Drahtlose Steuerung Funk macht Licht

In der Lichttechnik gibt es derzeit so viele Innovationssprünge wie bei kaum einer anderen Technologie. Dabei geht es nicht nur um zukunftsweisende Leuchtmittel wie LED und OLED, sondern auch um die »intelligente« Steuerung der Leuchten. Drei Ansätze versprechen unterschiedliche Vorteile für verschiedene Anwendungsszenarien.

Mit »intelligenten« Lichtsteuerungen lässt sich Licht automatisch und individuell an sich ändernde Situationen und örtliche Gegebenheiten anpassen. Licht wird damit zur integrierten Einflussgröße für unseren Alltag. Für den einfachen Einstieg haben sich drahtlose Steuerungen als optimal erwiesen, da sie sich mit wenig Aufwand nachrüsten und sich damit flexibel einsetzen lassen.

Im ersten Schritt wurden diese Steuerungen hauptsächlich als externe Baugruppen ausgeführt, die mit der vorhandenen Lichttechnik über definierte Schnittstellen wie beispielsweise 0–10V oder DALI verbunden werden. Zunehmend ist jedoch ein weiterer Trend zu beobachten: die Integration der Steuerungsfunktion direkt in das Leuchtmittel. Damit würde sich eine »intelligente« Lichtsteuerung einfach durch den Austausch der Leuchtmittel umsetzen lassen.

Gesetzliche Anforderungen

LEDs gelten als Lichttechnologie der Zukunft. Immer mehr Gebäude sollen auf die neue Beleuchtungsart umgerüstet werden, um möglichst viel Energie im Vergleich zu klassischen Lösungen einzusparen. Wirklich umfassende Spareffekte lassen sich jedoch in gewerblich genutzten Gebäuden vor allem in Verbindung mit einer »intelligenten« Steuerung erzielen. Zusammen mit entsprechenden Sensoren kann das Licht dann abhängig von einfallendem Tageslicht oder der Anwesenheit von Personen situationsabhängig angepasst werden. Zudem verlängert sich dadurch die Lebensdauer der Leuchtmittel selbst. Durch diese zusätzlichen Skaleneffekte amortisieren sich die Kosten einer Umrüstung auf LED bereits in zwei bis drei Jahren bei gleichzeitig erhöhtem Nutzerkomfort.

»Intelligente« Steuerung ist inzwischen aber längst mehr als ein willkommener Spareffekt, sondern fester Bestandteil gesetzlicher Regularien. Kalifornien hat mit dem »Title 24« neue Maßstäbe für Gebäuderichtlinien gesetzt. So muss seit Januar 2014 beispielsweise das Licht in Klassenzimmern, Hotelzimmern oder Konferenzräumen präsenzabhängig gesteuert werden. Entsprechende Systeme müssen mit situations- und tageslichtabhängiger Steuerung mindestens 15 Prozent Energie einsparen. Auch die EnEV 2014 sieht die Automatisierung von Gewerken als verbindlichen Bestandteil der energetischen Bewertung eines Gebäudes. Sie ist Voraussetzung für eine gute Bilanz im Energieausweis und beeinflusst damit den Wert einer Immobilie. Ähnliches gilt für anerkannte »Green Building«-Zertifikate wie LEED oder BREEAM, bei denen eine »intelligente« Steuerung wichtige Bewertungspunkte bringt.

Funk statt Draht

Um einen hohen Immobilienwert für einen schnellen Return on Investment (ROI) zu erzielen, muss die Umrüstung bestehender Systeme auf »intelligente« Regelungsfunktionen möglichst einfach sein. Unter diesen Bedingungen etablieren sich Funktechnologien immer mehr und punkten gegenüber verdrahteten Lösungen mit höherer Flexibilität und geringeren Installationskosten. Mit funkbasierten Lösungen lassen sich vor allem Bestandsgebäude ohne größere und aufwendige Umbaumaßnahmen mit »intelligenten« LED-basierten Systemen ausrüsten. Hinzu kommt, dass sich die ursprüngliche Installation jederzeit erweitern lässt; sowohl mit zusätzlichen Komponenten als auch mit weiteren Funktionen.

Dieser vergleichsweise einfache Weg, Beleuchtung in einem Gebäude »intelligent« zu vernetzen, macht Funk so attraktiv. Funkverfahren werden deshalb vom fortschreitenden Siegeszug der LEDs und OLEDs profitieren und sich vermutlich langfristig als Standard für »intelligente« Regelung durchsetzen.

Funk ist jedoch nicht gleich Funk. Die Unterschiede fangen bei der Frequenz an. Einige Standards (z.B. basierend auf IEEE 802.15.4) nutzen das 2,4-GHz-Band. Es ermöglicht einen weltweiten Einsatz, da dieses Band in den meisten Ländern freigegeben ist. Bei dauerstromversorgten Komponenten lassen sich hohe Datenraten mit entsprechend vielen Informationen übertragen. Für batteriebetriebene Geräte ist die Datenmenge begrenzt, da der Energiebedarf für eine geforderte Batterielebensdauer von ein bis zwei Jahren zu hoch wäre. Allerdings wird das 2,4-GHz-Band auch von vielen anderen Geräten genutzt, wodurch es anfällig für Interferenzen ist. Zudem ist die Reichweite im Gebäude¬inneren begrenzt und liegt teilweise bei maximal zehn Metern. Funklösungen in diesem Frequenzbereich eignen sich daher vor allem für die LED-Steuerung im Einzelraum, beispielsweise im Consumer-Umfeld. Alternativ zu diesem Frequenzband verwenden andere Funktechnologien Frequenzbereiche unter 1 GHz. Diese sind besonders für die Kommunikation im Gebäude ausgelegt, da die Funkwellen Wände oder Möbel leichter durchdringen und somit oftmals eine größere Reichweite von bis zu dreißig Metern
haben.

Energieoptimierte Standards

Lösungen im Sub-1-GHz-Bereich haben sich in der Gebäudeautomatisierung als ähnlich zuverlässig erwiesen wie festverdrahtete Systeme, da die Frequenzen nur wenig belegt und somit kaum störanfällig sind. Energieoptimierte Standards (z.B. ISO/IEC 14543-3-10) ermöglichen sogar batterielose Funklösungen, die ihre Energie aus Bewegung, Licht oder Temperaturunterschieden gewinnen. Hier entfallen bei Sensoren und Schaltern neben der Verkabelung auch der Batteriewechsel und damit die entsprechenden Wartungsarbeiten und -kosten. Batterielose Funkkomponenten erleichtern die Entscheidung für ein funkbasiertes Steuerungssystem zusätzlich. Neben der erwähnten Flexibilität bei Installation und Erweiterung bleibt der Betriebsaufwand so gering wie bei verdrahteten Lösungen. Damit ist die Batterie nicht länger der Hemmfaktor für eine umfangreiche Vernetzung per Funk.

Unterschiedlich verteilte »Intelligenz«

Neben unterschiedlichen Vernetzungstechnologien ist die Platzierung der Steuerung eine weitere entscheidende Frage auf dem Weg zum »intelligenten« Leuchtmittel. Derzeit zeichnen sich drei wesentliche Ansätze ab:

  • Die »intelligente« Regelung erfolgt über ein dediziertes externes Steuergerät, dessen Ausgang entweder über den DALI- oder 0–10V-Bus angeschlossen ist. Damit lassen sich mehrere Lampen gleichzeitig steuern. Die Steuerung muss dabei zusätzlich eingebaut werden (Bild 1).
  • Alternativ gibt es Lösungen, bei denen die Steuerung direkt in den LED-Treiber (auch als Ballast bezeichnet) integriert ist. Bei einem System-Upgrade können die vorhandenen gegen neue, »intelligente« LED-Treiber ausgetauscht werden. Die Nachrüstung ist einfach und kann die vorhandene Infrastruktur nutzen. Allerdings lassen sich meistens nur die angeschlossenen Lampen steuern (Bild 2).
  • Der jüngste Trend »intelligenter« LED-Beleuchtung integriert die Steuerung direkt in die Lampe oder das komplette Luminaire bestehend aus Leuchtmittel, Reflektor und Steuerelektronik. Damit muss der Anwender nur noch das Leuchtmittel beziehungsweise das Panel austauschen, um die gewünschte Regelbarkeit zu erhalten. Diese Technologie steht derzeit am Anfang und ist noch entsprechend anspruchsvoll und teuer. Langfristig wird dieser Ansatz jedoch Steuerung ähnlich einfach machen wie einen Glühbirnenwechsel (Bild 3). 

Beispiele zu diesen drei Ansätzen zeigen, dass jeder seine Daseinsberechtigung hat und unterschiedliche Anwendungsszenarien bedienen kann.

Kontrolle von außen

Ein externer Regler ergänzt den vorhandenen LED-Treiber und übersetzt ähnlich wie ein Gateway den verwendeten Funkstandard in den vorhandenen Beleuchtungsstandard wie 1–10V oder DALI (Bild 4). Dadurch werden LED-Systeme funkfähig und können beispielsweise über den EnOcean-Funk mit batterielosen Funkpräsenzsensoren, -lichtsensoren und -schaltern kommunizieren und tageslichtabhängige Szenarien, präsenzabhängige Steuerung sowie manuelles Dimmen umsetzen. Solche nachrüstbaren Regler können sowohl eine einzelne LED-Leuchte als auch Lichtzonen aus parallelgeschalteten LED-Leuchten dimmen. Dank der Funkverbindung lassen sich alle Parameter der Lichtsteuerung über ein PC-Tool zur Fern-Inbetriebnahme einrichten. Installateure können so die Regler und alle Komponenten zentral konfigurieren und die Lichtsteuerung an örtliche Gegebenheiten anpassen, Eigenschaften und Einstellungen definieren sowie Projekte verwalten und speichern. Ein zusätzliches Gateway kann dazu dienen, die LED-Regler in ein Gebäudeautomatisiungssystem einzubinden.

Seit einiger Zeit zeichnet sich eine zweite Variante ab: die Integration der Steuerung direkt in den LED-Treiber. Dabei lassen sich die vorhandenen Schaltgeräte einfach durch eine »intelligente« Version ersetzen, die sowohl die Funkkommunikation als auch den Beleuchtungsstandard in einem Gerät vereint (Bild 5). Wird ein Gebäude von konventio¬neller auf LED-Beleuchtung umgerüstet, könnten im selben Arbeitsschritt die alten Schaltgeräte durch »intelligente« Treiber ersetzt werden. Im Gegensatz zum ersten Ansatz wäre damit für die Funkkommunikation kein zusätzliches Gerät notwendig. Die derart umgerüsteten Leuchten können dann untereinander kommunizieren und beispielsweise Präsenzinformationen austauschen. Auf diese Weise könnten mehrere Leuchten situationsabhängige Szenen kreieren.

Ein weiterer technologischer Trend will diese Form der flexiblen Nachrüstung noch verfeinern. Derzeit gibt es Entwicklungen, funkbasierte Steuerung direkt in das LED-Panel zu integrieren. Damit würden Installateure mit dem Austausch eines Panels in einem Schritt steuerbare LED-Technologie implementieren. Dieser Ansatz kann zukünftig die Beleuchtung in unseren Gebäuden im Zusammenhang mit innovativer OLED-Technologie revolutionieren. So wäre zum Beispiel eine leuchtende Wand denkbar, die sich automatisch an einfallendes Tageslicht oder die Anwesenheit von Personen anpasst.

Direkter Austausch

Eine Variante zeigt das LED-Consumer-Lichtsystem »Hue« von Philips. Hier ist die »Intelligenz« direkt in die Lampe integriert, sodass der Nutzer sie ganz ohne Hilfe eines Installateurs einfach gegen seine alten Glühlampen austauschen und sofort per App oder batterielosem Schalter steuern kann. Dieser Trend ist auch für Bürogebäude interessant. Ließen sich vorhandene Leuchtstoffröhren direkt gegen energieeffiziente LED-Leuchten mit integrierter Steuerung wechseln, müsste nicht einmal das Panel getauscht werden. Damit könnte in wenigen Jahren nicht mehr der Installateur in unseren Büros die Lichttechnik auf LED umrüsten, sondern der Hausmeister.

Über den Autor:

Matthias Kassner ist Product Marketing Director bei EnOcean.