Umweltfreundliche Gebäudeautomation Boost für grüne Gebäude

Moderne Technologien wie das Internet der Dinge und Energy Harvesting spielen bei einer umfeltfreundlichen Energiegewinnung eine zunehmend zentrale Rolle. Aber die Implementierung von innovativen Systemen ist noch allzu oft umständlich und kostspielig.

Das Energy Harvesting wurde in einigen Märkten bereits sehr erfolgreich eingesetzt; zum Beispiel in der Verkehrsinfrastruktur, in drahtlosen Medizingeräten, in der Reifendruckkontrolle oder in der Gebäudeautomation. Insbesondere bei der Gebäudeautomation haben Produkte wie Präsenzsensoren, Thermostate und sogar Lichtschalter die normalerweise mit ihrer Installation verbundene Leistungs- oder Steuerungsverdrahtung eliminiert und die lokalisierte Energiegewinnung als Energiequelle der Wahl implementiert.

Damit ist es leichter, intelligente Geschäfts- und Wohngebäude zu bauen, die Energie sparen. Sie sind eine notwendige Voraussetzung, um zu gewährleisten, dass energieeffiziente Strukturen traditionelle Energiequellen auf Basis von fossilen Brennstoffen nicht weiterhin stark in Anspruch nehmen. Im Falle von Geschäftsgebäuden kann es für darin untergebrachte Unternehmen von entscheidender Bedeutung sein, sie intelligent zu machen. Denn ein energieeffizientes und optimiertes Gebäude hilft, die Energiekosten zu senken und eine produktive Umgebung für die darin arbeitenden Mitarbeiter zu schaffen.

Allerdings ist die Umsetzung nicht ohne Nachteile. Zum Beispiel benötigen intelligente Gebäude eine Infrastruktur, die die notwendigen Rückmeldungen liefert, um den effizienten Betrieb von Heiz- und Kühlsystemen, die Lichtsteuerung und die effiziente Raumnutzung zu ermöglichen. Das erfordert einerseits die Nutzung des Internets der Dinge (IoT) als Methodik zum Überwachen und zur Kontrolle der Umgebung und erhöht andererseits die Abhängigkeit von alternativen Energiequellen, um sie effektiv zu verwalten und zu kontrollieren.

IoT-Trends für intelligente Gebäude

Intelligente Gebäude werden die Art und Weise, wie Menschen ihren Alltag bestreiten, kontinuierlich verändern. Darüber hinaus werden intelligente Gebäude neben der Energieeinsparung auch dazu beitragen, Geld zu sparen. Manche IoT-Smart-Building-Trends nehmen bereits Gestalt an, wie Predictive Maintenance, wobei mithilfe von Sensoren und anderer Hardware ein Bericht über den Zustand eines Geschäftsgebäudes und aller darin befindlichen Geräte erstellt wird. Derartige Rückmeldungen werden es ermöglichen, den Zeitpunkt jeder notwendigen Wartung, sobald sie erforderlich ist, rechtzeitig und effektiv zu bestimmen. Auch unvorhergesehene Probleme, die in der Regel mit einem vorbeugenden Wartungsplan auftreten, lassen sich dadurch lösen.

Darüber hinaus kann die Luftqualität die Produktivität der Mitarbeiter beeinträchtigen. Industrieforschung in diesem Bereich hat gezeigt, dass Arbeiter zehn Prozent effizienter arbeiten, wenn sie statt in herkömmlichen Gebäuden in Gebäuden mit guter Innenluftqualität arbeiten. Auch hier lassen sich mit IoT-Geräten die Luftqualität sowie der Kohlendioxidgehalt in der Luft mithilfe verschiedener Sensoren als Teil eines Mesh-Netzwerks messen und überprüfen. Die Geräte sind mit allen Bereichen der Gebäudeinfrastruktur verbunden und ermöglichen so, die Umwelt und alle Beteiligten gesund beziehungsweise produktiv zu halten.

IoT wird die Art und Weise verändern, wie kommerzielle Facility Manager Informationen verfolgen, messen und Daten sammeln können – auch in schwer oder nicht zugänglichen Bereichen. Durch die Installation von Sensoren in verschiedenen Gebäudeteilen lassen sich alle Informationen verfolgen, auf die Anwender bisher nie Zugriff hatten.

Außerdem wird es das IoT kommerziellen Eigentümern ermöglichen, Gebäude zu haben, die energieeffizient sind. Das beeinflusst das Design der Gebäude; sie können umweltfreundlich und ressourceneffizient gestaltet werden. Noch dazu sind intelligente Gebäudemanagementsysteme von überall aus fernsteuerbar.

Eine der wichtigsten Auswirkungen des IoT auf Gebäude ist schließlich die Energieeffizienz. Sensornetzwerke helfen den Verantwortlichen, Informationen bereitzustellen, um Vermögenswerte effektiver zu steuern und gleichzeitig schädliche Abfälle in der Umwelt zu verringern. Beispiele sind:

  • Verwendung von Sensoren zur Temperaturregelung
  • Verwendung von Betätigern für HVAC-Steuerungen
  • komplexe Anwendungen wie die vollständige Energieautomation für ein Gebäude
  • Berücksichtigung von Wettervorhersagen, um Energiekosten in Echtzeit zu sparen

Energy Harvesting für Gebäude

Eine Schlüsselanwendung für Energiegewinnungssysteme sind Funksensoren in Systemen der Gebäudeautomation. In den Vereinigten Staaten sind Gebäude die Nummer eins unter den Nutzern der Energieerzeugung, dicht gefolgt von den Segmenten Verkehr und Industrie. Ein drahtloses Netzwerk, das eine Energiegewinnungstechnik nutzt, kann beliebig viele Sensoren in einem Gebäude miteinander verbinden, um die HVAC- und Elektrizitätskosten zu senken, indem es die Temperatur anpasst oder das Licht in nicht relevanten Bereichen ausschaltet, wenn das Gebäude oder Innenräume leer sind.

Darüber hinaus sind die Kosten für die zur Energiegewinnung erforderliche Elektronik oft niedriger als die Kosten für Versorgungsleitungen oder für routinemäßige Wartung, die zum Ersetzen von Batterien notwendig ist, sodass die Einführung einer Energiegewinnungstechnik zweifellos einen wirtschaftlichen Gewinn bringt. Allerdings schwinden viele der Vorteile eines drahtlosen Sensornetzwerks, wenn jeder Knoten eine eigene externe Stromquelle benötigt. Auch wenn die laufenden Energiemanagement-Entwicklungen es ermöglicht haben, dass elektronische Schaltungen mit einer bestimmten Stromversorgung, wie einer Batterie, länger arbeiten, hat dies Grenzen und die Energiegewinnung bietet einen ergänzenden Ansatz.

Somit ist Energiegewinnung ein Mittel zur Versorgung von drahtlosen Sensorknoten, indem lokale Umgebungsenergie in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird. Umgebungsenergiequellen sind zum Beispiel Licht, Wärmedifferenzen, mechanische Schwingung, übertragene HF-Signale oder jede andere Quelle, die über einen Wandler elektrische Ladung erzeugen kann. Diese sogenannten »freien« Energiequellen können mit einem geeigneten Wandler in elektrische Energie umgewandelt werden.

Zum Beispiel mit einem thermoelektrischen Generator (TEG) für Temperaturdifferenzen, einem piezoelektrischen Element für Vibration, einer Photovoltaikzelle für Sonnenlicht – oder Innenbeleuchtung – und sogar galvanische Energie aus Feuchtigkeit. Dadurch können die Energiequellen zur autonomen Versorgung von elektronischen Komponenten und Systemen genutzt werden.

Weil sämtliche drahtlose Sensorknoten heute mit durchschnittlichen Leistungen im Mikrowattbereich arbeiten können, ist es möglich, sie mit Energie aus nicht traditionellen Quellen zu betreiben – besonders wichtig ist das für Systeme, in denen die Verwendung von Batterien ungünstig, unpraktisch, teuer oder gefährlich ist. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass Kabel zur Übertragung von Energie oder Daten überflüssig werden.

Eine typische Energiegewinnungskonfiguration oder ein drahtloser Sensorknoten (WSN) besteht aus vier Blöcken (Bild 1):

  • Umgebungsenergiequellen.
  • Ein Wandler-Element und eine Leistungsumwandlungsschaltung zur Versorgung der nachgeschalteten Elektronik.
  • Eine Sensorkomponente, die den Knoten mit der physikalischen Welt verbindet, und eine Rechenkomponente, die aus einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller besteht, der Messdaten verarbeitet und in einem Speicher ablegt.
  • Eine Kommunikationskomponente, bestehend aus einem Kurzstreckenfunk zur drahtlosen Kommunikation mit benachbarten Knoten und der Außenwelt.

Beispiele für Umgebungsenergiequellen sind Thermosäulen (TEGs), die an einer wärmeerzeugenden Quelle wie HVAC- Kanälen (Heating, Ventilation, Air Conditioning) befestigt sind, oder ein piezoelektrischer Wandler, der an einer vibrierenden mechanischen Quelle wie einer Fensterscheibe befestigt ist. Im Falle einer Wärmequelle kann ein kompaktes thermoelektrisches Gerät kleine Temperaturunterschiede in elektrische Energie umwandeln. Bei mechanischen Vibrationen oder Dehnungen kann eine piezoelektrische Komponente verwendet werden, um diese in elektrische Energie umzuwandeln.

Nachdem die elektrische Energie erzeugt ist, kann sie mit einer Energiegewinnungsschaltung umgewandelt und in eine geeignete Form für die Versorgung der nachgeschalteten Elektronik gebracht werden. So kann ein Mikroprozessor einen Sensor »aufwecken«, um eine Messung durchzuführen, die anschließend von einem A/D-Wandler verarbeitet werden kann, um sie über einen drahtlosen Sender-Empfänger mit extrem geringer Leistungsaufnahme zu übertragen.

Die aus der Energiegewinnungsquelle gewonnene Energie hängt davon ab, wie lange die Quelle in Betrieb ist. Aus diesem Grund ist die primäre Metrik für den Vergleich der Energiequellen die Leistungsdichte und nicht die Energiedichte. Energy Harvesting liefert im Allgemeinen eine niedrige, variable und unvorhersehbare elektrische Leistung, sodass häufig eine Hybridstruktur verwendet wird, die mit dem Harvester und einem sekundären Leistungsspeicher verbunden ist.

Wegen seiner unbegrenzten Energieressourcen und seines Leistungsdefizits ist der Harvester die Energiequelle des Systems. Der sekundäre Leistungsspeicher, entweder eine Batterie oder ein Kondensator, erzielt eine höhere Ausgangsleistung, kann diese aber nicht unbegrenzt zur Verfügung stellen. Er liefert bei Bedarf Energie und nimmt ansonsten regelmäßig Ladung vom Harvester auf. In Situationen, in denen keine Umgebungsenergie für die Stromgewinnung vorhanden ist, muss daher der sekundäre Leistungsspeicher für die Stromversorgung des drahtlosen Sensor-Netzwerks (WSN) verwendet werden.

Für die erfolgreiche Entwicklung eines kompletten drahtlosen Sensorsystems sind leicht verfügbare stromsparende Mikrocontroller und Wandler erforderlich, die nur wenig elektrische Energie aus Umgebungen mit niedrigem Energiegehalt aufnehmen. Bestehende Implementierungen solcher Energy-Harvester-Blöcke sind in Bild 1 dargestellt. Sie bestehen typischerweise aus leistungsschwächeren diskreten Konfigurationen mit – in der Regel – 30 oder mehr Komponenten. Solche Designs weisen einen niedrigen Wandlungswirkungsgrad auf und benötigen hohe Ruheströme. Diese Nachteile beeinträchtigen die Leistung von Endsystemen.

Da ein hoher Ruhestrom die Leistung der Energiegewinnungsquelle begrenzt, muss sie zunächst den für ihren eigenen Betrieb erforderlichen Strompegel erreichen, bevor sie überschüssige Leistung an den Ausgang abgeben kann. Hier können die Produkte von der Marke »Power by Linear« von Analog Devices ein neues Maß an Leistungsfähigkeit und Einfachheit bieten.

Ein Beispiel für Energiegewinnung

Der LTC3109 ist ein hochintegrierter DC/DC-Wandler und Powermanager. Das Bauteil kann überschüssige Energie aus Quellen mit extrem niedrigen Eingangsspannungen wie TEGs, Thermosäulen und sogar kleinen Solarzellen gewinnen und verwalten. Aufgrund seiner proprietären Auto-Polaritätstopologie kann der LTC3109 an Eingangsquellen von hinunter bis 30 mV arbeiten, unabhängig von der Polarität.

Die Schaltung in Bild 2 verwendet zwei kompakte Aufwärts-Transformatoren, um die Eingangsspannungsquelle des LTC3109 zu erhöhen, der damit eine komplette Powermanagement-Lösung für drahtlose Messung und Datenerfassung bietet. Aus kleinen Temperaturunterschieden kann die Schaltung Energie gewinnen und eigenen Systemstrom erzeugen, anstatt wie auf herkömmliche Weise Batterieenergie zu verweden. Die an der Sekundärwicklung eines Transformators erzeugte Wechselspannung wird mit einem externen Ladungspumpenkondensator und den Gleichrichtern im LTC3109 erhöht und gleichgerichtet. Die Gleichrichterschaltung speist Strom in den VAUX-Pin und lädt den externen VAUX-Kondensator und dann die anderen Ausgänge auf. Der interne 2,2-V-LDO kann einen Low- Power-Prozessor oder andere Low- Power-ICs versorgen.

Der Autor

Tony Armstrong
ist Product Marketing DirectorDirektor Produkt-Marketing für die Produktgruppe „Power by Linear“ von Analog Devices und ist für die Power Conversion- und Managementprodukte zuständig. Bevor er zu ADI kam, hatte Armstrong verschiedene Positionen in Marketing, und Vertrieb und Betrieb bei Linear Technology, Siliconix, Semtech, Fairchild Semiconductors und Intel inne. Er erwarb einen BS (Honors) in Angewandter Mathematik von der University of Manchester, England.