Dank moderner Technologien müssen Heizung und Klimaanlagen weniger oder gar nicht mehr arbeiten, wenn Fenster und Türen geöffnet sind. Dies verringert die Energiekosten und den CO2-Ausstoß in vielen Fällen um mehr als 20 Prozent.
Für diese Einrichtung im Gebäude mussten bislang normalerweise Löcher in Fensterrahmen oder Türzargen gebohrt und die Sensoren über meterlange Kabel im Gebäude miteinander verbunden werden, was ein beträchtlicher Zeit- und Materialaufwand war. Dazu kamen noch unangenehme Begleiterscheinungen wie Staub oder Schmutz – besonders bei Renovierungsmaßnahmen.
Die Antwort auf diese beschriebenen Probleme waren leistungsfähige, elektronische drahtlose Systeme mit geringem Stromverbrauch, denn diese lassen sich leicht und schnell montieren und kommen ohne das Bohren von Löchern in Wänden oder Fensterrahmen aus. Die Systeme sind aber meist batteriebetrieben, mit der Folge, dass nach einer bestimmten Zeit die Energiequelle ausfällt. Dann müssen die Batterien entfernt und ausgetauscht sowie als Sondermüll entsorgt werden.
Die beste Lösung wäre deshalb, ganz ohne Kabel und Batterien auszukommen und stattdessen diese Energiequellen selbst zu generieren.
Energie-Erntemaschinen verzichten auf Batterien
Die mechanischen Mini-Energiesensoren und -schalter, sogenannten Energy Harvestern (wörtlich übersetzt Energie-Erntemaschinen), arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip wie Fahrraddynamos: Durch Betätigung des Tür- oder Fenstergriffs, Einführen eines Kartenschlüssels in einen Schlitz oder Drücken eines Schalters wird ein ca. 1,5 mm großer Magnet in einer Spule gedreht. Dabei wird eine winzige Menge elektrischer Energie erzeugt. Diese Energie versorgt ein Ultra Low Power-Funkmodul (Niedrig-Energie-Funkmodul), welches dann Signale an einen Empfänger sendet – und das bei einer Lebensdauer von über 30 Jahren. Pro Bewegung wird genug Energie für das drahtlose Modul erzeugt, um 3 bis 5 Funksignale über eine Reichweite von 300 m in freiem Gelände oder über eine Entfernung von 10 bis 30 m in einem Gebäude zu senden.
Daneben gibt es Solare Mini-Harvester, deren Aufladung bereits auch bei minimalen Lichtverhältnissen möglich ist. Diese stellen dann auch bei vollständiger Dunkelheit genug Energie für eine Betriebsdauer von 3 bis 7 Tagen sicher. Die Module senden in regelmäßigen Abständen Signale zur Bestätigung des Sensorstatus und Bestätigung der Systemfunktion – auch sofort bei der Betätigung. Die Lebensdauer der Module ist auf mehrere Jahrzehnte ausgelegt.
Eine weitere Energy Harvesting Methode ist das Wärmeenergie-Harvesting. Diese liefert genug Energie für Funksignale bei Temperaturen um 2° Kelvin. Hier gibt es schon erste praktische Anwendungsbereiche in Gebäuden – vor allem die Verwendung von Energie aus Warmwasserleitungen und Heizsystemen.
Umsetzung und Beispiele aus der Praxis
Wartungsfreie drahtlose Energie-Harvester-Sensoren bieten flexible und energieeffiziente Alternativen im Bereich der Heim- und Gebäude-automatisierung. Bis heute wurde diese in über 100000 Gebäuden weltweit erfolgreich installiert. Das Funkprotokoll von EnOcean ist ein internationaler Standard und wird inzwischen von über 150 Firmen mit 350 interoperablen Endprodukten unterstützt.
Beim Einsatz in Wohngebäuden wird der Status von Fenstern und Türen durch die Übermittlung von Daten an eine Zentrale im Gebäude über-wacht. So kann sich der Bewohner beim Verlassen des Gebäudes über den Status (über Handy oder Internet) informieren.
Öffentliche Gebäude, bei denen Nutzer nicht direkt für die verbrauchte Energie aufkommen müssen, nutzen diese Technologie als eine Möglichkeit der Energieeinsparung mit geringem Kapitaleinsatz und schnellem Ertrag. In Studentenwohnheimen, Krankenhäusern, Hotels, Schulen und Regierungsgebäuden konnte beispielsweise durch einfaches Abschalten oder Herunterdrehen der Heizung wenn das Fenster offenstand, eine Energieeinsparung zwischen 20 und 40 % erreicht werden. Zudem wurde der CO2-Ausstoß gesenkt, sodass sich die Installation bereits in einem Zeitraum von nur 1 bis 2 Jahren bezahlt gemacht hat. Durch den Einsatz der batterielosen Funktechnologie in Hochhäusern, sparte man zudem über 30 km Leitungen pro Gebäude, und hatte kürzere Bau- und Nachbearbeitungszeiten.
Wartungsfreie, drahtlose und batterielose Sensoren, basierend auf den modernen Verfahren des „Energie-Harvesting“ werden zum neuen Standard in vielen Bereichen der Überwachung von Heim- und Gebäudesystemen und -steuerungen einschließlich der Statusüberwachung von Fenstern und Türen. Die Montage oder der Austausch von Fenstern und Türen ist jetzt ohne großen Zeit- und Kostenaufwand möglich – und ohne unangenehme Begleiterscheinungen wie Schmutz und Staub.
Ohne große Investitionen oder Unterbrechungen des normalen Betriebs bzw. der Wohnqualität tragen diese Systeme jetzt dazu bei, Rohstoffe, Zeit, Kosten und Energie zu sparen sowie den CO2-Ausstoß zu reduzieren.—
Wer oder was ist EnOcean
Es war eine geniale Idee, die Forscher des Siemens-Konzern Ende der 1990er-Jahre austüftelten: einen Funkschalter, der ohne fremde Energie auskommt. Er erzeugt den Strom selbst, den er benötigt, um die Schaltsignale an eine Lampe zu übertragen. Die freigesetzte Energie, die durch den Druck auf die Schaltfläche freigesetzt wird, reicht aus, um per Funk eine Nachricht an den Empfänger in der Lampenfassung zu senden und die Glühbirne erstrahlen zu lassen. Der wesentliche Vorteil der Innovation: Es müssen keine Kabel mehr verlegt werden. Vor allem bei der Modernisierung von Gebäuden ist das eine Riesenerleichterung.
Als Markus Brehler und seine vier Partner – alle ehemalige Siemens-Manager – vor acht Jahren die Firma EnOcean gründeten, wollten sie verhindern, dass diese Idee in der Schublade der ungenutzten Innovationen verschwindet, nachdem Siemens das Geschäft mit elektronischen Komponenten aufgegeben hatte.
Hautau macht mit bei EnOcean
Dass auch aktuelle Entwicklungen im Bereich der Mikroelektronik schnell umgesetzt und genutzt werden können, will Hautau mit seiner Produktlinie EnOcean dokumentieren. Die EnOcean-Verschlusskontrolle beispielsweise wird direkt am Fenster positioniert und ermöglicht so eine unmittelbare Überwachung der Fenster.
Ein integrierter Funkkontakt signalisiert der Lüftungssteuerung und/oder der aufgeschalteten Gebäudeleittechnik, ob das Fenster geschlossen oder geöffnet ist. Bei entsprechender Programmierung der Steuereinheit lässt sich so beispielsweise die Heizung bei geöffnetem Fenster automatisch abschalten und garantiert somit einen sorgsamen Umgang mit teurer Heizenergie.
Besondere Bedeutung gewinnt die EnOcean-Verschlusskontrolle für den praktischen Einsatz: Sie arbeitet über eine integrierte Solartechnik energieautark und lässt sich somit problemlos auch in Bestandsbauten ohne großen Aufwand nachrüsten.
Der Autor
Der Physiker Graham Martin verfügt über 25 Jahre Erfahrung in der Elektronikindustrie – im Bereich Analog- und RF-Lösungen. Auf den Rosenheimer Fenstertagen 2009 hat er im Themenblock Forschung und Zukunft über dieses Thema referiert.
Der Sensor reagiert auf offene Fenster und schaltet automatisch die Heizung ab. In öffentlichen Gebäuden erreichte man mit drahtlose Energie-Harvester-Sensoren Energieeinsparungen zwischen 20 und 40 %.
Auch bei dem Betrieb von Dunstabzugshauben kann es wichtig sein, ein Signal für das geöffnete Fenster zu erhalten.
