Ohne Kabel und Batterie
Intelligente Gebäudesteuerung
Beitrag von Matthias Kassner, EnOcean GmbH
Ob Zweckbau oder Privatwohnung: Intelligente Gebäudesteuerungssysteme sparen Energie und Kosten. Funktechniken bieten klare Vorteile – vor allem, wenn sie ohne Batterien auskommen. Folgender Beitrag gibt deinen Überblick über die batterielosen Funkkomponenten, die sich in der Gebäudeautomation durchgesetzt haben.
Vorteile von Funksystemen
Wenn möglichst viele Sensoren und Schalter verfügbar sein sollen, eignen sich kabelgebundene Systeme kaum. Es wäre zu aufwändig und unflexibel, jeden Sensor mit einer eigenen Leitung zu bestücken. Funksysteme sind hier kabelgebundenen Lösungen weit überlegen. Rauchmelder, Sensoren für Anwesenheit, Temperatur, Luftqualität und Licht oder Schalter: Ohne Kabelzwang lassen sich diese Systeme genau dort anbringen, wo sie wirklich gebraucht werden. Und man behält die Flexibilität, das System nachträglich zu erweiterten, ohne dass Wände aufgebrochen werden müssen.
Energie ohne Batterien
Der Nachteil vieler Lösungen: Wenn kein Strom von außen zugeführt wird, setzt ein Großteil der Produkte auf Batterien, was aber erheblichen Wartungsaufwand verursacht. Batterielose Funkkomponenten kombinieren die Zuverlässigkeit und Wartungsfreiheit klassischer verdrahteter Lösungen mit der Flexibilität und einfachen Nachrüstbarkeit von Funksystemen. Sie nutzen die Energie, die ihnen die unmittelbare Umgebung zur Verfügung stellt.
Dabei haben sich in der Gebäudeautomation vor allem drei Quellen durchgesetzt, die nachfolgend vorgestellt werden:
Kinetische Energie
Bewegung ist eine zuverlässige Energiequelle für verschiedenste Schalter. Im Inneren des Schaltergehäuses setzt ein elektromechanischer Energiewandler den Tastendruck in elektrische Energie um. Mit einer Energiemenge von 120 µWs reicht jede Betätigung für drei Funktelegramme. Dieses Prinzip lässt sich z.B. für Licht- oder Jalousieschalter nutzen.
Solarbasierte Energie
Miniaturisierte Solarmodule können die geringe Lichtstärke von Innenlicht nutzen, um Funkmodule mit Strom zu versorgen. Soll ein Temperaturmesswert beispielsweise alle 15 Minuten übertragen werden, reichen bei 200 Lux bereits 3,6 Stunden Ladezeit am Tag für einen unterbrechungsfreien Betrieb. Ein zusätzlicher PAS-Ladekondensator (Poly Acenic Semiconductor) sorgt für einen Energievorrat, der Perioden mit fehlender Umgebungsenergie überbrückt. Bei einem komplett aufgeladenen Energiespeicher ist das Modul in absoluter Dunkelheit etwa eine Woche voll funktionsfähig. Lichtenergie ermöglicht eine Vielzahl energieautarker Sensoren, wie Fensterkontakte, Temperatur-, Gas- und Luftfeuchtigkeitssensoren oder auch Lichtsensoren und Präsenzmelder.
Thermische Energie
Temperaturunterschiede, beispielsweise zwischen einem Heizkörper und der Umgebung, liefern viel Energie. Die Ernte erfolgt über ein Peltier-Element zusammen mit einem DC/DC-Wandler. In dieser Kombination lässt sich bereits eine kleine Eingangsspannung ab 20 mV, das entspricht einem Temperaturunterschied von etwa 2 °C, in eine nutzbare Ausgangsspannung größer als 3 V umsetzen. Dieses Prinzip kommt derzeit vor allem in Heizkörperstellantrieben zum Einsatz. Hier reicht die geerntete Energie sowohl für die Funkkommunikation als auch die Stellhubveränderungen des Ventils. Zusammen mit einem solarbetriebenen Raumsensor lässt sich damit bereits eine vollkommen energieautarke kabellose Temperaturregelung umsetzen.
Übertragung mit Funktechnologie
Produkte mit EnOcean-Technologie nutzen zur Übertragung die drei Frequenzbänder 868 MHz in Europa, 902 MHz in Nordamerika und 928 MHz in Japan. Alle Endpunkte im Funknetzwerk senden Daten in asynchronen Paketen aus. Das sind kurze Nachrichten, deren Integrität anhand einer Checksumme verifiziert wird.
Der Vorteil ist, dass jedes einzelne Telegramm mit einer Übertragungsrate von 125 kbit/s nur ein kurzes Zeitfenster von etwa 1 ms belegt. Die Gefahr von Datenkollisionen im Funknetz wird so minimiert. Die Reichweite in Gebäuden beträgt bis zu 30 m, lässt sich aber durch Repeater erhöhen. Die Kommunikation aller Geräte erfolgt über eine 128-Bit AES Verschlüsselung. Ein Rolling Code verhindert zudem, dass Unbefugte die Daten abfangen und manipulieren können.
Effizienz durch Gebäudeautomation
Gebäudeautomation mit modernen Systemen hat zahlreiche Vorteile. Da die Intelligenz nicht mehr in den einzelnen Komponenten, sondern einem zentralen System steckt, sind Wartungsarbeiten und Systemänderungen ganz wesentlich vereinfacht. Wichtig ist die Wahl von Systemen, die offene Standards unterstützen. Nur dann ist garantiert, dass man auch nach Jahren der Nutzung einfach neue, bessere Produkte nachrüsten oder bestehende Funktionen erweitern kann.
Erstmals erschienen in: TiB Ausgabe 2017 September/Oktober