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Forschung
Kann man mit IoT-Sensoren eine Regelung zur passiven Kühlung mit Nachtlüftung realisieren, mit dem Ergebnis, dass sich so das Raumklima verbessert? Dies herauszufinden, war das Ziel einer Praxisarbeit mit einem Feldversuch.
Der sommerliche Wärmeschutz bekommt immer mehr Bedeutung in der Planung, Realisierung und Bewirtschaftung von Gebäuden. Die Installation einer Klimaanlage wäre die Standardlösung. Die Investitionskosten einer Klimaanlage sind jedoch hoch, und energetisch gesehen ist es eine sehr schlechte Variante. So stellt sich die Frage, wie es gelingt, den sommerlichen Wärmeschutz im Bestandsgebäude mit
relativ geringen Investitionskosten und tiefem Energieverbrauch zu realisieren.
Heute werden unterschiedliche Gebäudeleitsysteme wie KNX, BACnet oder LON in Gebäuden eingesetzt, leider aber meistens noch nicht miteinander vernetzt. Internet of Things (IoT) wäre eine Lösung, um Raumsensoren im Bestandsgebäude zu installieren und bestehende Gebäudeleitsysteme dafür zu nutzen.
Um herauszufinden, ob man mit IoT-Sensoren eine Regelung zur passiven Kühlung mit Nachtlüftung im Bestandsgebäude
realisieren kann und sich so das Raumklima in den Büroräumlichkeiten verbessert, wurde ein Feldversuch in einem Büro der Otto Fischer AG in realitätsnaher Umgebung durchgeführt. Die Übermittlung der Messdaten der IoT-Sensoren an das Gebäudeleitsystem erfolgte über LoRaWAN. Damit wurde eine Regelfunktion programmiert, die zur Ansteuerung zweier Fensterantriebe im Büro diente.
Zur Nachtlüftung öffnete sich das Fenster, sobald die Aussentemperatur zwei Kelvin tiefer lag als die Raumtemperatur, und schloss, sobald die Raumtemperatur wieder anstieg. Zur Steigerung der Luftqualität fuhr das Fenster auf, sobald die CO2-Konzentration von 1400 ppm (Parts per Million) CO2 überschritten wurde, und fuhr wieder zu, sobald der Wert von 1000 ppm CO2 unterschritten wurde.
Die Messwerte wurden auf einem Dashboard visualisiert. So konnte eine Bestandsaufnahme erfolgen. Die zur Verfügung stehenden Messgrössen wurden als Grundlage für den Regelalgorithmus verwendet, um damit die Fensterantriebe intelligent anzusteuern und das Raumklima im Büro zu verbessern.
Als Erstes wurden die IoT-Sensoren sowie die LoRaWAN-Antenne und der BACnet-Server installiert. Nach diesem Arbeitsschritt konnte mit der Datenaufzeichnung gestartet werden. Als Nächstes standen die Installation der Fensterantriebe im Büro des Produktmanagements und die Integration in das bestehende Gebäudeleitsystem an. Zur Integration der IoT-Messdaten über
BACnet nach KNX musste ein Gateway eingesetzt werden.
Bei der passiven Kühlung mit Nachtlüftung werden die Fenster in den Sommermonaten in der Nacht geöffnet. Sobald am Abend die Aussentemperatur um zwei Kelvin kleiner ist als die Raumtemperatur, fahren die Fensterantriebe auf. In den Morgenstunden schliessen diese wieder, sobald die Raumtemperatur ansteigt. Die Mindesttemperatur im Raum wurde auf 22 Grad festgelegt. Wenn diese Temperatur unterschritten wird, fahren die Fensterantriebe ebenfalls zu. Es wurden fixe Betriebszeiten programmiert (Mai bis September, 21.00 Uhr bis 06.00 Uhr). Sobald die Fensterantriebe auffahren, werden die elektrischen Storen über das Gebäudeleitsystem KNX hochgefahren. So findet eine genügend starke Luftdurchströmung statt. Bei Regen- oder Windalarm werden alle Automatiken sowie Lokalbedienungen gesperrt, und die Fensterantriebe fahren bis zur Rückstellung in die Sicherheitsposition zurück.
Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus.
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Die Praxisarbeit hat gezeigt, dass der interdisziplinäre Ansatz von Internet of Things und Gebäudeleitsystem für die Verlässlichkeit in der Praxis heute noch immer sehr komplex ist und einen hohen Zeitaufwand verursacht. Der Grund dafür sind die vielen Schnittstellen in der Kommunikation der unterschiedlichen Gebäudeleitsysteme. Deshalb konnte die Übermittlung der Daten zwischen den zwei Gebäudeleitsystemen nicht zuverlässig erfolgen.
Die erfassten Messdaten wurden ausgewertet, und die Ergebnisse zeigten, dass sich das Raumklima verbessert, wenn auch nicht wesentlich. Wenn morgens nicht frühzeitig gelüftet wird, erhöht sich die Temperatur stark. Die Luftfeuchtigkeit im Gebäude der Otto Fischer AG ist gut. Auch die Luftqualität in den Büros der Otto Fischer AG ist gut. Im Normalfall wurde die Konzentration von 1000 ppm CO2 nicht überschritten.
Das Potenzial der passiven Kühlung mit Nachtlüftung konnte klar aufgezeigt werden. Das Praxisprojekt wird nun weitergeführt
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