Smarte Integration macht Haustechnik intelligent Vernetzt über 230-V-Stromnetz

Noch ist die Haustechnik nicht im Massenmarkt angekommen, sondern immer noch eine Domäne der Technikbegeisterten. Das liegt nicht nur an der Angst des Verbrauchers vor hohen Kosten, sondern auch am verwirrend großen Technologieangebot. Eine neue, sehr simple Technologie kann jetzt für den Durchbruch der Haustechnik sowohl im breiten Einsatz in Büros oder Produktionshallen kleiner und mittelständischer Unternehmen als auch im Privatbereich sorgen: digitalStrom.
Kernstück der digitalStrom-Technologie ist ein kleiner Chip, der direkt verbaut in Elektrogeräte oder in einem Zwischenstecker die Geräte von der Schreibtischlampe bis zum Türöffner miteinander kommunizieren lässt. Und das funktioniert ganz unkompliziert, denn digitalStrom vernetzt die Geräte über das bestehende 230-V-Stromnetz und ist mit nur wenigen Handgriffen installierbar. Das Ergebnis: Weniger Stromverbrauch und mehr Komfort. Doch so simpel sich die Technologie für den Endverbraucher darstellt: Der Hersteller von Elektrogeräten steht vor der Herausforderung, seine Produkte digitalStrom-kompatibel zu machen. Einer der Technologieentwickler und Integrator von digitalStrom ist ComTrade. Das Unternehmen, zu dem auch das noch bis vor kurzem unter dem selbständigen Namen ‚Hermes SoftLab‘ firmierende Softwareentwicklungsunternehmen und deren deutsche Tochter (heute: ComTrade Software Solutions GmbH (ComTrade), München) gehört, beschäftigt mehr als 1.000 Softwareentwickler weltweit und ist darauf spezialisiert, neue Technologien so schnell als möglich in praktikable Produkte umzusetzen. ComTrade verfügt über eine langjährige Erfahrung und ein gefestigtes Know-how auf Systemebene, wenn es um das Vernetzen großer integrierter Netzwerklösungen geht. Das aktuellste Projekt von ComTrade ist ein digitalStrom-kompatibler Näherungssensor und Kühlschrank.

Intelligentes Lichtmanagement

Kostengünstige Näherungssensoren, die dafür sorgen, dass sich ein Licht einschaltet, sobald sie innerhalb eines bestimmten Radius eine Bewegung registrieren, gehören inzwischen zu den Standardanwendungen. Dieselben Komponenten werden auch in anspruchsvolleren Sicherheitsapplikationen eingesetzt. Was aber, wenn nun der Sensor ‚intelligenter‘ würde und sich mit anderen Sensoren vernetzen könnte? ComTrade hat den Prototyp eines digitalSrom-fähigen Infrarot(IR)-Näherungssensors entwickelt; dessen Energiespar- und damit Kostensparpotential wurde bereits von einem der weltweit größten Logistikkonzerne erkannt. Das Unternehmen unterhält eine große Paket-Distributionshalle, die ihm jedoch nicht selber gehört. Investitionen für große Veränderungen der Anlage sind damit nicht wirtschaftlich. Aber der Lichteinsatz in dieser Halle ist äußerst ineffizient und damit kostenintensiv. Mit einer neuen intelligenten Haustechnik kann jetzt die Beleuchtung effizienter genutzt und die Stromausgaben reduziert werden.

Bestehende Stromleitungen für Datentransfer genutzt

Das neue Haustechnik-System der Halle nutzt die bestehenden Stromleitungen für den Datentransfer. Die Lichtquellen sind nicht mehr direkt mit mechanischen Schaltern verbunden, sondern dienen selbst als Schnittstellen, die auf Befehle reagieren. Der Näherungssensor-Prototyp von ComTrade ist so in der Lage, das Licht entsprechend den Voreinstellungen zu steuern. Entwickelt wurde dieser Prototyp auf Basis der Entwicklungsumgebung von digitalStrom mit Hilfe eines kostengünstigen, handelsüblichen Näherungssensors des Typus Steinel IS130-2. Der IR-Näherungssensor wird über das serielle Interface und die IO-Eingänge mit dem dSLink Entwicklungsboard verbunden. Ein einfacher elektrischer Schaltkreis ersetzt das Hysterese/Lichtstärke-Potentiometer des Näherungssensors und bildet so das Interface für die serielle Verbindung zum dSLink Entwicklungsboard (Verbindung über den Relaisschalter). Die Parameter des Näherungssensors (ns_hysterese, ns_empfindlichkeit, ns_bewegung) werden im dSLink-Board auf einem MSP-Prozessor virtualisiert. Die dSID auf dem dSLink Entwicklungsboard wird an die gelbe Gruppe (Licht) gekoppelt und macht dadurch den dSSensor zu einem Element der digitalSrom Lichtgruppe. Ein Script auf dem Linux dSServer simuliert das Verhalten der roten Gruppe (Sicherheit) und macht damit aus dem dSSensor ein Element der digitalStrom Sicherheitsgruppe. Gleichzeitig bietet der Server Internetseiten für das Einstellen der Parameter des dSSensors und die Anzeige des Status der Bewegungserkennung. Die Lösung basierend auf dem Näherungssensor von ComTrade kann aber noch mehr: In einer großen Distributionshalle, wie die im aktuellen Anwendungsfall, lässt sich damit nicht nur das Licht steuern, sondern auch die Helligkeit. Die neue Lösung geht einen Schritt weiter vom simplen An- und Ausschalten des Lichts hin zur intelligenten Regelung der Helligkeit in der Halle in den Bereichen, in denen sich Menschen aufhalten. Das erhöht den Komfort und die Energieeffizienz bei minimalen Kosten. Wenn das Unternehmen in eine andere Einrichtung umzieht, kann es die intelligente Beleuchtungslösung mitnehmen und dabei das bestehende Gebäude unberührt lassen.

Hohe Energieeffizienz bei minimalen Kosten

Im privaten Bereich könnte die ‚intelligente Helligkeitsregelung‘ Rollläden, Näherungssensoren und Lichtquellen einbeziehen. Der intelligente Näherungssensor registriert z.B. die Bewegung einer aufstehenden Person und leitet entsprechende Signale über deren Anwesenheit und auch deren Bewegungsrichtung an das ‚mitdenkende‘ System weiter. Die Lichtquellen und Jalousien auf dem Weg der Person reagieren dann automatisch: Die Sonnenblenden öffnen sich, um das Tageslicht hereinzulassen, während das Licht je nach Vorgabe des Nutzers auf die nötige Helligkeit heruntergedimmt wird. Durchquert die Person ein Zimmer, registriert ein weiterer Näherungssensor deren Anwesenheit und informiert das System, woraufhin das Licht im vorherigen Raum ausgeschaltet wird. Dieser nutzergesteuerte Einsatz von Licht führt zu mehr Energieeffizienz und einen erhöhten Komfort, denn alle Aktionen werden ohne Zutun des Nutzers durchgeführt. Das Szenario kann beliebig fortgeführt werden, etwa wenn die Jalousien auch noch mit den Heizungs- und Belüftungssystemen interagieren. Denn Sonnenlicht sorgt nicht nur für mehr Helligkeit im Innenbereich, sondern hat auch Auswirkungen auf die Lufttemperatur.

Steuerung des Stromverbrauchs mit intelligenten Haushaltsgeräten

Wenn es um das Sparen von Energie durch den Einsatz von intelligenter Haustechnik geht, liegt die Implementierung eines ‚Smart-Grid‘-Konzeptes nahe. Ein Smart Grid ist ein Zusammenfluss von Energie-, Telekommunikations- und Informationstechnologien, das ein Stromverteilungsnetzwerk mit der Fähigkeit zum Informationsaustausch versieht. Mit der Information von eingebetteten Sensoren und aktiven Steuerungen in Smart Grids können Stromanbieter die Verfügbarkeit und Qualität von Elektrizität verbessern. Auf der anderen Seite erhält der Konsument auch eine bessere Kontrolle über den Stromverbrauch: Durch den Einsatz von intelligenten Geräten und Anlagen in Firmengebäuden und Privathäusern können sie den Energieeinsatz besser steuern und die Stromkosten senken. Basierend auf dem variierenden Grad der Kommunikation innerhalb des Überwachungssystems und durch die Analyse des Stromverbrauchverhalts können Smart Grids sogar die Muster der Stromnachfrage vorhersagen und den Energieanbietern dabei helfen, die Energieversorgung zu optimieren. Über die Jahre haben diese Unternehmen Energieversorgungsmuster entwickelt, anhand derer sie bis zu einem gewissen Grad vorhersagen können, wie viel Strom sie in ihre Netze einspeisen müssen. Wenn die vorhergesagte Energienachfrage über dem verfügbaren Angebot liegt, können die Anbieter zum heutigen technischen Stand der Dinge entweder höherpreisige Energie vom Spotmarkt beziehen oder eigene (teure) Stromquellen, sogenannte Spitzenlastkraftwerke (‚peaker plants‘), nutzen. Im privaten Bereich ergeben sich Verbrauchsspitzen z.B. im Sommer, wenn die Belastung durch Klimaanlagen steigt oder wenn aufgrund eines großen TV-Ereignisses Millionen von Fernsehgeräten gleichzeitig angeschaltet werden. Für die Stromanbieter bedeutet es eine echte Herausforderung, das Elektrizitätsangebot so flach wie niedrig zu halten.

Einsatz von Smart Grids

Durch den Einsatz von Smart Grids kommunizieren Energieunternehmen mit intelligenten Gebäuden, in denen Geräte reagieren, indem sie sich anschalten, ausschalten oder auf andere Weise ihre Status verändern. Dafür müssen die digitalen, fernauslesbaren Strommesser (smart meters) im Gebäude mit dem intelligenten Netzwerk des Gebäudes verbunden werden. Aktuell arbeitet ComTrade mit einem der größten deutschen Energieversorger an einer Protoyp-Lösung für die Steuerung von Geräten, die elektrische Energie in eine andere Energieform umwandeln können – im vorliegenden Fall ein Kühlschrank. Der intelligente Kühlschrank von ComTrade meldet die Temperatur für sein Kühl- und sein Gefrierfach unabhängig voneinander. Beide Fächer müssen unabhängig voneinander an- und ausschaltbar sein. Ein derartiger Kühlschrank sollte auch in der Lage sein, seine Tiefkühlkapazitäten als regulierbare Größe der Haustechnik zur Verfügung zu stellen. Angenommen, ein Energieanbieter erwartet eine Spitze in der Stromnachfrage, z.B. weil am nächsten Tag das Endspiel der Fußball-Weltmeisterschaft stattfindet. Dann weiß er auch, dass der Stromverbrauch etwa zur selben Zeit sprunghaft ansteigen wird. Das Stromunternehmen wird dann eine Meldung – so etwas wie ‚Verbrauchsspitze in 20 Stunden‘ – an alle intelligenten Gebäude in der Umgebung schicken, woraufhin diese Häuser und ihre Schaltzentralen reagieren. Der Kühlschrank von ComTrade wird z.B. reagieren, indem er sein Gefrierfach aktiviert. Die Logik ist ganz einfach: Durch das Einfrieren des Inhaltes für einen beschränkten Zeitraum von 20 Stunden kann der Kühlschrank zum Zeitpunkt des erwarteten Verbrauchshochs abgeschaltet werden. Und er kann auf ‚Aus‘ bleiben, bis sich die Innentemperatur den sonst üblichen Minusgraden im Gefrierfach nähert. Auf diese Weise kann der Stromanbieter Stromspitzen in seinem Netzwerk überbrücken und seinen Konsumenten dennoch unterbrechungsfreien Strom liefern.

Steuerung erfolgt über ein Script auf Linux dSServer

Der intelligente Kühlschrank von ComTrade wird über seine serielle Schnittstelle und die IO-Eingänge mit dem dSLink Entwicklungs­board verbunden. Der externe elektronische Schaltkreis ist in der Lage, die Innentemperatur zu messen und ersetzt so das standardmäßige Thermostat. Gleichzeitig überwacht er die Tür des Kühlschrankes und ist zuständig für das An- und Ausschalten des Kompressors. Die Virtualisierung des Kühlschrankes findet auf dem dSLink Board in einem MSP-Prozessor statt (ks_temp, ks_thermostat, ks_tuer, ks_strom). Das dSID auf dem dSLink Entwicklungs­board stellt den dSKühlschrank als digitalStrom dSLink-Element dar. Die Steuerung des dSKühlschranks erfolgt über ein Script auf dem Linux dSServer, der auch eine Internetseite zur optischen Darstellung zur Verfügung stellt. In je­dem Haushalt gibt es eine Vielzahl von Geräten mit elektrischen oder nicht-elektrischen Speicherkapazitäten. In Zusammenarbeit mit Systemlösungsanbietern wie ComTrade können OEMs die entscheidenden Geräte anbieten, mit de­nen Stromanbieter in Zukunft leichter die Lastverteilung zur Vermeidung von Stromspitzen vornehmen können, z.B. Wasserkocher, Klimaanlagen und Ventilatoren oder andere Geräte mit hohem Stromverbrauch.

Autor: Dr. Holger Wilken, ComTrade Software Solutions GmbH, Deutschland