtungsstärke E a im Freien bei unverbauter Himmelshalbkugel.

= ) , , ( z y x t

q

Wird eine Messung immer in gleichbleibender Höhe sowie parallel zur Fensterfront durchgeführt, ist eine Angabe der x- und y-Koordinaten nicht mehr notwendig. Die durch direktes Sonnenlicht bewirkten Anteile bei den Beleuchtungsstärken bleiben unberücksichtigt.

Der Tageslichtquotient besagt, wie viel Prozent der Außenbeleuchtungsstärke durch Öffnungen in einen Innenraum gelangen. Er ist aufgrund der Proportionalität der Beleuchtungsstärken E p und E a und der rotationssymmetrischen Leuchtdichteverteilung des bedeckten Himmels unabhängig sowohl von der Tages- und der Jahreszeit als auch von der horizontalen Orientierung der Tageslichtöffnungen und damit des Gebäudes.

Jeder Punkt in einem Raum hat seinen individuellen Tageslichtquotienten. Wenn man sich einen Raum ohne Fenster nur mit einer Öffnung einer bestimmten Größe in der Decke vorstellt, dann ist es in Höhe der Nutzebene genau unter der Öffnung im Raum am hellsten. Zu den Seitenwänden hin fällt die Helligkeit ab. Der Tageslichtquotient folgt dem Verlauf nach etwa einer Glockenkurve. Unter der Öffnung erhält man folglich den maximalen Tageslichtquotienten t qmax und am Rande den minimalen Tageslichtquotienten t qmin . Ermittelt man nun die Tageslichtquotienten an mehreren Punkten, z.B. in einem Raster von 2 Metern, summiert sie auf und teilt sie durch die Anzahl der Messungen, erhält man den mittleren Tageslichtquotienten.

Der Tageslichtquotient ist also eine geometrische Kenngröße und wird nur von der Raum- und Fenstergestaltung, der äußeren Umgebung, eventuellem Bewuchs der Fensterseite usw. beeinflusst.

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Grundlagen 7

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3.2 Präsenzmelder

Da den eingesetzten Präsenzmeldern, in meiner Arbeit eine entscheidende Bedeutung zukommt, soll an dieser Stelle auf die Technologie von Präsenzmeldern eingegangen werden. Präsenzmelder werden oft auch als PIR-Melder bezeichnet. PIR ist die Abkürzung für Passiv-Infrarot. Infrarot oder infrarote Strahlung wird auch als thermische Strahlung oder Wärmestrahlung bezeichnet und gehört zu den elektromagnetischen Wellen. Jedes Objekt, auch der menschliche Körper, sendet Wärmestrahlung aus, dessen Wellenlänge von seiner Temperatur abhängt. Die infrarote Strahlung ist für das menschliche Auge nicht sichtbar.

Die Wärmestrahlung des Menschen wird von Passiv-Infrarot-Sensoren detektiert. Von den Sensoren selbst geht keine Strahlung aus. Sie empfangen nur und werden deshalb als passive IR-Sensoren bezeichnet.

Bereich 1: kurzwelliges Spektrum UV, unsichtbares Ultraviolett

Bereich 2: für das menschliche Auge sichtbares Licht

Bereich 3: langwelliges Spektrum der Wärmestrahlung IR

Bereich 4: Infrarotbereich für Präsenzerfassung

Abbildung 3.2 Schematische Darstellung des Sonnenlichtspektrums

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Grundlagen 8

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3.2.1 Funktionsprinzip des PIR-Melders

Der Mensch strahlt Wärme aus, Inventar wie Schreibtische o.ä. weniger, warme Leuchtenbänder entsprechend mehr.

PIR-Melder besitzen Sensorelemente, die nur auf Veränderung der Wärmestrahlung reagieren. Bleibt die Wärmestrahlung konstant, so wird kein Signal erzeugt. Um auf die Bewegungen reagieren zu können, benutzen diese Melder ein optisches System aus Linsen und Spiegeln, das im gesamten Erfassungsbereich in ein schachbrettartiges Netz mit sich daraus ergebenden Zonen aufgeteilt ist. Befindet sich eine Person im Erfassungsbereich des Melders, so wird sie von mehreren Zonen ganz oder teilweise erfasst. In der Regel ändert sich das Wärmebild der Umgebung nur sehr langsam und gleichförmig. Im Gegensatz dazu werden schnellere Veränderungen im Wärmebild von sich bewegenden Personen erzeugt. Somit ist die Anwesenheit von Personen zuverlässig erfassbar. Die Veränderungen im Wärmebild erzeugen im Sensor ein elektrisches Signal, das entsprechend aufbereitet und verstärkt wird um elektrische Verbraucher wie Lampen, Jalousien oder HLK-Systeme zu schalten.

Abbildung 3.3 Funktionsprinzip eines PIR-Melders

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Grundlagen 9

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3.2.2 Erfassungscharakteristik von PIR-Meldern

Zur konkreten Projektierung von Präsenzmeldern muss die Nutzungsart der Räumlichkeiten mit einbezogen werden. Je nach Nutzungsart ist eine andere Erfassungscharakteristik besser geeignet. Grundsätzlich kann in zwei Bereiche unterteilt werden: „Aufenthaltsräume“ für sitzende Personen und

„Durchgangsbereiche“ für gehende Personen. Zur Erfassung sitzender Personen werden meist Präsenzmelder für Deckenmontage eingesetzt. Der Erfassungsbereich beträgt hier 360 Grad. Der ideale Erfassungsbereich eines Deckenpräsenzmelders ist quadratisch, da so eine lückenlose Überwachung des Raumes sichergestellt ist. Um größere Räume oder Flächen abzudecken, lassen sich mehrere Melder nahtlos aneinander reihen. Zur Erfassung gehender Personen eignen sich Präsenzmelder zur Wandmontage mit einem Erfassungsbereich von 180 Grad. Die Erfassungszonen liegen bei diesen Meldern horizontal im Raum, das heißt der Erfassungsbereich ist ausgedehnt und hat keine scharfe Abgrenzung. Das Durchqueren einer Erfassungszone wird auch noch in großer Entfernung wahrgenommen. Bei direktem Zugehen auf den Melder, reduziert sich die Empfindlichkeit. Einige Melder besitzen eine Empfindlichkeitsanpassung. Ist ein Raum belegt, schaltet der Melder auf hohe Empfindlichkeit, ist er hingegen unbelegt, so wird mit reduzierter Empfindlichkeit gearbeitet. Auf diese Weise wird hohe Erfassungscharakteristik mit robuster Störunterdrückung kombiniert.

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Grundlagen 10

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3.2.3 Störquellen

Normalerweise wird das Schaltverhalten durch Personen im Erfassungsbereich des Melders bestimmt, in Ausnahmefällen kann es aber auch zu unbeabsichtigtem Schalten durch Fremdeinflüsse kommen. Mögliche Störquellen sollten deshalb schon vor der Montage eliminiert werden. Dazu gehören:

• Abgehängte Leuchten verursachen Abschaltungen im Erfassungsbereich, wenn sie in unmittelbarer Nähe zum Präsenzmelder platziert sind.

• Trennwände, große Pflanzen, Regale etc. können den Erfassungsbereich einschränken.

• Schnelle Temperaturveränderungen in der Umgebung des Melders durch schaltende Heizlüfter oder Ventilatoren können Bewegungen simulieren.

• Ein- oder ausschaltende Leuchtmittel im nahen Erfassungsbereich simulieren Bewegung (z.B. Glüh- und Halogenlampen).

• Sich bewegende Objekte, wie Maschinen, pendelnde Bilder etc. simulieren Bewegungssignale.

Keine störenden Einflüsse besitzen sich langsam erwärmende Objekte. Sie beeinflussen das Schaltverhalten des Melders nicht. Dazu gehören:

• Heizungsradiatoren

• EDV-Anlagen (Computer, Drucker, Bildschirme)

• Raumlüftungsanlagen, sofern die erwärmte Luft nicht direkt auf den Melder strömt

• besonnte Flächen

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Grundlagen 11

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3.2.4 Lichtmessung von Bewegungsmeldern

Für eine bedarfsgerechte Beleuchtungssteuerung wird neben der

Präsenzerfassung auch eine Lichtmessung benötigt. Einfache Bewegungsmelder besitzen häufig nur eine simple Lichtmessung. Bei ungenügend Helligkeit schaltet die Beleuchtung ein, danach wird die Lichtmessung durch das eigene Kunstlicht beeinflusst und verfälscht. Das bedeutet, dass das Kunstlicht auch bei genügendem Tageslicht nicht ausschaltet, sondern erst nach Verlassen des Raumes. Dieses Verfahren ist in Durchgangsbereichen befriedigend anwendbar, in dauerhaft belegten Räumen jedoch ungenügend.

Ein Präsenzmelder, der das Tageslicht effektiv schalten soll, benötigt eine Lichtmessung die permanent aktiv ist und nicht durch eingeschaltetes Kunstlicht gestört wird. Er muss nicht nur Kunstlicht bei ungenügender Tageshelligkeit einschalten, sondern auch die Beleuchtung bei genügendem Tageslicht ausschalten können. Das klingt zwar einfach, in der Tat muss der Melder aber noch bei eingeschaltetem Kunstlicht beurteilen können, ob nach dem Ausschaltvorgang noch genügend Tageslicht vorhanden ist. Präsenzmelder benutzen dazu zwei verschiedene Methoden, die „echte Tageslichtmessung“ oder die „Mischlichtmessung“. In beiden Fällen erfolgt die Messung in Blickrichtung des Gerätes und ermittelt den Helligkeitswert im Raum. Die Reaktion auf die Veränderung der Umgebungshelligkeit sollte verzögert erfolgen um ein unnötiges Ein- und Ausschalten bei vorbeiziehenden Wolken zu verhindern. /33/

Abbildung 3.4 Messbereiche der Lichtmessung

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Grundlagen 12

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3.2.4.1 Echte Tageslichtmessung

Tageslicht besteht nicht nur aus sichtbarem Licht, sondern besitzt auch Anteile von Ultraviolett und Infrarot. Die echte Tageslichtmessung unterdrückt das sichtbare Licht durch spektrale Filterung und bewertet nur Bestandteile im nahen Infrarotbereich, welcher sich unmittelbar an den sichtbaren Bereich anschließt. Auf diese Weise wird das eingeschaltete Kunstlicht „unsichtbar“ und beeinflusst die Tageslichtmessung nicht. Somit erkennt der Melder jederzeit, ob genügend Tageslicht zur Verfügung steht oder nicht und kann so das Kunstlicht ohne Fehler schalten.

Der Vorteil der echten Tageslichtmessung besteht darin, dass direkter Kunstlichteinfall auf den Melder die Messung nicht beeinflusst. Während sich konventionelle Lichtsensoren bei indirekter Beleuchtung nur sehr eingeschränkt platzieren lassen, ist bei der echten Tageslichtmessung nur darauf zu achten, dass die Helligkeit am Montageort die gewünschte Beleuchtungsstärke nicht überschreitet. Die verwendeten Lampen dürfen kein Licht im nahen Infrarotbereich aufweisen. Deshalb sind Fluoreszenzlampen besonders geeignet. Glüh- und Halogenlampen hingegen verfälschen die Messwerte, weil sie häufig Anteile von infrarotem Licht ausstrahlen. /33/

Abbildung 3.5 echte Tageslichtmessung

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3.2.4.2 Mischlichtmessung

Während die echte Tageslichtmessung Kunstlicht durch Filterung unterdrückt, misst die Mischlichtmessung das Angebot von Tageslicht und Kunstlicht gleichermaßen. Um das Kunstlicht bei zunehmendem Tageslicht auszuschalten, muss der Melder den Anteil des Kunstlichts kennen. Bei den meisten Herstellern lernt der Melder diesen Wert automatisch, indem er sämtliche Schaltvorgänge der Beleuchtung in einem Raum fortlaufend analysiert. Somit lässt sich jederzeit aus der gemessenen Gesamthelligkeit die aktuelle Tageslichtstärke berechnen. Der Vorteil der Mischlichtmessung besteht darin, dass sie mit jeder Lichtquelle arbeitet. Bei direktem Kunstlicht auf dem Melder ist darauf zu achten, dass die Helligkeit am Montageort die gewünschte Beleuchtungsstärke im Raum nicht überschreitet.

Für eine Konstantlichtregelung ist eine Mischlichtmessung Vorraussetzung, da die Summe von Kunst- und Tageslicht interessiert. /33/

Abbildung 3.6 Mischlichtmessung

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3.2.4.3 Vergleich echte Tageslichtmessung - Mischlichtmessung

Tabelle 3.1 Gegenüberstellung echte Tageslichtmessung - Mischlichtmessung

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3.3 Energieeinsparung in der Beleuchtungstechnik

3.3.1 Energieeinsparung durch Tageslicht

So schwierig es auch ist, im Voraus zu sagen, wie viel Tageslicht zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zukunft, an einem bestimmten Ort sein wird, so einfach ist es, zu wissen, wie viel Tageslicht im nächsten Jahr im Durchschnitt auf den Bodensee fallen wird. Die Tageslichtwerte sind sehr dynamisch, aber im Jahresmittel sehr stabil. Falls die Tageslichtkoeffizienten von einem Raum bekannt sind, können die Einsparungen sehr genau im Voraus berechnet werden. Wichtig für hohe Tageslichteinsparungen ist die gleichmäßige "Durchflutung". So zum Beispiel kann in einer Fabrik mit einem guten Sheddach während den Tagesstunden mit 30 - 50% Energieeinsparungen gerechnet werden. Wegen der nur teilweisen, einseitigen Ausleuchtung eines Büroraumes sind dies je nach Gegebenheiten im Schnitt zwischen 10 und 40% der gesamten Beleuchtung.

3.3.2 Energieeinsparung durch Kompensation des Planungsfaktors

Dieser Teil der Einsparungen ist der am einfachsten im Voraus berechenbare Teil. Der Planungsfaktor einer Beleuchtung ist gegeben. Bei einem Planungsfaktor von 0.7 haben wir am "ersten Tag" (im Leben einer Lampe) zuviel Licht. Dies wird nun von der Fotozelle erfasst und das Licht wird auf 70% heruntergeregelt. Das heißt nun, dass je nach Lampentyp unterschiedlich viel Energie eingespart werden kann. Am "letzten Tag" sind diese Einsparungen auf Null abgesunken. Im Durchschnitt wird aber trotzdem Energie eingespart. In schmutzigen Umgebungen, mit höherem Planungsfaktor sind die Einsparungen entsprechend mehr. Die Unterhalts- und Reinigungsarbeiten an einer Beleuchtung müssen natürlich, den Gegebenheiten angepasst werden, um die Einsparungen zu erreichen.

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3.3.3 Energieeinsparung durch effektive Leuchtmittel

Bei der Auswahl der Leuchtmittel ist vor allem auf eine hohe Lichtausbeute und eine lange Lebensdauer zu achten. Das mit Abstand am weitesten verbreitete Leuchtmittel ist die stabförmige Leuchtstofflampe (mit einem Anteil von ca. 70% aller Beleuchtungsanlagen).

Bei den Leuchtstofflampen unterscheidet man wiederum zwischen Standard- und Dreibandenleuchtstofflampen. Bei der Dreibandenleuchtstofflampe handelt es sich um eine Weiterentwicklung der Standardleuchtstofflampe. Bei dieser Weiterentwicklung treten drei Spektralbereiche höherer Intensität auf, die im helleempfindlichsten Spektralbereich des menschlichen Auges liegen. Der Einsatz von Dreibandenleuchtstofflampen ist aus energetischer Sicht sehr zu empfehlen, da bei gleicher Beleuchtungsstärke weniger Lampen verwendet werden müssen. Moderne Leuchten, die es momentan auf dem Markt gibt, haben einen hohen Beleuchtungswirkungsgrad. Der Beleuchtungswirkungsgrad, der auch oft als Betriebswirkungsgrad einer Leuchte bezeichnet wird, gibt das Verhältnis von Nutzflächenlichtstrom zum Lampenlichtstrom an.

Abbildung 3.7 Beleuchtungswirkungsgrad einer Leuchte

Aus energetischen Gründen ist daher der Einsatz von Spiegelrasterleuchten zu empfehlen, da sie durch ihre Bauart einem hohen Wirkungsgrad sowie eine geringe Blendung des Nutzers garantieren.

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3.3.4 Energieeinsparung durch den Einsatz moderner Vorschaltgeräte

Dies ist eine weitere Möglichkeit ohne großen Aufwand Energie zu sparen. In verlustarmen Vorschaltgeräten (VVG) werden gegenüber konventionellen Vorschaltgeräten (KVG) höherwertige Elektrobleche und größere

Kupferquerschnitte verwendet, so dass sich die Verlustleistung bei einer 58W-Leuchtstofflampe um etwa 38% verringert. Elektronische Vorschaltgeräte (EVG) versorgen die Leuchtstofflampe mit einer Frequenz von etwa 30 kHz. Dies bewirkt eine Erhöhung der Lichtausbeute der Lampen um etwa 10% und eine Verringerung der Verlustleistung von bis zu 62% gegenüber konventionellen Vorschaltgeräten. Hinzu kommt, dass sich beim Einsatz eines EVGs die durchschnittliche Nutzbrenndauer der Leuchtstofflampen von 7500 Stunden auf etwa 12000 Stunden erhöht. Die Vorteile der EVGs lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Verringerung der Leistungsaufnahme gegenüber KVGs

• hohe Betriebssicherheit, da defekte Lampen sofort abgeschaltet werden (kein Blinken mehr)

• hoher Lichtkomfort, kein Flackern und Flimmern

• eine 30-40% geringere Wärmeverlustleistung

• erhöhte Lichtausbeute aufgrund geringerer Verluste im Vorschaltgerät

• eine höhere Lebensdauer der Leuchtstofflampen

Abbildung 3.8 modernes elektronisches Vorschaltgerät (EVG)

Mittels elektronischen Vorschaltgeräten ist es möglich, Leuchtstofflampen zu dimmen, dabei kann die Helligkeit von 1-3% bis zu 100% geregelt werden. Auf dem Markt gibt es zwei Systeme zum Dimmen von Leuchtstofflampen, die analoge 1-10V Technik und die digitale Steuerung DALI. /8/

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3.3.4.1 Dimmen von Leuchtstofflampen mittels 1-10 V Technologie

Diese EVGs messen die am 10V-Steuereingang anliegende Spannung welche im Bereich von ca. 1-10 V liegt und stellen dazu die entsprechende Helligkeit des Leuchtmittels ein. Werden die Steuereingänge mehrerer EVG mit einer Steuerleitung verbunden, kann die Spannung an den 10V-Steuereingängen und damit die Helligkeit aller Leuchtmittel von zentraler Stelle aus mit einem Potentiometer eingestellt werden. Das elektronische Potentiometer für 10V-Steuereingang dient sowohl dem Ein- und Ausschalten der EVG-Netzspannung, als auch dem problemlosen Einstellen der 10V-Steuerspannung am 10V-Steuereingang der EVG. Es ist analog zu der bekannten Dimmerbauweise mit Druckschalter und Dimmknopf ausgeführt und wird in einer Unterputzschalterdose installiert.

Abbildung 3.9 Ansteuerung eines dimmbaren EVG

Vom EVG wird ein konstanter Strom geliefert der über das elektronische Potentiometer fließt. Die Spannung, die sich am Steuereingang des EVG zwischen „+“ und „-“ einstellt, ist dadurch proportional zum Widerstand des elektronischen Potentiometers. /15/

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Grundlagen 19

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3.3.4.2 Digitale Steuerung DALI

DALI (Digital Addressable Lighting Interface) ist ein neuer Standard zur digitalen Kommunikation zwischen einzelnen Komponenten einer lichttechnischen Anlage. Dieser neue Industriestandard wurde von der lichttechnischen Industrie definiert. Ziel ist die Schaffung einer einfach anzuwendenden Schnittstelle in einem System mit geringen Komponentenkosten.

Über eine Steuerleitung werden elektronische Vorschaltgeräte digital angesteuert. Diese Geräte sind einzeln adressierbar und dadurch individuell ansprechbar. Die DALI-Zentrale kann Statusmeldungen der angeschlossenen Geräte auslesen und ermöglicht somit eine Gerätediagnose.

Der Vorteil von DALI ist die raumbezogene Beleuchtung mit hohem Komfort und Intelligenz.

Die Funktionen des DALI-Systems umfassen:

• Schalten und Dimmen aller Lampenarten

• Anfahren definierter Helligkeitswerte

• Fadings oder Konstantlichtregelung

• Einzel- und Gruppensteuerungen sowie Zentralfunktionen

• Rückmeldung des Leuchtenzustands

In einem DALI-System unterscheidet man zwischen Steuer- und Vorschaltgeräten. Die Steuergeräte, welche in Unterputz-Schalterdosen bequem hinter Tastern eingebaut werden können, ermöglichen die Programmierung der

Beleuchtungsgruppen. An Ihnen sind die jeweiligen Taster angeschlossen. In den Vorschaltgeräten (DALI-EVG) werden die jeweiligen Gruppenadressen bzw. Lichtszenen hinterlegt und bei entsprechendem Tastendruck abgerufen. Die Stromversorgung für jedes DALI-System kann im Schaltschrank, aber auch in den jeweiligen Leuchten erfolgen. Die Komponenten eines DALI-Systems sind relativ teuer und die Anschaffung eines solchen Systems lohnt nur in Räumen in denen erhöhte Anforderungen an das Lichtmanagement (bezüglich Funktion, Komfort, Lichtgestaltung und Energieeffizienz) gestellt werden. /23/

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3.3.4.3 Energieeinsparung durch Energie - Management -Systeme

Tageslicht kann einen merklichen kosteneffektiven Beitrag zur Beleuchtung liefern, abhängig von der Gebäudeform, den Fenstern und den Dachlichtern. Um das Tageslicht auch bei nachlassender Helligkeit zu nutzen, bietet sich ein Dimmen (automatisch oder manuell) der Beleuchtungsanlage an, d.h. eine Regelung der Stromaufnahme und der Helligkeit des Lampensystems. Auch Leuchtstofflampen können mit speziell entwickelten EVGs gedimmt werden, und zwar lässt sich der Lichtstrom in einem Bereich von 1 % bis 100 % regeln.

• Bei einem automatischen Dimmen kann die Helligkeit mit einem Photosensor kontrolliert und stufenlos auf den gewünschten Wert der Beleuchtungsstärke gehalten werden. Wichtig ist eine repräsentative Position für den Photosensor.

• Beleuchtungsenergie kann auch eingespart werden, wenn der beleuchtete Raum nicht benutzt wird. Als Kontrollmöglichkeit bieten sich Präsenzmelder bei unregelmäßiger Benutzung bzw. Zeitschaltuhren bei längerfristig unbenutzten Räumen an.

• Ausschalten oder Dimmen verkürzt die Lebensdauer der Lampen. Dieser Effekt ist beim Dimmen oder bei Ausschaltzeiten länger als 10 bis 15 Minuten zu vernachlässigen, da die verkürzte Lebensdauer durch die eingesparten Energiekosten mehr als kompensiert wird.

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_________________________________________________________________ In dieser Abbildung ist eine vereinfachte Entscheidungshilfe dargestellt, aus der man ablesen kann, ob ein Beleuchtungskontrollsystem wirtschaftlich sinnvoll ist. /39/

Abbildung 3.10 Auswahl eines Beleuchtungskontrollsystems

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3.4 Energiemanagement in der Beleuchtung

3.4.1 Anforderungen an ein Energie-Management-System

Ein Energie-Management-System im Bereich Beleuchtung, im Folgenden auch Beleuchtungskontrollsystem genannt, soll:

• einfach und bedienerfreundlich sein.

• keine anderen Systeme stören oder beeinflussen (EMV).

• möglichst mit Standardinstallationstechnik und Standardbeleuchtungskomponenten auskommen.

• von den Personen, welche sich in der beleuchteten Umgebung aufhalten oder arbeiten, nicht oder fast nicht wahrgenommen werden.

• mindestens 20% Energie einsparen.

• je nach Anwendung eine Amortisationszeit von 2 bis 8 Jahren haben.

• zuverlässig und störungsfrei funktionieren.

• unterhaltsfreundlich sein.

3.4.2 Funktion

Die funktionellen Anforderungen an eine Lichtsteuerung im Bereich Energie-Management können einfach bis komplex sein. Ein Sprichwort von Albert Einstein sagt: "Alles soll so einfach wie möglich gemacht werden, aber nicht einfacher!" Eine erfolgreiche Regelung der Beleuchtung sollte keine, vom "normalen" Anwender, beeinflussbaren Teile haben.

Es sind natürlich, je nach Anwendung, nahezu unendlich viele Funktionen integrierbar. Präsenzmelder (PIR) und Zeitschaltuhr sind nur zwei davon. Dabei kommt es jedoch immer auf die speziellen Wünsche und Anforderungen des Nutzers an.

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3.4.3 Amortisationszeit

Jede Investition, darunter fällt auch ein Energie-Management-System im Lichtsektor, muss sich nachweisbar, innerhalb einer nützlichen Frist amortisieren. Man spricht auch vom ROI (Return Of Investment). Je nach Projekt und Bauherr kann diese ROI-Vorgabe zwischen 2 und 8 Jahren betragen. Der ROI ist von vielen Parametern abhängig und kann deshalb nur projektbezogen errechnet werden.

= onszeit Amortisati ROI

Die Anschaffungskosten für ein Energie-Management-System, sind die Kosten, die für die Neuinstallation oder den Umbau der vorhandenen Beleuchtungsanlage anfallen.

Der jährliche Gewinn ist die Energieeinsparung, die durch das eingesetzte System erreicht wird.

Das Ausmaß der möglichen Strom und Kosteneinsparung mit einer neuen Beleuchtung hängt natürlich auch vom Alter, dem derzeitigen Stromverbrauch der alten Anlage und der Entwicklung der Energiepreise ab. Technisch veraltete und vergilbte Leuchten haben einen niedrigen Wirkungsgrad von vielleicht 30% gegenüber durchaus möglichen 75% oder mehr bei heutigen Produkten.

3.4.4 Wahrnehmung

Es ist äußerst wichtig, dass der Benutzer der beleuchteten Umgebung die Steuerung nicht oder fast nicht wahrnimmt. Erfahrungen haben gezeigt, dass zum Beispiel Lichtfühler, die eine ganze Beleuchtung ausschalten, nur in ganz wenigen Ausnahmen akzeptiert werden. Meistens enden solche Installationen mit abgedeckten Lichtfühlern! Auch das schnelle Herauf- und Hinunterfahren der Beleuchtung ist schlecht und führt zu Sehbeschwerden oder gibt Anlass zu Reklamationen. In einer Innenraumbeleuchtung ist es nicht empfehlenswert, das Kunstlicht unter die 30% Grenze abzusenken, weil wir so in einen Bereich kommen, in welchem die Absenkung deutlich wahrnehmbar ist.

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3.4.5 Zuverlässigkeit, Unterhalt und Service

Da die Beleuchtung etwas sehr "Sichtbares" ist, ist die zuverlässige Funktion einer Beleuchtungssteuerung von hoher Wichtigkeit.

Unterhaltsarbeiten, wie zum Beispiel Reinigung der Fotozellen oder die jährliche Überprüfung der Funktionen sind wichtig. Der Unterhalt an einem System soll so gering wie möglich sein.

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3.5 Steuerung und Regelung des Kunstlichts

3.5.1 Was ist eine Steuerung

Die DIN 19226 definiert eine Steuerung wie folgt:

Das Steuern ist ein Vorgang in einem System, bei dem mehrere Größen als Eingangsgrößen, andere Größen als Ausgangsgrößen auf Grund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen.

Kennzeichen für das Steuern ist der offene Wirkungskreis. Anders als beim Regelkreis greift der Mensch in die Automatisierung ein. Er schaltet zum Beispiel das Licht ein, betätigt den Dimmer oder schließt die Sonnenstoren. /16/

2 Ist der Steller, der bestimmt wie viel Energie in die Stellstrecke geführt werden soll.

3 Ist die Stellstrecke, bzw. die Leuchte die geschaltet bzw. gedimmt werden soll.

y(t) Ist die eingestellte Energie die der Stellstrecke zugeführt wird.

s(t) Sind Störfaktoren welche auf die Stellstrecke einwirken können.

xR(t) Ist die Energie welche wir wahrnehmen, z.B. Licht oder Wärme.

x(t) Ist der Istwert des Steuerkreises.

Mensch Wir bestimmen wann die Steuerung wirksam sein soll (wann das Licht

eingeschaltet werden soll) . Abbildung 3.11 Prinzipschaltbild einer Steuerung

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3.5.2 Was ist eine Regelung

Die DIN definiert eine Regelung wie folgt:

Das Regeln, die Regelung, ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße (die zu regelnde Größe), erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst.

Bei der Regelung gibt es einen geschlossenen Wirkungskreis, in den der Mensch nicht von außen eingreifen kann. Er kann lediglich die Führungsgrößen einstellen und die Regelung in Betrieb nehmen oder Sie wieder abschalten.

Abbildung 3.12 Prinzipschaltbild einer Regelung

Die externe Einflussgröße z (Tageslicht) beeinflusst die Strecke (Beleuchtung als technisches System) und damit die Regelgröße x (Beleuchtungsstärke), die durch eine Messeinrichtung (Lichtsensor) auf die Rückführgröße r (Sensorsignal s ^Sensor) abgebildet wird. Die Rückführgröße r wird mit der Führungsgröße w (Sensorsignalreferenzwert s Ref verglichen, indem er die Regeldifferenz e = w - r bildet (Soll-Istwert-Vergleich).

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_________________________________________________________________ Ist die Regeldifferenz ungleich 0 wandelt das Regelglied sie in eine Regelausgangsgröße u (z.B. Dimmniveau) um. Diese wird vom Steller (z.B. Bus-EVG-Schnittstelle) in ein für das Stellglied (z.B. EVG) verständliches Signal, die Stellgröße y (z.B. 1-10V) transformiert.

Das Tageslicht wird durch eine Empfängereinrichtung zur Führungsgröße w (Sensorsignal), die durch eine geeignete Wahl der Steuereinrichtung S(W) die Stellgröße y (z.B. EVG-Eingang) so beeinflusst, dass die Strecke S(y) (Beleuchtungsanlage) eine konstante Ausgangsgröße x (Beleuchtungsstärke) realisiert. /31/

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3.6 Möglichkeiten zur Realisierung eines Beleuchtungskontrollsystems

3.6.1 Konventionelle Installation

Die konventionelle Installation treffen wir in 90% aller bestehenden Häuser an. Dabei wird sie im Wohnungsbau fast immer noch zu 100% eingesetzt. Die gewünschten Schaltmöglichkeiten und vor allem der Preis sind die beiden wichtigsten Merkmale der konventionellen Installation im Wohnbau. Auch in der Industrie werden die meisten Maschinen, oder allgemeiner gesagt die meisten Motoren konventionell installiert.

Trotzdem sollen hier zwei verschiedenen Systeme unterschieden werden:

Konventionell Schalter (direkt)

Bei diesem System wird mit einem ganz einfachen, mechanischen Element (Schalter) der Strom geschaltet. Der Verbraucher wird dabei mit einer direkten Leitung angeschlossen. Bei jedem Betätigen des Schalters wird der Verbraucher ein- bzw. ausgeschaltet.

Wir können von einem ganz einfachen Stromkreis ausgehen.

Abbildung 3.13 einfacher Stromkreis

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