Energieeffizienz Licht in Räumen automatisch steuern

40% des Gesamtenergieverbrauchs der EU entfallen auf den Gebäudesektor. Um das Kyoto-Protokoll zu erfüllen, werden sich die Lichter daher weitestgehend automatisch ein- und ausschalten, wenn wir Räume betreten beziehungsweise verlassen. Wie können solche Steuerungssysteme ausschauen?

Als Reaktion auf das Kyoto-Protokoll veröffentlichte die Europäische Union im Jahr 2002 die »Richtlinie zur Energieleistung von Gebäuden« (Energy Performance of Buildings, EPBD). Ziel war es, Verbesserungen bei der Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden in der EU voranzutreiben. Die Mitgliedsstaaten hatten bis Januar 2006 Zeit, dem nachzukommen.

Danach verstärkte die Direktive 2010/31/EU die EPBD-Richtlinie mit der Einführung konkreter Anforderungen zur Verwendung und Messung von Energie in Gebäuden, vor allem der nahezu emissionsfreien Bauten (Bild 1). Sie legt fest, dass bis zum 31. Dezember 2020 alle Neubauten Niedrigstenergie-Gebäude zu sein haben und dass bereits zum 31. Dezember 2018 alle neuen Gebäude, die von Behörden als Eigentümer genutzt werden, Niedrigstenergie-Gebäude sein müssen.

Da die Beleuchtung ein großer Energieverbraucher sowohl in Geschäfts- 
als auch in Wohngebäuden ist, haben diese Regelungen zur Folge, dass automatische Beleuchtungssysteme von einem »Nice to have«-Merkmal zu einem Muss werden. Präsenzerkennungssensoren und Lichtsteuerungsschalter sind Grundelemente solcher Systeme, und hier sind beträchtliche Fortschritte erzielt worden. Automatische Beleuchtungssysteme wirken sich bereits heute schon signifikant auf die Energienutzung aus und tragen zu Einsparungen von 50% bis 70% in Konferenzräumen und Großraumbüros, 40% bis 60% in Fluren und 40% bis 60% in den Gängen von Regallagerhallen bei. Die besten Lichtsteuerungssysteme verfügen über eine integrierte HKL-Steuerung (Heizung/Kühlung/Lüftung), sodass dieselben Sensoren alle Stromverbraucher eines Gebäudes regeln können.

Ein automatisches Beleuchtungssystem besteht aus drei grundlegenden Bereichen: Dateneingang, Kommunikation und Steuerung (Bild 2). Der Dateneingang erfolgt über Sensoren wie Präsenzmelder und eventuell ein Zeitmessgerät oder ein Bedienfeld, das beispielsweise die zeitliche Verzögerung bis zur Lichtabschaltung regelt, nachdem die letzte Person den Raum verlassen hat. Diese Sensoren müssen mit dem Beleuchtungselement kommunizieren können, müssen sich aber von einem Wandlichtschalter auch überbrücken lassen.

Das Beleuchtungselement selbst soll schließlich durch ein Steuergerät, zum Beispiel ein Relais-Ausgangsmodul, an- und abgeschaltet werden. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf die Design-Herausforderungen in zwei Bereichen: Eingang und Steuerung.

Präsenz erkennen ohne Bewegung

Pyroelektrische und Mikrowellensensoren, die traditionellen Techno- 
logien zur Erkennung von Menschen, arbeiten passiv. Sie erkennen Menschen in einem Raum nur, während diese sich bewegen. Die relativ neue MEMS-Technologie soll dieses Problem lösen. Ein Infrarot-MEMS-Sensor beobachtet die Temperatur in einem Raum, und durch die Messung von Stellen, die wärmer sind als ihre Umgebung, lässt sich die Anwesenheit einer Person feststellen, ohne auf deren Bewegung angewiesen zu sein.

Typischerweise wird ein IR-Sensor mit Matrixstruktur eingesetzt, der nicht nur einen leeren von einem belegten Raum unterscheiden, sondern auch Aufschluss darüber geben kann, wo im Raum sich die Person aufhält.

Zum Beispiel kann eine deckenmontierte Zentralsensoreinheit mit 16x16 Sensoren eine Fläche von 6x6 Metern erfassen und eine Person darin exakt lokalisieren (Bild 3). Diese Sensoren verfügen über breite Betrachtungswinkel und schnelle Reaktionszeiten, sodass wenige Sensoren weite Bereiche abdecken und auch sich schnell bewegende Menschen erkennen und, je nach angezeigter Sensoraktivität, im ganzen Gebäude verfolgen können.

Sensoren wie der »D6T« von Omron reagieren auf winzige Temperaturänderungen von 0,15 K und lassen sich daher für viele weitere Anwendungen einsetzen. Bei der Messung der Fußbodentemperatur eines Raums können sie diese zur Wärmesteuerung nutzen, indem sie durch An- und Abschaltung der Wärmequellen dafür sorgen, dass eine gleichmäßige Fußbodentemperatur aufrechterhalten wird. Integriert mit einem Sicherheitssystem lösen diese Alarm aus und aktivieren Kameras, wenn die Anwesenheit einer Person in dafür nicht vorgesehenen Bereichen festgestellt wird.

Das richtige Relais für die Steuerung

In einem automatischen Beleuchtungssystem sind diese Sensoren an Steuerschaltkreise angebunden, welche die Beleuchtungselemente letztendlich an- und abschalten. Die größte Herausforderung für die Schaltungsentwickler sind die sehr hohen Eingangsströme vor allem bei Leuchtstofflampen und Kaltkathoden-Leuchtstoffröhren. Noch kritischer sind kapazitive Lasten: Ein Kondensator in Parallelschaltung mit einem Lampenverstärker ist eine sehr gebräuchliche Schaltungskonfiguration – auch für LEDs –, und der durch dessen Entladung erzeugte Spitzenstrom kann leicht mehr als das Zehn- bis Fünfzehnfache des Nennstroms betragen. Das falsche Relais einzudesignen, kann die Lebensdauer des Gesamtsystems drastisch reduzieren. Diese Schaltkreise sollten gemäß der UL-TV-Standards entwickelt werden: TV-5 (78 A Eingang, 5 A Unterbrechung, 25 000 Schaltspiele) oder TV-8 (117 A Eingang, 8 A Unterbrechung, 25 000 Schaltspiele).

Diesen Anforderungen begegnen Relaishersteller mit neuen, hoch entwickelten Kontaktmaterialien. Omron nutzt beispielsweise eine Silber-Indium-Zinnlegierung (AgInSn), die sehr hart ist und einen hohen Schmelzpunkt sowie eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenüber Lichtbogenbildungen und Verschweißungen aufweist – ideal geeignet für hohe Eingangslasten. Als weiterer Vorteil ist die Legierung kadmiumfrei und somit RoHS-konform.

Omrons für hohe Eingangsströme ausgelegtes Relais »G5RL-HR« weist solche Kontakte auf sowie eine 90% geringere Prellzeit als andere Bausteine des Unternehmens, was für saubere Schaltleistungen sorgt (Bild 4).

Von Natur aus sind AgInSn-Kontakte beständig gegen Verschweißung, dennoch wurde das Relais gegen auftretende Verschweißerscheinungen aller Art mit einer speziellen Abrollbewegung beim Schalten versehen. Mit diesem Design erzielt Omron 40 000 Schaltspiele bei der Steuerung einer 2400-W-Glühlampe. Eine Ausführung mit bistabilem Aktuator, wie das kommende »G5RL-U/K«, benötigt keinen Strom, um seinen eingeschalteten Zustand beizubehalten. Dadurch lässt sich noch weiter Energie einsparen.

Mit solchen AgInSn-Kontakten kann ein Relais je nach Modell Eingangsströme bis zu 100 A schalten, sogar in Leuchtstoff- und Glühlampen. Ein 16-A-Relais eignet sich für alle marktüblichen Lampenarten von Leuchtstoff bis LED, obwohl für einige Beleuchtungsanwendungen auch Relais mit geringerer Schaltleistung spezifiziert werden können.

LEDs sorgen für kleinere Relais

Steigende Energiekosten und Rechtsvorschriften fördern den Einsatz von LEDs. Da stromsparende LED-Leuchten keine Schaltleistungen von 16 A mehr erfordern, können Beleuchtungssteuerungssysteme hier von den Innovationen bei der Miniaturisierung profitieren, die mit verringerter Leistungsaufnahme einhergingen. Kompakte und schlanke Relais erweisen sich als besonders nützlich in den Schaltmodulen zur Steuerung von LED-Leuchten: 6,5 mm schmale Bauelemente wie das ebenfalls mit Silber-Indium-Zinnlegierungskontakten ausgestattete 5-A-Relais »G6D-ASI« von Omron spart gleichermaßen Platz und Kosten.

Schaltgeräusche sind ein großes Minus bei Schaltkreisen für automatische Beleuchtungssteuerungen – man will es nicht jedes Mal klicken hören, wenn das Licht an- oder ausgeht. Der geräuschlose Mechanismus des flachen 16-A-Relais »G5RL-LN« verringert das Schaltgeräusch um mehr als 10 dB, wodurch es selbst in einem stillen Büro nahezu unhörbar sein soll.

Über den Autor:

Fabrizio Petris ist Global Application Oriented Team Manager für den Bereich Gebäudeautomatisierung und Sicherheit bei Omron Electronic Components Europe.