Smarte Sektorkopplung im Gebäude mit KNX

Die branchenübergreifende Optimierung des Energieverbrauchs in Gebäuden dient in der globalen Klimakrise neben der Energieeffizienz auch der politisch gewollten Reduzierung von CO₂-Emissionen. Auf Basis der Gebäudeautomation kann man die Sektoren der Energieanwendungen Wärme, Elektrizität und Mobilität koppeln und tarif-, zeit- und lastabhängig automatisch managen. Die Energienutzung in Gebäuden lässt sich somit flexibel dem augenblicklichen Energieangebot und -bedarf anpassen. Mit dem KNX-Standard hat sich dafür ein bewährtes und seit 30 Jahren weltweit anerkanntes System etabliert.

In Deutschland sind mehr als 50% aller Smarthomes mit KNX ausgestattet. Der Standard ist in den am Bau partizipierenden Branchen durchgehend bekannt und der Einsatz flächendeckend üblich. Dazu trägt die immer größer werdende Anzahl international tätiger Mitgliedsfirmen (derzeit 500 aus 44 Ländern) bei, die mehr als 8000 miteinander kompatible Produkte auf den entsprechenden Zielmärkten platziert haben.

Ein erheblicher Erfolgsfaktor ist dabei die Standardisierung. Diese beginnt schon bei der Schulung von Installateuren und betrifft Hardware und Software bis hin zur globalen Vermarktung. Die KNX Association als Kopf­organisation reagiert zudem frühzeitig auf Technologietrends und entwickelt dahingehend das zentrale Inbetriebnahmetool ETS (Engineering-Tool-Software) weiter, sodass dessen Einfachheit und Bedienerfreundlichkeit erhalten bleiben.

Sektorkopplung im HLK-Bereich

Derzeit gibt es einen starken Trend zur Digitalisierung des gesamten Energiesektors. Dies haben auch viele Anbieter von KNX-Lösungen und -Produkten im HLK-Bereich erkannt. Zwar gehörte etwa die Raumtemperaturregelung bei KNX von Anfang an ­dazu, jetzt blickt man aber über den Tellerrand der Raum­automation hinaus und betrachtet die elektrische und thermische Energieerzeugung und -umwandlung gesamtheitlich.

Nur die Vernetzung aller technischen Systeme lässt hier eine optimale Steuerung und Regelung im Sinne der Energieoptimierung zu. Neudeutsch nennt man dies Sektorkopplung und meint damit aber nichts anderes als die datentechnische Verbindung von der Energieerzeugung bis zum Endgerät – im elektrischen Bereich zum Beispiel vom Kraftwerk bis zur Steckdose und im thermischen Bereich von der Wärmepumpe bis zum Stellventil am Heizkörper. Und diese Sektoren sind schon heute einfach über die geeigneten KNX-Geräte koppelbar.

Optimierte Energieanwendung

Da elektrische Energie zunehmend mit Windkraft und Photovoltaik erzeugt wird, ist mit Schwankungen des Energieangebotes zu rechnen. Um künftig die Netzstabilität zu sichern und den Verbrauch zu optimieren, müssen Energieverbraucher und -produzenten über alle Netzebenen hinweg last- und zeitbezogen gemanagt werden. Dies gilt erst recht, weil der wachsende Trend zur Elektromobilität zukünftig zu Spitzenbelastungen führen kann.

In diesem Betätigungsfeld erweist sich das KNX-System als Teamplayer. Es nimmt zunächst über heute schon verfügbare Sensoren Umgebungswerte wie Sonneneinstrahlung und Temperatur auf. Dann wertet ein Energiemanagementsystem diese Daten aus und entscheidet anhand der aktuellen Verbrauchswerte, wo welcher Anteil an Energie verfügbar ist und ob die verfügbare Energie ausreicht.

Erst wenn letzterer Zustand nicht erfüllt ist, werden geeignete Maßnahmen ergriffen. Diese reichen vom Bezug von Fremdenergie vom Energieanbieter bis zum Abschalten nicht benötigter Verbraucher (Lastabwurf). Dies alles geschieht ohne Umwege innerhalb eines Systems. Zur Vermeidung von Spitzenlastüberschreitungen, aber auch zur wirtschaftlichen Energienutzung müssen Energieverbräuche automatisiert gemanagt werden. Als Basis für ein derartiges integriertes Gebäudeenergiemanagement eignet sich die Gebäudeautomation mit KNX.

Heizungssteuerung mit KNX

Die KNX-Technologie ermöglicht die Einbindung eines vollwertigen Heizungssystems, einschließlich Warmwasseraufbereitung, Steuerung der Wärme-/Kälteerzeugung in Abhängigkeit der Ventilstellungen in den einzelnen Räumen und unter Berücksichtigung mehrerer verschiedener Wärmeerzeuger. Der Kern des Systems besteht dabei aus einem KNX-Raumregler und einem KNX-Heizungscontroller. Der Raumregler kann

• die notwendigen Inputdaten von Fensterkontakten, Anwesenheitssensoren und auch von Raum- und Außentemperatursensoren empfangen.
• Auf Basis dieser Informationen steuert der Raumregler die angeschlossenen Thermostatventile der Heizkörper bzw. die Stellventile der Fußbodenheizung zum Heizen oder Kühlen.

Der Heizungscontroller kann

• die Vorlauftemperatur bzw. die Heizkurve des Wärmeerzeugers auf Basis der aktuellen Stellgrade der Thermostat-/Stellventile anpassen;
• in Heizungssystemen die verschiedenen Wärmeerzeuger (z. B. Brennwertkessel, Wärmepumpe, Solarthermieanlage) koordinieren. Im KNX-System kommunizieren alle Geräte ohne Einschalten einer Zentrale miteinander;
• den Nutzer über ein KNX-Display oder Smartphone über den aktuellen Wärmeverbrauch sowie die aktuelle Wärmequelle (z. B. Brennwertkessel, Wärmepumpe, Solarthermieanlage) informieren. Eine Steuerung über den Nutzer ist ebenfalls möglich;
• den Sollwert der Drehzahl einer angeschlossenen Heizungspumpe verändern.

Kompatibel und unabhängig

Dem KNX-System kommt zugute, dass die Hersteller je nach Anforderung Produkte für verschiedene Medien anbieten können. Es gibt zum Beispiel Sensoren, wie Energiezähler, die ihre Daten per klassischem Buskabel übertragen. Temperatursensoren und -regler sind ebenso für KNX-RF, eine Funkvariante, erhältlich. So können SHK-Installateure diese in Großraumbüros unauffällig und flexibel drahtlos einsetzen.

Die Daten werden mittels geeigneter Medienkoppler auf das IP-Netzwerk umgesetzt, um entweder mit Drittsystemen bidirektional zu kommunizieren oder um in einem Visualisierungssystem analysiert und ausgewertet zu werden.

Das KNX-System ist offen und flexibel erweiterbar, da die Produkte von unterschiedlichen Anbietern zueinander kompatibel sind. Es gibt daher keine Herstellerabhängigkeit und keine zentrale Einheit. Der Fachhandwerker kann aus einem breiten Sortiment von verschiedenen Herstellern das passende Produkt aussuchen und einsetzen.

Nachhaltige Investitionen

Zudem erhält der Errichter einen nachhaltigen Investitionsschutz. Die KNX-Produkte sind abwärtskompatibel konzipiert, ebenso wie die Software ETS zur Inbetriebnahme. Das heißt, dass zum Beispiel die in einem KNX-Projekt aus dem Jahr 1998 eingesetzten Produkte auch heute noch mit der aktuellen ETS gewartet, gepflegt und erweitert werden können.

Zudem können jederzeit KNX-Produkte ersetzt werden. Auch wenn genau das Gerät aus dem Jahr 1998 nicht mehr hergestellt wird, so steht ein Nachfolgeprodukt des gleichen oder eines anderen Herstellers heute als Ersatz zur Verfügung und kann einfach an dessen Stelle in Betrieb genommen werden. Erweiterungen sind somit ebenso jederzeit möglich – und das ohne großen Aufwand für die Errichter bzw. Betreiber der Systeme.

Profi-Tool oder Easy-Modus

Auch für die Projektierung und Inbetriebnahme der KNX-Systeme stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Zumeist wird die Inbetriebnahmesoftware ETS genutzt. Diese Methode wird S-Mode genannt, wobei das S für Software steht. Die ETS ist ein professionelles Werkzeug und weltweit verbreitet. Für überschaubare Projekte gibt es noch eine weitere Möglichkeit der Inbetriebnahme. Im E-Mode, auch als „Easy-Inbetriebnahmemodus“ bezeichnet, erfolgt die Inbetriebnahme und die Funktionszuweisung einfach per Knopfdruck.

Die einfache Umsetzung einer Haussteuerung mittels KNX-Bussystem ist beispielsweise mit dem KNX Quick System von Lingg & Janke möglich. Licht-, Jalousie- und Heizungssteuerungen lassen sich damit ohne Software und Aufwand für die Parametrierung vernetzen und konfigurieren. Dafür wird nur ein Schraubendreher benötigt. Alternativ lassen sich die Geräte auch mit der Software ETS in Betrieb nehmen.

Anwendungsbeispiel: Dreizimmerwohnung

Mit diesem System soll die intelligente KNX-Gebäudesteuerung für alle Anwender zugänglich werden. Wie das funktionieren kann, wird hier am Beispiel einer Installation in einer Dreizimmerwohnung gezeigt. Der Bauherr hatte dabei eine klare Vorstellung, was er für eine smarte Installation ausgeben wollte.

Die Kosten sollten fertig installiert und betriebsbereit eine Summe von 6000 Euro nicht überschreiten. Eine Heizungssteuerung war dabei nicht erforderlich, da es sich um ein Nullenergiehaus handelt. Zudem sollten auch später noch jederzeit Erweiterungen möglich sein. Hier ist das System KNX Quick mit den Produkten aller anderen KNX-Hersteller kompatibel.

Programmierung mit dem Schraubenzieher

Zunächst wurden die technischen Anforderungen im Gespräch mit dem Bauherrn erarbeitet. Die entsprechenden Geräte (Schalter, Jalousiesteuerung etc.) sind vom Hersteller bereits für ihre Aufgaben vorparametriert. Mittels der Drehkodierschalter werden diese Vorparametrierungen ausgewählt und durch Drücken der Programmiertaste übernommen. Auf diese Weise lassen sich Sensoren und Aktoren funktional einfach miteinander verbinden, ganz ohne PC und Software. Die Komponenten können so auch schon vorab programmiert werden und müssen dann nur noch eingebaut werden.

Diese einfache Handhabung überzeugte auch den Bauherren. Die Umsetzung gelang mit einer Einsparung von 400 Euro unter der gesetzten Grenze von 6000 Euro. Dabei handelt es sich um den Preis für die gesamte Elektroinstallation, also der KNX-Quick-Komponenten, der notwendigen Installation für den Busaufbau und des Anteils der konventionellen Installation.

Konfiguration mit ­Komfortfunktionen

Hinsichtlich des Systemaufbaus standen für den Bauherren besonders Komfort und Bequemlichkeit im Fokus. Deshalb wurden auch die Funktionen „Zentral Licht aus/ein“ und „Jalousie/Rollladen auf/ab“ gewählt. Zusätzlich wurde die Funktion „Kommen/Gehen“ mithilfe eines Schlüsselschalters mit der folgenden Konfiguration eingerichtet:

• Gehen: Herd aus / Rollladen Wohnzimmer unten / Zentral Steckdosen und Beleuchtung aus
• Kommen: Beleuchtung Flur und Wohnzimmer ein / Rollladen Wohnzimmer oben

Diese Konfiguration war für den Bauherren auch der Einstieg in die Barrierefreiheit. Ausschlaggebende Argumente waren zudem die Sicherheit der Installation und der Schutz der Privatsphäre, da das System nicht an eine Cloud angekoppelt ist. Dazu kam die Investitionssicherheit, da das System jederzeit flexibel ergänzt werden kann.

Um möglichem Elektrosmog vorzubeugen und eine gesundheitliche Gefährdung auszuschließen, war es zudem wichtig, dass es sich um ein kabelgebundenes System handelt. Insgesamt war es für den Bauherrn so eine moderne Investition in die Zukunft, die zudem auch noch unter dem gesetzten Budget blieb.

Fazit

Um die Klimaschutzziele zu erreichen, sollten sich zur möglichen Vermeidung von CO₂-Emissionen die Energieanwendungen optimal managen lassen. Dafür steht mit KNX eine etablierte Gebäudeautomation zur Verfügung. Über 500 Mitglieder weltweit stellen 8000 kompatible Geräte für Anwendungen in allen Gewerken zur Verfügung.

Installateure in vielen Ländern gewährleisten durch die Anwendung der Software ETS professionell ausgeführte KNX-Systeme. Zertifizierte Gebäude wie Green Buildings sind ohne Automation der Energieanwendung nicht denkbar. Auf diesem Gebiet hat sich KNX in zahlreichen Objekten rund um den Globus bewährt. Über drei Jahrzehnte stetige Entwicklungen und Anpassungen an die Erfordernisse in Gebäuden und den technischen Fortschritt bilden die Grundlage dafür, dass KNX auch für zukünftige Anforderungen gerüstet ist.

Dieser Beitrag von Dipl.-Ing. Peter Sperlich ist zuerst erschienen in SBZ 03/2021. Sperlich ist Geschäftsführer der Smart Building ­Design GmbH, CH-8545 Rickenbach-Sulz. 

Artikelserie: Smart Living im Heizungsmarkt

Diese Artikelserie dient dem SHK-Unternehmer zur Orientierung und führt schrittweise in das Thema Smart Living ein. Angefangen bei der Nutzung einfacher Hersteller-Apps über die Einbindung des Wärmeerzeugers in ein Energiemanagement bis hin zur Erweiterung auf das ganze Gebäude in Richtung des integrierten Gebäudeenergiemanagements werden die aktuellen technischen Möglichkeiten vorgestellt. Die Serie gibt einen Überblick, für welchen Kunden sich welche Technik eignet und welche Schulungsangebote der SHK-Fachhandwerker jeweils nutzen kann.

• Teil 1: Grundlagen → So funktioniert Smart Living im Heizungsmarkt
• Teil 2: Herstellersysteme → Smart Heating: Digitale Lösungen rund um die Heizung
• Teil 3: EEBUS → Die Heizung smart vernetzen
• Teil 4: KNX → Smarte Sektorkopplung im Gebäude