Anlagen automatisch bedarfsabhängig steuern

Am Thema Energieeffizienz kommt heutzutage kein Neubau- oder Sanierungsprojekt vorbei. Die Forderung nach weniger Ressourcenverbrauch bei gleichzeitig hohem Komfort für die Nutzer stellt Architekten und Planer stets vor neue Herausforderungen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die bedarfsgesteuerte Gebäudeautomation, also der Einsatz von Präsenz- und Bewegungsmeldern. Sie steuern Beleuchtungs-, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen – und tragen inzwischen auch zu einer energieeffizienten Umsetzung des biologisch wirksamen Lichts bei.

Die ständig steigenden Energiepreise sind ein wesentlicher Grund, dass sich bei Bauherrn der Wunsch nach energieeffizienter Gebäudetechnik verstärkt. Verständlich, schließlich werden rund 35 % des gesam­ten deutschen Energiebedarfs im Gebäudesektor verbraucht, wobei in reinen Bürogebäuden die Beleuchtung oft bis zu 50 % der gesamten Stromkosten ausmacht. Allein: Bis zu drei Viertel dieser Kosten könnten öffentliche Einrichtungen und Unternehmen einsparen, wenn sie ineffiziente Anlagen gegen energieeffizientere Systeme austauschen.
„Die Perspektiven, die sich durch eine bedarfsabhängige Steuerung der Verbraucher mithilfe von Präsenz- und Bewegungsmeldern ergeben, sind Vielen noch immer nicht bekannt“, erklärt Christian Schöps, verantwortlich für die Unternehmenskommunikation bei Esylux. Dabei ist die Idee der bedarfsgesteuerten Gebäudeautomation denkbar einfach: „Es geht darum, Ener­gie nur dann und nur in dem Maße zu nutzen, wie diese wirklich gebraucht wird. Leere Räume, in denen das Licht eingeschaltet ist und die Heizung auf Hochtouren läuft, verbrauchen unnötig Energie. Mit Präsenz- und Bewegungsmeldern lässt sich diese problemlos einsparen.“

Gezielter Energieeinsatz
Physikalisch gesehen gibt es zwischen Präsenz- und Bewegungsmeldern keinen Unterschied. Beide arbeiten in der Regel mit Passiv-Infrarot-Sensoren. „Diese sind an Orten, an denen Menschen sich länger aufhalten, auch unbedingt vorzuziehen“, so Schöps. Schließlich gelte es, dort jede Form von Elektrosmog zu vermeiden. Allerdings gibt es zwei Kernmerkmale, anhand derer sich die Melderarten voneinander unterscheiden: die Empfindlichkeit und die Lichtmessung. Während Bewegungsmelder auf normale Bewegungen von Wärmequellen reagieren, wie z. B. bei gehenden Menschen, erfassen Präsenzmelder bereits kleinste Regungen und schalten die angeschlossenen Verbraucher dann entsprechend. Dies prädes­tiniert sie beispielsweise für den Einsatz an Arbeitsplätzen, wo oftmals das Tippen auf einer Tastatur für die Bewegungserfassung ausreichen muss.

Konstantlichtregelung für bestmögliche Tageslichtnutzung
Präsenz- und Bewegungsmelder enthalten zudem stets einen Lichtsensor und aktivieren die Beleuchtung auch bei Anwesenheit von Menschen nur, wenn das bereits vorhandene Umgebungs- oder Tageslicht nicht ausreicht. Einziger Unterschied: Hat ein Bewegungsmelder das Licht einmal eingeschaltet, ist seine Lichtmessung nicht mehr aktiv. Das Kunstlicht bleibt also so lange eingeschaltet, wie eine Bewegung erkannt wird. Bewegungsmelder eignen sich deshalb in erster Linie für den Einsatz in Räumen ohne bzw. mit geringem Tageslichtanteil und kurzzeitiger Nutzung, etwa in Fluren, Treppenhäusern oder Lagerräumen sowie im Außenbereich.
Ein Präsenzmelder hingegen prüft bei menschlicher Anwesenheit laufend die Helligkeit anhand eines vorgegebenen Wertes und schaltet das Licht gegebenenfalls aus. Besitzt er darüber hinaus die Fähigkeit zur Konstantlichtregelung, lässt sich noch mehr Energie einsparen. Denn dann dimmt er das Kunstlicht stets nur so hoch, wie es angesichts des bereits vorhandenen Tageslichts zum Erreichen des Sollwerts gerade erforderlich ist. Dies ist die bestmögliche Form der Tageslichtnutzung und bedeutet auch ein Höchstmaß an Komfort. Denn der Präsenzmelder nimmt dem Menschen in diesem Fall nicht nur das Ein- und Ausschalten ab. Er sorgt auch automatisch dafür, dass es niemals zu dunkel oder zu hell wird.

Steuerung der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik
Das potenzielle Leistungsspektrum von Präsenzmeldern reicht noch weiter. Was Viele nicht wissen: Neben der Beleuchtung ermöglichen sie auch die bedarfsgerechte und automatische Steuerung der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK) – mit entsprechend positiver Wirkung auf die Gesamtenergieeffizienz des Gebäudes. Der separate HLK-Kanal wird dabei lediglich von der Bewegung geschaltet. So lässt sich beispielsweise die Belüftung eines Toilettenraums steuern – oder die Heizung bzw. die Klimaanlage, die vom Energiesparbetrieb bei nicht genutztem Raum auf Komfortbetrieb bei genutztem Raum und wieder auf Energiesparbetrieb nach Nutzungsende des Raumes umgeschaltet wird.
„Wer den Betrieb von Heizung, Klima- und Lüftungsanlage innerhalb einer KNX-Anlage noch genauer am aktuellen Bedarf regeln möchte“, ergänzt Schöps, „kann zudem auf Präsenzmelder zurückgreifen, die eine zusätzliche Multisensorik für Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftgüte enthalten und in der Lage sind, die jeweilige Anlage aufgrund der gemessenen Werte auch im laufenden Betrieb präzise nach Bedarf zu steuern.“ Diese Funktionen bietet z. B. der „ATMO“-Präsenzmelder von Esylux. Darüber hinaus hat sich noch auf einem anderen Gebiet zwischenzeitlich ein weitergehender Nutzen durch den Einsatz von Präsenzmeldern entwickelt: beim sogenannten Human Centric Lighting oder biologisch wirksamen Licht.

Human Centric Lighting als neues Einsatzgebiet
Als biologisch wirksames Licht wird eine Beleuchtung bezeichnet, die durch dynamische Helligkeits- und Lichtfarbverläufe zentrale Elemente des natürlichen Tageslichts nachbildet. Die Wirkung auf den menschlichen Hormonhaushalt ist umfassend. Ausgangspunkt hierfür sind die sogenannten intrinsischen fotosensitiven retinalen Ganglienzellen. Sie befinden sich in der Netzhaut des menschlichen Auges und erfüllen eine Funktion, die erst vor 15 Jahren entdeckt wurde: Anders als Stäbchen und Zäpfchen dienen sie nicht dem bewussten Wahrnehmen und Erkennen von Dingen. Ihre Aufgabe liegt vielmehr in der Übermittlung nichtvisueller Informationen.
Dabei reagieren sie auf Veränderungen von Lichtfarbe und Helligkeit. Eine der wichtigsten Folgen bei eintreffendem hellen, kaltweißen Licht ist die Unterdrückung der körpereigenen Produktion von Melatonin: Ein Botenstoff, der den Menschen müde macht. Hierdurch sowie durch einige weitere Abläufe stärkt ein helles, kaltweißes Licht am Tag Vitalität, Wohlbefinden und Konzentrationsvermögen und verringert die Fehlerquote des Menschen. Eine Schulstudie des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf  ermittelte im Jahr 2009 eine um fast 35 % erhöhte Lesegeschwindigkeit bei Schülern – und ein Sinken der Fehlerhäufigkeit um 45 %.
Hinzu kommt, dass das Licht der wichtigste Taktgeber für den menschlichen Tag-Nacht-Rhythmus ist. Ein helles, kaltweißes Licht vor allem am Vormittag stabilisiert diesen Rhythmus. Auf diese Weise sorgt es für einen erholsameren Nachtschlaf und kommt so auch der Gesundheit zugute. Wichtig ist dafür allerdings außerdem, dass das Licht gegen Abend wieder dunkler und warmweiß wird, damit der Mensch rechtzeitig zur Ruhe kommt. Kurz gesagt: Helles, kaltweißes Licht aktiviert und belebt, während dunkleres, warmweißes Licht der Entspannung dient.

Energieeffizientes biologisch wirksames Licht durch intelligente Sensorik
Wie vorteilhaft es ist, wenn eine Innenbeleuchtung am Arbeitsplatz diese tageslichtähnlichen Veränderungen von Lichtfarbe und Helligkeit simuliert, dürfte auf der Hand liegen. Doch bei allen Vorteilen gibt es auch eine Herausforderung. Denn die Helligkeit des biologisch wirksamen Lichts liegt durchgehend und streckenweise sogar deutlich über den normativ vorgeschriebenen 500 Lux. Die Spitzenwerte reichen in der Praxis bis zu über 1000 Lux, was trotz des Einsatzes von LEDs zu einem entsprechenden Mehrverbrauch führt.
Die Lösung hierfür entstammt der bedarfsgesteuerten Gebäudeautomation und liegt in der Nutzung einer intelligenten Sensorik, wie z. B. durch die „SymbiLogic Technologie“ von Esylux. Dabei geht es um eine Kombination aus bio­logisch wirksamem Licht und der zuvor erwähnten Konstantlichtregelung, also um eine Synergie aus Automation und Beleuchtung. Das klingt zunächst einfacher, als es ist. Denn anders als bei einer klassischen Konstantlichtregelung, die den ganzen Tag über einen einheitlichen Sollwert einhalten muss, verändert sich die Helligkeit beim biologisch wirksamen Licht laufend.

Gewerkübergreifendes Einsparpotenzial
Um hier ebenfalls eine Tageslichtnutzung realisieren zu können, bedient sich die „SymbiLogic Technologie“ einer sogenannten adaptiven HCL-Lichtregelung. „Je nach gewünschtem Helligkeitsverlauf orientiert diese sich an einem Sollwert, der sich ebenfalls laufend verändert“,
erklärt Christian Schöps, „und sorgt so für eine Beleuchtung, die sich einerseits dynamisch verändert, andererseits aber auch automatisch auf Helligkeitswechsel des von außen einfallenden Lichts reagiert.“ Auf diese Weise übertrage
die Technologie ein bewährtes Prinzip aus dem Bereich der Gebäudeautomation auf die modernste Form der Innenbeleuchtung und mache den Einsatz des bio­logisch wirksamen Lichts wirtschaftlich.
Dieses Beispiel zeigt, dass sich die Einsatzgebiete und das Potenzial von Präsenzmeldern im Laufe der letzten Jahre deutlich erweitert haben. Unverändert geblieben ist indes das gewerkeübergreifende Einsparpotenzial, das sich durch die bedarfsgesteuerte Gebäudeautomation ergibt. „Bei Neuanlagen lohnt sich der Einsatz von Präsenz- und Bewegungsmeldern in den meisten Fällen allein durch die eingesparten Energiekosten schon nach wenigen Jahren“, erklärt Christian Schöps. Selbst im Sanierungsfall könne unter güns­tigen Bedingungen mit einer Amortisationsdauer von nur knapp drei Jahren gerechnet werden.

www.esylux.com

Hintergrundinformationen – Planungsbeispiel
Am Beispiel eines Konferenzraums sollen nachfolgend grundsätzliche Erwägungen der Präsenzmelder-Planung erläutert werden.

Aufgabenstellung
Im Konferenzraum soll die Beleuchtung automatisch tageslichtabhängig geregelt und, ebenso wie die Lüftung, präsenzabhängig geschaltet werden. Ziel ist es, den Energieverbrauch deutlich zu verringern. Gleichzeitig sollen das Wohlbefinden und die Konzentrationsfähigkeit von Beschäftigten und Kunden durch ein konstantes Beleuchtungsniveau und ein angenehmes Raumklima erhöht werden. Da es sich um einen Raum mit repräsentativem Charakter handelt, wünschen sich die Verantwortlichen ein möglichst elegantes Erscheinungsbild der technischen Elemente. Die Planungsanforderung setzt zudem voraus, dass sich die Steuerungskomponenten in das KNX-System des Gebäudes integrieren lassen.

Raumseitige Voraussetzungen
Der Konferenzraum hat eine Grundfläche von 9,50 x 5,00 m bei einer Deckenhöhe von 2,75 m. An einer Längsseite gelangt über großflächige Fenster Tageslicht in den Raum. Dieser ist mit einem Konferenztisch ausgestattet, der ausreichend Arbeitsplatz für bis zu 14 Personen bietet. Für das Kunstlicht sorgen acht Langfeldleuchten, die in die abgehängte Rasterdecke eingelegt sind.

Planungsempfehlung
Da in dem Konferenzraum größtenteils sitzende Tätigkeiten mit zum Teil kleinsten Bewegungen ausgeführt werden, eignen sich für die bedarfsgesteuerte Automation ausschließlich Präsenzmelder. Diese sollten über einen Erfassungsbereich von 360 Grad verfügen und sich dementsprechend für die Deckenmontage eignen. Ausgangspunkt der konkreten Planung ist dann der Arbeitsbereich, also der Raumabschnitt, in dem Menschen sich dauerhaft arbeitend aufhalten – in diesem Falle der Konferenztisch mit den umgebenden Sitzplätzen. Es stellt sich die Frage nach Erfassungsbereich und Anzahl der Präsenzmelder.
Im vorliegenden Beispiel sind grundsätzlich zwei Vorgehensweisen denkbar: Möglich ist der Einsatz eines Präsenzmelders mit einer Maximalreichweite von 24 m und einem Arbeitsbereich von 8 m im Durchmesser, der den Tätigkeitsbereich im Konferenzraum komfortabel abdecken würde. Da hier jedoch auch ein elegantes Erscheinungsbild zählt, fällt die Wahl auf zwei FLAT Präsenzmelder mit abgeflachter Linse, einer Maximalreichweite von jeweils 8 m und einem Arbeitsbereich von jeweils 4 m. Dabei ist wegen der installierten Anlage auf eine KNX-Ausführung der Melder zu achten.
Um den gesamten Raum zu erfassen, müssen beide Melder mittig im Raum positioniert werden. Unkritisch ist dabei im vorliegenden Beispiel die Position der Türen: Diese liegen im frontalen Gehbereich der Melder, weshalb sofort Bewegung erfasst wird, sobald eine Person den Raum betritt. Lägen die Türen weiter entfernt im äußeren Gehbereich, ergäbe sich möglicherweise eine andere Situation. Denn dort erfassen Präsenzmelder nur zuverlässig Bewegungen, die quer zu ihnen verlaufen. Welche Lösung in einer solchen Situation Abhilfe schafft, hängt letztlich vom Einzelfall ab. In der Regel sollte dann auf eine frontale Positionierung des Melders zur Tür verzichtet werden. Gegebenenfalls empfiehlt sich der Einsatz eines zusätzlichen Melders.
Den Wunsch, auch die Klimaanlage präsenzabhängig zu steuern, realisieren die Melder im KNX-System über das sogenannte HVAC-Kommunikationsobjekt (Heating, Ventilation and Air Conditioning-Objekt). Das Schaltsignal (1-Bit-Datentelegramm) kann einstellbar zeitverzögert weitergegeben, und bei Bedarf lässt sich eine Nachlaufzeit programmieren. Um ein angenehmes Beleuchtungsniveau im Raum zu erhalten, muss ein Lichtwert über die Software ETS an den Meldern eingestellt werden.