Ob im Bürogebäude, Hotel oder in der Fabrikhalle: Batterielose Funksensoren tragen dazu bei, Energieeffizienz und Komfort zu erhöhen.

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Transparenz durch batterielose Funksensoren Gebäudeautomation: Effizient dank Nutzungsmanagement

21.03.2018

Ungenutzte Gebäudeflächen bedeuten erhebliche Kosten. Oftmals werden sie beleuchtet und beheizt, obwohl dort niemand arbeitet. Automatisierungslösungen können hier Abhilfe schaffen. Miteinander vernetzte Sensoren ermöglichen intelligentes Nutzungsmanagement und erlauben eine effiziente Steuerung von Licht und Heizung und sorgen für eine sinnvolle Raumauslastung.

Das Internet der Dinge (IoT) wächst exponentiell. Studien sprechen von 20 Milliarden mit dem Internet verbundenen Geräten im Jahr 2020 und 30 Trillionen „Dingen“ bis zum Jahr 2030. Ein Großteil dieser Dinge werden Sensoren sein. Diese erfassen die für die Informationsverarbeitung so wichtigen Daten und sind somit die „Sinnesorgane“ des IoT. Montiert werden sie beispielsweise an Fenstern, Türen, Wänden und Maschinen.

Um den unterschiedlichen Anforderungen zu entsprechen, müssen Sensoren klein, unauffällig und einfach zu montieren sein. Für die überwiegende Anzahl der IoT-Sensoren kommt damit eine Verbindung zum Internet mittels Kabel praktisch nicht in Frage. Stattdessen werden drahtlose Funksensoren benötigt. Die Energieversorgung dieser Trillionen Funksensoren lässt sich mit Batterien nicht realisieren, da Wartungsaufwand und Kosten für deren Austausch und Entsorgung sehr hoch sind. Der Einsatz batterieloser Funktechnologie ist also die konsequente Schlussfolgerung.

Bei der klassischen Gebäudeautomation werden Beleuchtung, Beschattung sowie Heizung, Klima und Lüftung (HKL) mittels geeignet positionierter Funksensoren lokal über Raumcontroller gesteuert. Die einzelnen Raumcontroller bieten lokale Steuerungsintelligenz und sind über klassische Raumautomationsbusse, wie KNX, LON, BacNet und TCP miteinander verbunden. Die Anbindung der Sensoren, vor allem an Wandtaster, Fensterkontakte, Temperaturfühler und Bewegungsmelder, erfolgt drahtlos, um eine möglichst hohe Flexibilität und Kostenreduzierung zu erzielen. Neben Schaltern ergänzen Fensterkontakte und Bewegungsmelder die Steuerung und kombinieren damit Funktionen wie Regenschutz mit Einbruchsicherheit und Energieeinsparungen.

Intelligentes Nutzungsmanagement

Das intelligente Gebäudenutzungsmanagement ist ein wichtiges neues Instrument, mit dem Unternehmen die Voraussetzung für eine optimale Verwaltung des kostenintensiven Ressourceneinsatzes von Raum, Personen und Gegenständen schaffen. Durchschnittlich 50 Prozent des Platzangebots in einem typischen Bürogebäude sind während eines Geschäfts­tages unbesetzt. Raumsensoren liefern detaillierte Informationen darüber, wie Gebäudeflächen und Räume tatsächlich genutzt werden und ermöglichen die optimale Raumplanung und Zuordnung von Mitarbeitern zu verfügbaren Räumen.

Dienstleistungen im Bereich Mitarbeiter- und Inventar-Management können mittels geeigneter Sensoren stark optimiert werden. Diese Sensoren liefern detaillierte Informationen zu Nutzungsmustern im Normalbetrieb und während Veranstaltungen, inklusive der Berücksichtigung von Tageszeitunterschieden und saisonalen Auswirkungen. Damit können Nutzungsmuster des Gebäudes, des Personals und des Inventars erstellt werden, um die optimale Ressourcenverwendung und Sicherheitsanforderungen zu bestimmen. Und letztendlich ermöglichen Sensoren die Optimierung des Energieverbrauchs und der Luftqualität auf Basis der tatsächlichen Platzbelegung.

Gebäudefläche ist eine extrem teure Ressource von bis zu mehreren 100 Euro pro Quadratmeter. Häufig werden jedoch viele Flächen, wie Büroarbeitsbereiche, Konferenzräume, Kantinen, Flure und Stauräume, weniger als 70 Prozent genutzt. Dies schafft unnötige, laufende Kosten in Millionenhöhe für Heizung, Beleuchtung und Wartung. Bestehende Hotelräume können beispielsweise mit Hilfe von drahtlosen Sensoren problemlos nachgerüstet werden, ohne den normalen Betrieb von Gebäuden zu beeinträchtigen, was zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs zwischen 30 und 40 Prozent führt. Um das Nutzungsmuster eines Gebäudes zu erstellen, lassen sich verschiedene Sensoren einsetzen: Präsenzmelder im Raum oder an einzelnen Sitzplätzen, Türkontakte, Sensoren zur Personenzählung, Strommesser zur Aktivitätserfassung von elektronischen Geräten wie etwa von Druckern, Kopierern, Kaffeemaschinen oder Lüftungsgeräten. Zyklisch sendende „Funkbeacons“ dienen der Ortserkennung von mobilen Geräten und Einrichtungsgegenständen. Sind Unternehmensstandorte beispielsweise nur teilweise ausgelastet, kann das Zusammenlegen mehrerer Standorte eine Kostensenkung herbeiführen. Und wenn das Gebäudesystem analysiert hat, dass kein Mitarbeiter vor 8 Uhr das Gebäude betritt, können die Heizzeiten dementsprechend angepasst werden.

Eine optimale Wartung und Reinigung von sanitären Anlagen in Bürogebäuden, entsprechend der tatsächlichen Nutzung, ist praktisch unmöglich zu prognostizieren. Häufig werden Toi­letten nicht nach Bedarf gereinigt und Papier oder Seife sind leer, was die Nutzer frustriert. Die simple Überwachung der sanitären Anlagen mit Präsenzsensoren ermöglicht eine effiziente Reinigung und Ressourcenplanung, was wiederum zu erheblich reduzierten Kosten und Nutzerzufriedenheit führt.

Überwachung von Maschinen

Ein zentraler Aspekt der Qualitätssicherung ist die Überwachung von Maschinen für die Produktion. Sensoren können beispielsweise zur Qualitäts- und Prozessüberwachung oder zustandsbasierten Wartung eingesetzt werden. Eine Herausforderung besteht darin, dass das Monitoring oft an bewegten und/oder schwer zugänglichen Stellen durchgeführt werden muss. Die Verwendung von herkömmlichen, verdrahteten Sensoren ist daher schwierig umzusetzen. Kompakte, batterielose Sensoren bieten für diese Anwendung entscheidende Vorteile. Da sie keine Verkabelung benötigen, können sie direkt an beweglichen Teilen montiert werden. Darüber hinaus können diese Sensoren auch in einer hermetisch gekapselten Umgebung (beispielsweise unter einer Schutzatmosphäre) verwendet werden.

Maschinen unterliegen dem Verschleiß und daher ist das frühzeitige Erkennen von Problemen eine wichtige Voraussetzung, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen einzuleiten und eine kontinuierliche Qualitätssicherung sowie den Schutz vor Produktionsausfällen sicherzustellen. Ein grundlegendes Problem der Wartungsplanung besteht in der Berechnung der Intervalle zwischen jedem Wartungsbesuch. Auf der einen Seite muss die Zeit zwischen den Wartungsbesuchen möglichst kurz sein, um mögliche Abweichungen vor dem Auftreten eines größeren Problems zu erkennen. Auf der anderen Seite entstehen durch die Wartung hohe Kosten durch den Einsatz von Personal und dem möglichen Stillstand der Maschinen.

Optimal ist hier eine zustandsbasierte Wartung. Mithilfe von Stromsensoren kann beispielsweise der Zustand eines Motors erkannt werden, über Temperatursensoren der Zustand von Getrieben und Bremsen. Denn Verschleiß führt oft zu höherer Reibung, was wiederum zu einem Temperaturanstieg an der Maschine führt. Hierzu wird der Strom- oder Temperaturverlauf kontinuierlich analysiert, der sich bei zunehmendem Geräteverschleiß ändern kann. Über geeignete Algorithmen kann die notwendige Gerätewartung dann bedarfsgerecht und rechtzeitig durchgeführt werden.

Vernetzung und Cloud-Anbindung

Durch die Erfassung von zuverlässigen Sensordaten und der richtigen Kombination der Daten wird die physische Welt also mit der digitalen Welt verbunden. Das vernetzte System kann weit optimierter reagieren oder gar völlig neue Dienstleistungen kreieren. Drahtlose Sensoren werden sich hierbei durchsetzen, da sie flexibel und für die Funktion optimal im Raum positioniert werden können. Zudem sind die wartungsfreien Sensoren geeignet für Nachrüstung im Bestandsbau, die über 99 Prozent des Gesamtmarktes ausmacht. Mittels Internetprotokoll und geeigneten Middleware-Konnektoren können die batterielosen Funksensoren außerdem einfach mit Anwendungen im Internet verbunden werden und mit einer cloud-basierten Plattform wie IBM Watson oder Microsoft Azure interagieren. Dieses Szenario ist die Grundlage für das Internet der Dinge. Mithilfe eines interoperablen Netzwerks lassen sich generierte Daten für die intelligente Geräte- und Gebäudesteuerung nutzen und helfen so dabei, Gebäude energie­effizienter, kostengünstiger und komfortabler zu machen.

Für die geschilderten Anwendungen eignen sich unter anderem die Funksensormodule von EnOcean und der batterielose EnOcean-Funkstandard. In Anbetracht der vielen Subsysteme und internationalen Standards erlangen aber auch interoperable Sensorkonzepte immer mehr an Bedeutung. Hier positioniert sich EnOcean mit einem Ökosystem: Über 400 führenden Unternehmen aus der Gebäudebranche haben sich in diesem Rahmen zur EnOcean Alliance zusammengeschlossen und sich dem Gedanken verschrieben, dass kabel- und batterieloser Sensorik die Zukunft gehört. Im Fokus steht das „self-powered IoT“, auf dessen Basis innovative Gebäude durch effiziente und vernetzte Automatisierungslösungen nachhaltig gemacht werden. Dadurch lassen sich neue Services für die Nutzer und Manager der Räume realisieren, in denen wir uns jeden Tag aufhalten.

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