Ziel dieser Diplomarbeit ist es unter Verwendung des KNX-Gebäudebussystems ein Konzept für eine Konstantlichtregelung zu erarbeiten.
Im Zuge dessen wurde ein Schulungsraum der Siemens AG in Regensburg projektiert und in Betrieb genommen.
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgabenstellung
2 Abstract
3 Einleitung
4 Grundlagen
4.1 KNX - Bussystem
4.1.1 Bestandteile
4.1.2 Wesentlicher Unterschied zur elektrischen Steuerung
4.1.3 Vorteile
4.1.4 Physikalische Struktur / Netztopologie
4.2 Engineering Tool Software (ETS)
4.3 Digital Addressable Lighting Interface (DALI)
4.4 Lichttechnische Grundlagen
4.5 GrundgroGen der Lichttechnik
4.5.1 Leuchtdichte
4.5.2 Beleuchtungsstarke
4.5.3 Lichtstarke
4.5.4 Lichtstrom
4.6 Raumplanung
4.6.1 Beleuchtungsniveau
4.6.2 Leuchtdichteverteilung
4.6.3 Grundregeln des Lichtdesigns
4.7 Lichtfarbe und Farbwiedergabe
4.8 Konstantlichtregelung
4.8.1 Regelungsstrecke und -einrichtung
4.8.2 Closed Loop
4.8.3 Integral Reset
4.8.4 Zwei-Punkt-Regelung
4.9 Funktionsweise Prasenzmelder
4.10 Lichtsensoren
4.11 Beispiele erhaltlicher Lichtsensoren / Prasenzmelder
4.11.1 Osram
4.11.2 Siemens
4.12 Abschatzung der Energieeinsparung
4.12.1 Gebaudespezifischer Energieverbrauch
4.12.2 Lampentypen
4.12.3 Elektronische Vorschaltgerate
4.12.4 Gedimmte Leuchtstofflampen
4.12.5 Prasenzmelder
4.12.6 Lichtregelung
4.12.7 Beispiel: mogliches Einsparpotential
4.12.8 Beispiele aus der Praxis:
5 Konstantlichtregelung
5.1 Dynamische tageslichtabhangige Regelung des Kunstlichts
5.2 Montageort der Prasenzmelder / Lichtsensoren
6 Praktischer Einsatz
6.1 Prinzipielle Uberlegungen
6.2 Bestehende Lichtsteuerung
6.2.1 Lampenverteilung im Schulungsraum
6.2.2 Vorhandenen Schaltmoglichkeiten
6.2.3 Gruppenaufteilung der Beleuchtungsanlage
6.2.4 Problematik des bestehenden Raumes
6.2.5 Vorhandene KNX-Busgerate
6.3 Neukonzeption des Schulungsraums:
6.3.1 Prinzip
6.3.2 Gewunschte Funktionen
6.3.3 Zusatzlich benotigte Busgerate
6.4 Praktische Umsetzung
6.4.1 Montage der erforderlichen Gerate:
6.4.2 Software zur Raumberechnung
6.4.3 Im Projekt benotigte Software
6.4.4 Parametrierung der Prasenzmelder
6.4.5 Parametrierung der Taster
6.4.6 Einstellen der Szenen
7 Zusammenfassung
7.1 Erreichte Ziele
7.2 Weitere Schritte, Empfehlungen
7.2.1 Berechnung der Energieersparnis
7.2.2 Optimierung der Lichtverhaltnisse
7.2.3 SchulungsmaGnahmen
7.3 Visionen, Ideen
8 Abbildungsverzeichnis
9 Tabellenverzeichnis
10 Literaturverzeichnis
11 Eidesstattliche Erklarung
12 Anhang
12.1 Grundregeln des Lichtdesigns
12.1.1 Leuchtenanzahl
12.1.2 Raumfaktor k
12.1.3 Reflektionsgrade p
12.1.4 Raumwirkungsgrad gR
12.2 Konstantlichtregelung mit Siemens Geraten
12.2.1 Kombisensor fur Helligkeit und Temperatur AP254
12.2.2 AuGenlichtabhangige Steuerung - Helligkeitssensor GE253 und Steuerbaustein N342
12.2.3 Helligkeitssensor UP oder AP255 und Schalt- / Dimmaktor N526/02
12.2.4 Prasenzmelder N258/21
1 Aufgabenstellung
Ziel dieser Diplomarbeit ist es unter Verwendung des KNX-Gebaudebussystems ein Konzept fur eine Konstantlichtregelung zu erarbeiten.
Im Zuge dessen soll ein Schulungsraum der Siemens AG in Regensburg projektiert und in Betrieb genommen werden.
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.
3 Einleitung
In modernen Gebauden wird die Beleuchtung in aller Regel nicht mehr nur einfach manuell geschaltet, sondern es besteht grundsatzlich die Forderung intelligente Lichtsteuer- bzw. -regelsysteme einzusetzen. Ziel ist eine effizient arbeitende Beleuchtung, was in diesem Zusammenhang bedeutet:
- Vermeidung von unnotig eingeschalteter Beleuchtung
- Energieeinsparung und Schonung der Ressourcen
- Angenehmes Arbeitsklima durch ausreichend Helligkeit
- Mehr Sicherheit durch optimale Beleuchtung
- Maximale Lebensdauer der Leuchtmittel
4 Grundlagen
4.1 KNX - Bussystem
In der herkommlichen Gebaudetechnik werden die einzelnen Anlagenteile (sogenannte Gewerke) wie Beleuchtung, Beschattung, Heizung, Alarmanlage, etc. separat geplant und mit verschiedenen Systemen ausgefuhrt. Mit steigender Funktionalitat und Komfortanspruchen wird die konventionelle Gebaudetechnik aufwendig, unubersichtlich und teuer. Eine Verbindung zwischen den Gewerken, z.B. fur eine gemeinsame Bedienung, ist nur mit hohem technischen Aufwand moglich. [1]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.1: Konventionelle Gebaudetechnik [1]
Der Europaische Installationsbus (EIB) wurde als System entwickelt, das fur alle wichtigen Anlagen in der Gebaudetechnik eingesetzt werden kann. Damit konnen die einzelnen Gewerke gemeinsam, "integral", geplant und ausgefuhrt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, haben sich 1990 fuhrende Hersteller fur Gebaudesystemtechnik in Europa zur European Installation Bus Association (EIBA) zusammengeschlossen. Grundungsmitglieder waren Siemens, Berker, Jung, Gira und Merten.
Jeder Hersteller halt sich an definierte Normen, so dass samtliche Gerate untereinander kommunizieren konnen. Dies vereinfacht sowohl Planung als auch Ausfuhrung und ermoglicht ohne Zusatzaufwand eine hohere Funktionalitat sowie mehr Komfort. Der EIB ist ein Standard, der beschreibt, wie in einer Gebaudeinstallation Sensoren und Aktoren miteinander genutzt werden konnen. 1999 fusionierte EIB mit BatiBus und European Home Systems (EHS) zur KNX Association. KNX ist abwartskompatibel zum EIB, so dass bestehende EIB-Anlagen mit KNX-Geraten erweiterbar sind.
Diese Technologie hat sich insbesondere durch gezielte SchulungsmaGnahmen von Installateuren, Planern und Integratoren sowie einheitlichem Marketing etabliert. [1]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.2: Gebaudetechnik mit dem KNX [1]
KNX garantiert die Kompatibilitat und Interoperabilitat verschiedener Gerate und Systeme, nicht nur der Elektroinstallationstechnik, sondern auch aus anderen Bereichen wie Heizung, Luftung, Klima (HLK) oder Hausgeraten (z.B. Herd).
4.1.1 Bestandteile
Das KNX-System besteht im Wesentlichen aus Sensoren und Aktoren, die uber 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 Geraten findet meist uber Zweidrahttechnik (Twisted Pair) statt, kann aber auch uber Internet Protocol (IP), Funk (RF), Infrarot oder Powerline erfolgen. Weitere Systemsgerate sind unter anderem Linienkoppler, Kontroller und Spannungsversorgungen (fur weitere Systemgerate und nahere Erlauterungen siehe www.siemens.de/gamma).
Das System ist dezentral aufgebaut, d. h. jedes Gerat enthalt einen eigenen Mikroprozessor. Somit ist keine Steuerzentrale notig. Anhand der entsprechenden Parametrierung, die jederzeit veranderbar ist, weiG das Gerat, was es zu tun hat. Dadurch ist KNX sehr flexibel und jederzeit an neue Bedurfnisse anpassbar. [1]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.3: Aktoren und Sensoren [1]
KNX wird derzeit vor allem bei neuen Wohn- und Zweckbauten installiert, kann jedoch auch bei der Modernisierung von Altbauten nachtraglich eingebaut werden.
4.1.2 Wesentlicher Unterschied zur elektrischen Steuerung
Bisher wurden alle Gerate elektrisch ein- oder ausgeschaltet. Nun gibt es zwei Netze, da Stromversorgung und Geratesteuerung getrennt sind. Das Stromnetz zur Strom versorgung mit 230 V Wechselspannung und das Steuerungsnetz (KNX) mit maximal 30 V Gleichspannung. Diese werden unabhangig voneinander, beziehungsweise parallel im Gebaude verlegt.
4.1.3 Vorteile
Mit dieser Technologie kann nun jeder elektrische Verbraucher schnell und unkompliziert angesteuert werden. Durch Neuprogrammierung ist es moglich jede Art von Anschluss neu zu definieren. Ein Taster der vorher noch zum Schalten einer Deckenleuchte bestimmt war, kann z. B. zum Schalten der Gartenbewasserung umprogrammiert werden. Ebenso kann jedes System verschiedene Sensordaten abfragen. Beispielsweise konnen die Daten des Windmessers genutzt werden, um Jalousien oder Markisen einzufahren oder alle Fenster und Turen bei einer bestimmten Windstarke automatisch zu schlieGen. Welche Aktionen jeweils erfolgen sollen, lasst 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 konnen bis zu 57.375 elektrische Gerate einzeln gesteuert werden. Die Physikalische Adresse 8.7.233 etwa bezeichnet den Teilnehmer 233 in Bereich 8, Linie 7.
Auf einer Buslinie durfen maximal 255 Busteilnehmern angeschlossen werden, wobei jede Linie eine eigene Spannungsversorgung benotigt.
Um die Struktur zu erweitern, konnen mit Hilfe von Linienkopplern bis zu 15 Linien uber eine Hauptlinie miteinander verbunden werden. Die Hauptlinie selbst benotigt ebenfalls eine Spannungsversorgung und kann maximal 255 Busteilnehmer beinhalten (siehe Abb. 4.4).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.4: Hauptlinie
Des Weiteren ist es moglich, maximal 15 Hauptlinien uber 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.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.5: Bereiche: Bereichskoppler (BK), Linienkoppler (LK), Teinehmer (TLN)
Auf den ubergeordneten Linien, Hauptlinie und Bereichslinie, werden meist Gerate eingebunden die Zentralfunktionen bieten. Dies sind z. B. physikalische Sensoren, Visualisierungen, Logikkomponenten und Aktoren in Verteilern, die Schaltausgange fur Sensoren aus verschiedenen Linien zur Verfugung stellen. [1]
4.2 Engineering Tool Software (ETS)
Die ETS ist eine standardisierte Software zur Planung und Konfiguration intelligenter Haus- und Gebaudesystemtechnik, die als Installationswerkzeug weltweit fur jedes KNX Projekt / Gerat eingesetzt werden kann. Da samtliche Produktdaten aller KNX- Hersteller importiert werden konnen, ist die ETS eine hersteller- und anbieterunabhangige Software, die sowohl Verwendung bei Installationsbetrieben als auch bei Planern findet.
Mit ihr erfolgen die Parametrierung der Busteilnehmer sowie das Zuweisen der Gruppenadressen (Funktionsadressen). Zusammengehorige Aktoren und Sensoren werden mittels Gruppenadresse verbunden. Dadurch ergibt sich die Moglichkeit, die Zusammengehorigkeit von beispielsweise Schaltern und Lampen jederzeit zu andern, ohne neue Leitungen verlegen zu mussen.
Die ETS 3 Professional unterstutzt die Realisierung von Gebaudesystemtechnik- Projekten jeglicher GroGe bei Projektierung, Inbetriebnahme, Projekt-Dokumentation sowie Diagnose und Storbeseitigung.
Mittels KNX und der ETS lassen sich Beleuchtung, Beschattung, Heizung sowie Fernzugriff uber Handy, Telefon und Datennetzwerke integriert zusammenschalten. Dies eroffnet den Weg einer umfassenden Raumautomation eines Gebaudes und ermoglicht mehr Komfort, Sicherheit, Individualitat und Flexibilitat fur die Nutzer. [2]
4.3 Digital Addressable Lighting Interface (DALI)
DALI ist eine bidirektionale Kommunikations-Schnittstelle, die das Empfangen von Schalt- und Dimmbefehlen sowie das Senden von Status-Informationen ermoglicht. Das DALI-Gateway N 141 ist ein KNX-Gerat zur Ansteuerung von bis zu 64 DALI- fahigen Vorschaltgeraten uber den KNX-Bus. Jedes elektronische Vorschaltgerat (EVG) im DALI-System ist einzeln digital adressierbar. Alle EVG konnen in bis zu 16 Gruppen unterteilt und einzeln, gruppenweise oder zusammen angesprochen werden. Die Gruppeneinteilung kann jederzeit, ohne Eingriff in die Verdrahtung, durch Umparametrierung verandert werden.
Das N 141 kann den Zustand eines jeden EVG abfragen und ermoglicht somit das Erfassen und Ubertragen von Status- und Fehlermeldungen uber den KNX-Bus, wie z. B. Ausfallen eines Leuchtmittels, Melden eines Fehlers im EVG oder der Helligkeit einer Lampe.
Den einzelnen DALI-EVG werden bei der Inbetriebnahme mit der ETS ein individueller Name, Gruppe, Szenen und Parameter zugewiesen. [14]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.6: DALI Gateway N 141
4.4 Lichttechnische Grundlagen
Als Licht bezeichnet man den Teil der elektromagnetischen Strahlung, der im Auge eine Hellempfindung hervorruft. Die Strahlung kann man sich als Schwingung mit periodischer Ausbreitung vorstellen.
Die Strahlung verlauft in einem homogenen Medium geradlinig und wird an der Grenzflache zweier Medien mit unterschiedlicher Brechzahl gebeugt. In der Regel enthalt das Licht verschiedene Wellenlangen, die Verteilung der Strahlung auf die einzelnen Wellenlangenbereiche nennt man Spektrum.
Bei lichttechnischen Graven ist immer die spektrale Hellempfindlichkeitskurve des menschlichen Auges bei der Bewertung zu berucksichtigen. Somit sind lichttechnische Werte speziell auf das menschliche Empfinden abgestimmt. Lichttechnische Graven leiten sich von der Einheit Lumen ab.
Die Hellempfindlichkeitskurve (Abb. 4.7) setzt sich folgendermaGen zusammen:
Die fur den Menschen sichtbare Strahlung liegt zwischen 380 nm und 780 nm. Das Auge ist bei etwa 555 nm am empfindlichsten. Fur groGere und kleinere Wellenlangen ist die Empfindlichkeit geringer. Das bedeutet: um den gleichen Helligkeitseindruck zu erhalten wird eine groGere Strahlungsleistung benotigt. [3] (Seite 15ff)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.7: Hellempfindlichkeitskurve [4]
4.5 Grundgroften der Lichttechnik
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 4.1: Grundgroften der Lichttechnik mit Formeln [4]
4.5.1 Leuchtdichte
Die Leuchtdichte ist das MaG fur den Helligkeitseindruck, den eine Lichtquelle oder beleuchtete Flache im Auge erzeugt. Licht wird erst sichtbar, wenn Strahlung in das Auge trifft. Die Leuchtdichte ist die einzige, vom Menschen wahrnehmbare lichttechnische GroGe. Diese hangt entscheidend von den Eigenschaften der Oberflachen des beleuchteten Objekts ab. Die Objekteigenschaften werden durch den Reflexionskoeffizienten r beschrieben. Trotz gleicher Beleuchtungsstarke sehen Objekte mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften auch unterschiedlich aus. [4]
4.5.1. Leuchtdichte groft
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.8: Leuchtdichte [4]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 4.2: Leuchtdichten [3] (Seite 26)
4.5.2 Beleuchtungsstarke
Die Beleuchtungsstarke gibt den Lichtstrom bezogen auf die Flache an. Fallt 1 Im Lichtstrom auf eine Flache von 1 m2, so ergibt sich eine Beleuchtungsstarke von 1 lx. Die Beleuchtungsstarke nimmt quadratisch zur Entfernung zwischen Lichtquelle und Flache ab.
Die Beleuchtungsstarke ist eine reine MessgroGe, die fur die Wahrnehmung keine ausschlaggebende Rolle spielt. Erst wenn das Licht auf Materie trifft, von dort gestreut oder reflektiert wird und dann in unser Auge fallt, erhalten wir die Informationen die notig sind, um ein Bild sehen zu konnen. [4]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 4.3: Beleuchtungsstarke [4]
Die Mindestbeleuchtungsstarken an Arbeitsplatzen sind festgelegt nach DIN 5035, Teil 2 und den entsprechenden Arbeitsstattenrichtlinien. Die Einhaltung der Vorschriften und Normen garantiert allerdings nicht unbedingt eine gute Beleuchtungsanlage.
4.5.3 Lichtstarke
Als Lichtstarke bezeichnet man den Lichtstrom einer Lichtquelle, der von der GroGe des Empfangers sowie der Richtung unabhangig ist. [4]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 4.4: Lichtstarke [4]
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