Die Wetterstation als intelligenter Universalsensor

Wettereinflüsse zu erfassen und in sinnvolle Steuerungsbefehle zu übersetzen, war bei den ersten Anwendungen ein Schwachpunkt der Gebäudeautomation. So wurden Jalousien von Windböen zerstört oder blieben trotz Windstille bei strahlender Sonne eingefahren. Auch die unterschiedliche Besonnung im Erdgeschoss und den oberen Etagen überforderte die ersten Steuerungen. Neuere Wetterstationen bewältigen diese Anforderungen mühelos.

Wetterstationen sind – richtig eingesetzt – eine wichtige Komponente für eine wirtschaftliche und komfortable Gebäudeautomation.

Foto: Theben

Gebäudeautomatisierung ist wie viele Innovationen immer noch ein zwiespältiges Thema. Vergleichbar der E-Mobilität oder der dezentralen Energiegewinnung bietet sie kaum absehbare Möglichkeiten. In der Praxis schrecken Negativbeispiele allerdings viele Planer und Installateure ab: So wird in einem Büro ohne direkte Sonneneinstrahlung die Jalousie heruntergefahren und gleichzeitig die Beleuchtung angeschaltet. Geradezu geschäftsschädigend wird es, wenn Jalousien trotz Starkwinds nicht in eine sichere Position gebracht werden. Häufig entscheiden sich Investoren dann für sehr einfache, robuste Lösungen und verzichten auf Einsparpotenziale und Komfortgewinn. Die Hersteller haben inzwischen jedoch Erfahrungen gesammelt. Das Resultat sind zuverlässige Wetterstationen, die in Kombination mit den passenden Softwaretools für eine wirtschaftliche und komfortable Automatisierung sorgen. Im Folgenden werden einige klassische Probleme beschrieben und die Lösungen aufgezeigt. So lassen sich Erkenntnisse, die beispielsweise durch BIM (Building Information Modeling) schon bei der Planung gewonnen werden, auch tatsächlich umsetzen.

Ein Haus mit drei Südfassaden

Eine typische Quelle für Fehlfunktion ist die Beschattung. Die ersten professionellen Wetterstationen verfügten entsprechend dem Sonnenverlauf in der Regel über drei Sensoren für die Himmelsrichtungen Süden, Osten und Westen. Dahinter stand die Annahme, dass über eine einzelne Fassade hinweg alle dahinter liegenden Räumen gleichmäßig von der Sonne beleuchtet werden. Dies stimmt aber nur für völlig freistehende Gebäude mit wenigen Stockwerken. Schon bei höheren Gebäuden unterscheiden sich die Lichtverhältnisse zwischen dem Erdgeschoss und dem obersten Stock erheblich. In der Praxis werden die unteren Stockwerke oft durch die benachbarte Bebauung beschattet. Die Folge ist dann, dass die Beschattung in den oberen Stockwerken funktioniert; in den unteren Etagen werden die Jalousien trotz des nur mäßigen Tageslichteinfalls ebenfalls aktiviert. Gleichzeitig wird dort die künstliche Beleuchtung eingeschaltet, da die Räume nun zu dunkel sind. In der Konsequenz wurde dann die Automatik von den frustrierten Betreibern außer Betrieb genommen. Dabei kann man diesen Lichtverhältnissen ganz leicht gerecht werden, wenn man eine Fassade in unterschiedliche, frei wählbare Abschnitte unterteilen kann. Am Markt sind dafür verschiedene Lösungen erhältlich. Manche Wetterstationen erlauben es, bis zu acht Fassaden anzulegen und mit unterschiedlichen Programmen für die Beschattung zu versehen. Zusätzlich lässt sich zu jeder Fassade noch ein sogenannter Sonnenschutzbereich definieren (Bild 1).

Bild 1: Der Sonnenschutzbereich ist der Abschnitt des Sonnenlaufes vor der Fassade, in dem eine Beschattung erwünscht ist. Er deckt einen Winkel von maximal 180 ° ab. Grafik: Theben

Diese Funktion trägt dem Umstand Rechnung, dass ein Gebäude meist nicht von allen Seiten gleichmäßig durch Nachbargebäude beschattet wird. Oft benötigt ein Teil der Fassade nur morgens oder am Nachmittag einen Sonnenschutz. Hierfür lässt sich in der Steuerung für jede einzelne Fassade festlegen, bei welchem Sonnenstand im Tagesverlauf die Beschattung aktiviert werden soll (Bild 2). Bereiche, die durch Nachbargebäude ohnehin im Schatten liegen, werden nicht einbezogen. Mit dieser Kombination aus frei definierten Fassaden und winkelabhängigen Sonnenschutzbereichen erzielt man in jedem Raum den maximalen Ertrag an Tageslicht ohne Blendwirkung.

Bild 2: In diesem Beispiel soll der Sonnenschutzbereich 110 ° umfassen, wobei 40 ° die linke und 70 ° die rechte Zone belegen. Grafik: Theben

Pünktliche Beschattung: Jalousien richtig steuern

Die zuvor beschriebene Erfassung der Sonneneinstrahlung ist nur dann von Nutzen, wenn die Steuerung den spezifischen Aufbau des Sonnenschutzes berücksichtigt. Bei einfacheren Beschattungen, wie sie überwiegend im Wohnbereich zu finden sind, wird bei Sonneneinfall eine Jalousie zunächst ganz nach unten gefahren und anschließend die Lamellen auf einen vorher festgelegten Winkel gestellt. Zur Steuerung genügt ein Helligkeitssensor und gegebenenfalls noch die Uhrzeit und die Windgeschwindigkeit, um bei Sturm die Jalousien zu schützen. Derartige Automatisierungslösungen sollen vor allem ein übermäßiges Aufheizen der Räume bei Abwesenheit der Bewohner vermeiden. Für diese Zwecke ist dies völlig ausreichend. Anders bei Gewerbeobjekten, wie Bürogebäuden. Hier möchte man möglichst viel Tageslicht ohne störende Blendwirkung gewinnen. Dazu muss der Lamellenwinkel einer Jalousie kontinuierlich angepasst werden. Für diese sogenannte Sonnenstandsnachführung sind genaue Daten über die Ausrichtung der Fassade, den Sonnenstand und die Geometrie einer Jalousie erforderlich. Die Details zur Sonnenstandnachführung sind im Kastentext beschrieben. Zudem verfügen einige am Markt erhältliche Geräte über ein Bauteil, das man in einer Wetterstation zunächst nicht vermutet: Ein GPS-Modul. Es dient allerdings nicht in erster Linie zur Positions- sondern zur Zeitbestimmung. Bei vielen Anlagen ist eine Systemuhr ohnehin vorhanden, etwa in Form eines Visualisierungsservers mit Internetanschluss. Die ständige Internetverbindung ist jedoch nicht immer gegeben oder gewünscht. Eine autarke Alternative sind DCF77-Funkuhren, die theoretisch in ganz Europa Empfang haben. Jedoch können der geografische Standort, etwa südlich der Alpen, oder ein ungünstiger Einbauort den Empfang stören. Da Wetterstationen naturgemäß immer im Freien positioniert sind, ist via GPS ein störungsfreier Empfang praktisch garantiert. Außerdem liefert das Modul automatisch den genauen Standort, was die Inbetriebnahme vereinfacht. Einfachere Versionen erlauben die Sonnenstandsnachführung auch ohne GPS. Hierfür muss der Standort einmalig manuell eingegeben werden und eine Systemuhr zur Verfügung stehen. Dies ist übrigens auch bei Geräten mit GPS-Modul möglich, wenn dessen Daten im Ausnahmefall nicht genutzt werden sollen.

Lamellennachführung – hohe Schule der Beschattung

Tageslicht steigert das Wohlbefinden und die Konzentrationsfähigkeit, denn das menschliche Auge ist an dessen Farbspektrum angepasst. Und das Beste: Tageslicht gibt es gratis – nur manchmal zu viel davon. Wenn die Sonne direkt auf den Monitor scheint, blendet oder an Sommertagen auch noch den Raum aufheizt, ist eine Beschattung unumgänglich. Besonders gut geht das mit Jalousien. Deren Lamellen lassen sich nicht nur auf- und abfahren, sondern auch um eine horizontale Achse drehen. Richtig eingestellt lassen sie ein Maximum an Tageslicht in den Raum, verhindern aber eine direkte Blendung und ein Aufheizen des Raumes. Das sorgt für eine angenehme Atmosphäre und spart Energie für künstliche Beleuchtung und Kühlung. Im Winter kann man sogar den umgekehrten Effekt nutzen und, wenn der Raum unbesetzt ist, die volle Sonneneinstrahlung zulassen und so die Heizung unterstützen – natürlich ebenfalls kostenlos. Allerdings ändert sich die Position der Sonne ständig sowohl mit der Tages- und Jahreszeit. Auf der Website www.sonnenverlauf.de ist eine Visualisierung abrufbar.

Die genaue Einfallsrichtung des Sonnenlichts ergibt sich aus der Elevation, das heißt der Höhe der Sonne über dem Horizont und dem Azimut, einer Winkelangabe der Himmelsrichtung, aus der die Sonne scheint. Beide Werte sind fest mit der Uhrzeit und dem Datum an einem bestimmten Ort verknüpft

Elevation und Azimut beschreiben die Richtung der Sonneneinstrahlung. Grafik: Theben

Anders gesagt: Kennt man von einem Gebäude den Standort, die Ausrichtung, Datum und Ortszeit, berechnet die Wetterstation für jeden beliebigen Zeitpunkt, aus welcher Richtung die Sonne auf die Fassade trifft. Dann kann sie die Jalousien so steuern, dass ein Maximum an Sonnenlicht ohne störende Blendeffekte in das Gebäude gelangt. Alle nötigen Informationen sind leicht zu beschaffen. Wie im Haupttext beschrieben, sind Meteodata-Wetterstationen mit einem GPS-Modul erhältlich, das sowohl den genauen Standort als auch die Ortszeit zur Verfügung stellt. Außerdem erfasst die Station die Wetterlage: Ist der Himmel wolkenlos, eingetrübt oder gibt es Dauerregen? Ist möglicherweise die Windgeschwindigkeit so hoch, dass die Außenjalousien hochge- fahren werden müssen? All diese Daten erfasst die Wetterstation nicht nur, sondern übernimmt auch die Verarbeitung.

Neben den Messwerten benötigt die Steuerung noch einige Parameter, die der Anwender einmalig eingeben muss. Die Fassadenausrichtung, das heißt Himmelsrichtung und Abschattung durch benachbarte Gebäude, wurde im Hauptartikel bereits erläutert. Wichtig sind natürlich auch die spezifischen Eigenschaften der Jalousie. Neben den Lauf- und Wendezeiten der Behänge gehören dazu Breite und Abstand der Lamellen

Mit diesen Daten lassen sich die Jalousien aufs Grad genau steuern. Manchmal ist im Rahmen der Inbetriebnahme noch ein einmaliges Feintuning erforderlich. Der Aufwand ist jedoch gering, da bei großen Fassaden in der Regel nur ein Jalousietyp verwendet wird. Einmal an einer Jalousie ausgetestet, kann man die Daten für alle Jalousien des gleichen Typs übernehmen. Wenn gewünscht, kann der Anwender eine Reserve für sicheres Beschatten eingeben. Alternativ zu dieser automatischen Berechnung können auch feste Lamellenpositionen für verschiedene Sonnenstände eingestellt werden.

Sensorik bei Regen

Neben der Sonne ist Regen ein Wetterphänomen, auf das die Gebäudeautomation reagieren muss. Aber wann soll ein Regensensor anschlagen? Bei einem leichten Niesel oder erst bei Dauerregen? Das kommt ganz darauf an, was er schützen soll. Der Sensor unterscheidet zunächst nicht, woher die Feuchtigkeit kommt. Bei sensitiver Einstellung registriert er selbst den morgendlichen Tau. Sollen textile Behänge geschützt werden, ist diese Meldung sinnvoll. So werden diese erst ausgefahren, wenn die Luftfeuchtigkeit gering genug ist. Der Regensensor verfügt über eine Beheizung, welche bei Registrierung von Feuchtigkeit automatisch aktiviert wird. Dadurch erfasst er das Ende eines Schauers relativ rasch. Trotzdem wird auch ein leichter Regen zuverlässig erkannt. Bei Unterschreiten einer Außentemperatur von 5 °C, wird die Beheizung modulierend zugeschaltet und verhindert somit Störungen des Regensensors durch Frost.

Datenvorverarbeitung in der Wetterstation

Meteodata Wetterstationen von Theben bieten neben den üblichen Universalkanälen (Wind, Temperatur, Helligkeit …) und Sonnenschutzkanälen auch Logikkanäle (Und, Oder, XOR). Damit lassen sich einfache Algorithmen sowohl mit allen internen als auch externen Bedingungen erstellen. In Verbindung mit den Jalousieaktoren von Theben ist es beispielsweise möglich, die Beschattung eines Raumes nur dann automatisch zu aktivieren, wenn die Außentemperatur mehr als 15 °C beträgt und der Raum besetzt ist. Solange der Raum unbesetzt ist und die Sonne niemanden stört, lässt sich der Solarertrag zur Erwärmung des Raumes nutzen. Umgekehrt kann man im Hochsommer ein nicht genutztes Besprechungszimmer stärker abdunkeln, um es möglichst kühl zu halten. Auch eine Kombination mit beliebigen anderen Werten, etwa der Beleuchtung, ist möglich. Richtig angewandt machen solche Funktionen die Programmierung einfacher und übersichtlicher. Zudem kommt sie dem Trend hin zur vollständig zentralisierten Steuerung entgegen. Die dezentrale Intelligenz ist die ursprüngliche Idee hinter KNX. Manchmal ist es aber kostengünstiger eine leistungsschwache Peripherie mit einer zentralen Steuerung wie Visualisierungs- oder Facility-Server zu nutzen. Fällt so eine Steuerung oder das Datennetz aus, sind wesentliche Funktionen nicht mehr verfügbar. Die Vorverarbeitung in der Wetterstation ist ein guter Kompromiss, der die Anlagenverfügbarkeit erhöht.

Das könnte Sie auch interessieren:

ISH digital startet Ende März

Smart Home: Intelligente Technik auf dem Vormarsch

Wechselrichter speist direkt ins Mittelspannungsnetz

Smart Home nährt Hoffnung auf eine bessere Energiebilanz