Gunter Lauckner Jörn Krimmling Raum- und Gebäudeautomation für Architekten und Ingenieure Grundlagen – Orientierungshilfen – Beispiele Raum- und Gebäudeautomation für Architekten und Ingenieure Gunter Lauckner • Jörn Krimmling Raum- und Gebäudeautomation für Architekten und Ingenieure Grundlagen – Orientierungshilfen – Beispiele Gunter Lauckner Jörn Krimmling Fakultät Elektrotechnik Fakultät Bauingenieurwesen/Architektur Hochschule für Technik und Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Wirtschaft Dresden Dresden, Deutschland Dresden, Deutschland ISBN 978-3-658-30142-2 ISBN 978-3-658-30143-9 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-658-30143-9 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verar- beitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröf- fentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany Vorwort Das Thema Gebäudeautomation ist aus dem heutigen Planungs- und Bauprozess nicht mehr wegzudenken. Alle Beteiligten müssen sich damit auseinandersetzen, da einerseits bei komplexen Gebäuden ein effizienter Betrieb der technischen Anlagen ohne umfas- sende Automatisierung kaum möglich erscheint und andererseits viele Bauherren die große Vielfalt der am Markt unter dem Überbegriff Smart Home angebotenen Systeme selbst nutzen wollen. Raum- und Gebäudeautomation ist ein interdisziplinäres Thema, da sich auch Nicht- spezialisten damit befassen müssen. Hier setzt das Buch an: es will Architekten, Bauinge- nieuren, Energieberatern und anderen Einblick und Orientierungshilfe in einem sehr spe- ziellen Technikbereich geben. Das vorliegende Buch ist eine interdisziplinäre Gemeinschaftsarbeit von zwei Autoren auf den Gebieten der Gebäudeautomation und der TGA-Fachplanung. Somit war schon für den Entstehungsprozess des Buches ein Spannungsfeld allgegenwärtig, das auch im heutigen Planungs- und Bauprozess durch die Gebäudeautomation hervorgerufen wird. Wir danken der Cheflektorin des Lektorats Bauwesen des Springer Vieweg Verlages Frau Karina Danulat für die Anregung und Motivation, das vorliegende Buch zu schreiben. Die Autoren wünschen sich, dass es viele interessierte Leser finden wird. Sie denken, dass es sowohl dem Praktiker hilft, als auch Studenten des Bauwesens, also künftigen Architekten und Bauingenieuren. Dresden, Deutschland Gunter Lauckner M ärz 2020 Jörn Krimmling V Inhaltsverzeichnis 1 Herausforderung Digitalisierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Grundlagen der Gebäudeautomation ................................ 5 2.1 Begriff und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Struktur und Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3 Behaglichkeit im Raum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3.2 Thermische Behaglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3.3 Visuelle Behaglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.4 Luftqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.4 Energetische Bewertung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.1 Gebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.2 Wärme- und Kälteerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.4.3 Pumpen und Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4.4 Gebäudeautomation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.5 Grundprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.5.1 Dynamisches System und Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.5.2 Steuerung und Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.6 Aufgaben und Bauglieder des Regelkreises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.6.1 Aufgaben der Regelung in der technischen Gebäudeausrüstung . . . 25 2.6.2 Graphische Darstellungen von Regelkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.6.3 Signale in Automatisierungssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.6.4 Regelstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.6.5 Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.6.6 Messeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.6.7 Stelleinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3 Wohngebäude ................................................... 95 3.1 Herausforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.2 Das System der Heizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.3 Systeme der Warmwasserbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 VII VIII Inhaltsverzeichnis 3.4 Systeme der Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.5 Regelungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.5.1 Raumtemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.5.2 Heizkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.5.3 Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.5.4 Warmwasserbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 3.5.5 Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.6 Bewertung der Energieeffizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.6.1 Regelung der Raumtemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.6.2 Regelung der Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.6.3 Einfluss der Gebäudeautomation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 4 Unterrichtsgebäude ............................................... 127 4.1 Herausforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.1.1 Unterrichtsgebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.1.2 Sporthallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.2 Anlagentechnische Schwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.2.1 Heizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.2.2 Systeme der Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.2.3 Beleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.3 Steuer- und Regelungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.3.1 Heizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.3.2 Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 4.3.3 Beleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 4.4 Bewertung der Energieeffizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5 Bürogebäude .................................................... 145 5.1 Herausforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.2 Aufgaben von Klimaanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.3 Anlagentechnische Schwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.3.1 Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.3.2 Kälteerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.3.3 Grundsysteme von Klimaanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.3.4 Kombinationen der Grundsysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 5.3.5 Beleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 5.4 Steuer- und Regelungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5.4.1 Im Raum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5.4.2 Zentrale Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 5.4.3 Gebäudeleittechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 5.5 Bewertung der Energieeffizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 I nhaltsverzeichnis IX 6 Die Regelung von Heizungsanlagen ................................. 175 6.1 Zu den Anfängen der Temperaturregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 6.2 Regelung der Raumtemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 6.2.1 Einzelraumregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 6.2.2 Einzelraumregelung nach Stundenplan in Schulen . . . . . . . . . . . . . 191 6.2.3 Zonenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 6.3 Regelung der Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 6.3.1 Kesselregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 6.3.2 Regelung der Warmwasserbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 6.3.3 Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 6.3.4 Blockheizkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 6.3.5 Fernwärmestationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 6.3.6 Folgeschaltungen von Wärmeerzeugern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 7 Die Regelung von Lüftungs- und Klimaanlagen ....................... 227 7.1 Lüftungsanlagen in Schulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 7.1.1 Manuelle Fensterlüftung mit Hilfe von Lüftungsampeln . . . . . . . . 227 7.1.2 Automatisch öffnende und schließende Fenster . . . . . . . . . . . . . . . 230 7.1.3 Zentrale maschinelle Lüftungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 7.1.4 Dezentrale Lüftungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 7.1.5 Hybride Lüftungsanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 7.2 Klimaanlagen in Bürogebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 7.2.1 Nur-Luft-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 7.2.2 Luft-Wasser-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 7.2.3 Luft-Kältemittel-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 7.3 Kälteerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 8 Beleuchtungssteuerung ............................................ 271 8.1 Strategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 8.1.1 Messung lichttechnischer Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 8.1.2 Messung und Regelung der Leuchtdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 8.1.3 Steuerung von Kunstlicht in Abhängigkeit der Anwesenheit . . . . . 275 8.1.4 Steuerung von Verschattungssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 8.2 Lichtmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 8.2.1 Lichtszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 8.2.2 Energieeinsparung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 8.2.3 Notbeleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 X Inhaltsverzeichnis 9 Smart Home und Gebäudeleittechnik ................................ 283 9.1 Bussysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 9.2 Wohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 9.2.1 Komplettsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 9.2.2 Smart Home . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 9.3 Nichtwohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 9.3.1 Gebäudeleittechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 9.3.2 Lastmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 9.3.3 ZigBee-Messnetz für Sakralbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 9.3.4 Gebäudesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Glossar wichtiger Begriffe ............................................. 323 Stichwortverzeichnis .................................................. 331 Herausforderung Digitalisierung 1 Unser Leben wird digital. Stimmt diese These tatsächlich? Es scheint so, dass viele Men- schen ohne Smartphone und Internet nicht mehr auskommen können und meist in digitaler Form mit der sie umgebenden Welt kommunizieren. Einkäufe werden über das Internet getätigt und per Online-Banking bezahlt. Buchungsvorgänge für Bahn und Bus werden automatisiert, bei sportlichen Aktivitäten werden mit hochempfindlichen Sensoren Kreis- lauf und Stoffwechsel überwacht. Mit einer Vielzahl von „digitalen“ Geschäftsmodellen werden Waren und Dienstleistungen angeboten. Dieser Entwicklungsprozess, ganz gleich wie er beurteilt wird, betrifft natürlich auch die Gebäude. Schon heute kann man mit verschiedenen Geräten oder Anlagen im Gebäude digital kommunizieren. Das Smartphone hat sich vom einfachen Telefon bis zum zentralen Bediengerät im und um das Haus hin entwickelt. Für verschiedene Bedienfunktionen, wie z. B. für den Fernsehapparat, das Garagentor und für die Außenjalousien, ist nur noch ein Endgerät zur Steuerung erforderlich. Mit dem Smartphone können Sollwerte für die Hei- zung vorgegeben, die Sicherheit des Hauses aus der Ferne überwacht, das Warensortiment des Kühlschrankes abgefragt und die Mischarmatur der Badewanne angewählt werden. Selbst einzelne Leuchten können in der Leuchtfarbe verändert, gedimmt und in Abhängig- keit von Zeitplänen oder der Anwesenheit geschaltet werden. Zur Orientierung und Hilfe für ältere Menschen gibt es den Hausnotruf als ein erfolgreiches Assistenzsystem, das zum Pflege- oder Rettungsdienst führt und über Notruftasten oder Bedienterminals in der Woh- nung ausgelöst werden kann. Der Markt bietet inzwischen eine große Produktpalette im so genannten „Smart Home“-Bereich an. Das Interesse dafür wird bei Gebäudeeigentümern und Bauherren auch durch die teilweise unrealistisch hohen Prognosen für die Energieeinsparung ge- schürt. Insgesamt entstehen neue, sehr große Herausforderungen für alle an der Planung und am Bau beteiligten Akteure. © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 1 G. Lauckner, J. Krimmling, Raum- und Gebäudeautomation für Architekten und Ingenieure, https://doi.org/10.1007/978-3-658-30143-9_1