Wohlbefinden und Energieeffizienz sind kein Widerspruch

Wohlbefinden ist ein Zustand, der Auswirkung auf unsere Gesundheit hat und von vielen Faktoren abhängt. Das Gefühl von Abgeschlagenheit, Kopfschmerzen oder Konzentrationsschwäche wird oft im Zusammenhang mit Übermüdung gebracht. Die Ursache dafür kann aber auch in der Luftqualität liegen. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei der CO2-Gehalt der Raumluft. Die einfachste Methode für eine CO2-Regelung, die während der Corona-Pandemie aus Gründen wie Fachpersonalmangel und Lösungskomplexität sehr populär geworden ist, ist das Aufstellen einer CO2-Ampel: Bei einer gelben oder roten Anzeige war es Zeit zu lüften. Tausende von Klassenzimmern und Büros heizten auf diese Weise die Umgebung unnötig auf, zugleich warteten die Frierenden auf das grüne Licht der Ampel. Irgendwann wurde das Fenster dann geschlossen und der Raum wurde wieder wärmer. Dann begann dieser nachteilige „manuelle Regelkreis“ erneut.

Die Zusammenhänge zwischen Außen- und Innentemperatur, der Zunahme der CO2-Konzentration und der Zeit, wie lange das Fenster offenbleibt, sind keine konstanten Größen und von einem Menschen, dessen Hauptaufgabe es ist, den Unterricht oder das Meeting zu leiten, nicht zu bewältigen. Zudem soll hierbei auch die Energieeffizienz nicht zu kurz kommen – insgesamt eine komplexe Angelegenheit. Deshalb übernimmt diese Regelungen die Gebäudeautomation. Die Algorithmen für die Steuerung werden von Spezialisten programmiert und im Feld in Betrieb genommen.

Vor allem für Temperatur, Feuchte oder CO2-Regelungen ist das altbekannte Verfahren mit PID-Reglern auch in der heutigen digitalen Automation immer noch weit verbreitet. Moderne Regelungen enthalten digitale Regler mit einer hohen Genauigkeit und Präzision. Digitale Regelkreise werden üblicherweise mit teuren Controllern realisiert, was ein hohes Wissen bei der Programmierung voraussetzt. Das Fachpersonal für die Projektplanung, Installation und Inbetriebnahme ist in der heutigen Zeit aber nur schwer zu finden. Außerdem ist es oft nicht wirtschaftlich, digitale Regelungen für Steuerungslösungen einzusetzen.

Kompaktes Modbus-RTU-Modul mit PID-Reglern

Für kleinere Objekte oder bei Nachrüstungen von Lüftungsregelungen verfügt Metz Connect über smartere Lösungen, darunter das analoge IO-Gerät „MR-AIO4/2-IP65 Modbus RTU“, in dem zwei PID-Einstellregler bereits im Modul integriert sind. Das dezentrale Modul hat vier einzeln konfigurierbare Widerstands- oder Spannungseingänge und zwei analoge Ausgänge (alle Eingänge und Ausgänge für 0 V bis 10 V). Die Eingänge dienen zur Erfassung von Widerständen und Spannungen, zum Beispiel von passiven und aktiven Temperaturfühlern, elektrischen Lüftungs und Mischklappen oder Ventilstellungen. Die Ausgänge dienen als Stellgrößengeber.

Über einen Modbus-TCP-Master können alle Ein- und Ausgänge über Registereinträge individuell konfiguriert werden. Eine vordefinierte und im Gerät gespeicherte Liste gängiger Temperatursensoren erleichtert diese Prozedur. Bei Verwendung des Modbus-Gateways MR-GW von Metz Connect kann die Konfigurierung ganz einfach über den integrierten Web-Server vorgenommen werden.

Die richtige Wahl eines Reglers hängt von der geforderten Regelgenauigkeit und dem Zeitverhalten ab. Alle von außen wirkenden Störgrößen müssen beachtet und kompensiert werden. Der PID–Regler ist der am häufigsten eingesetzte Standardregler, der unter anderem für Raumregelung verwendet wird. Ein PID-Regler setzt sich aus einem P-Glied, einem I-Glied und einem D-Glied zusammen. Das bedeutet, dass die Stellgröße aus den Proportional-, Integral- und Differenzial-Anteilen der Regeldifferenz gebildet wird.

Das I-Glied wird als Integral, in der Fachsprache als Nachstellzeit, bezeichnet und bestimmt den Einfluss des I-Anteiles. Das D-Glied wird als Differential, in der Fachsprache als Vorhaltezeit, bezeichnet und bestimmt den Einfluss des D-Anteiles. Das P-Glied wiederum ist entscheidend, um bei einer Regelabweichung schnell zu reagieren. Der differenzialwirkende Anteil bewertet außerdem noch die Regelabweichung und berechnet deren Änderungsgeschwindigkeit, sodass der PID-Regler schon bei Ankündigungen von Veränderungen reagieren kann. Vereinfacht ausgedrückt regelt ein PID-Regler kontinuierlich den Ausgangswert – und zwar vorausschauend in die Zukunft und unter Berücksichtigung der Vergangenheit. Solche Regler sind sehr beliebt, da sie viele Vorteile kombinieren, zum Beispiel eine schnelle Reaktion und eine exakte Ausregelung.

Generell werden in kleineren Projekten die Regelkreise ohne Verwendung eines mathematischen Modells empirisch dimensioniert und später im Feld die Einstellungen durch einfaches Ausprobieren angepasst. Die Parameter für den Regler können einfach nach praktischen Erfahrungswerten vorgewählt und später im Feld nach ersten Tests variiert werden. Somit ist diese Methode vor allem für die Dimensionierung einfacher Systeme gut geeignet.

Das IO-Modul MR-AIO4/2 kann mit beliebigen Steuerungen kombiniert werden. Die Einstellungen der PID-Regler im Modul erfolgen über Modbus-Register. Diese sind detailliert im Modbus-Handbuch beschreiben. Bei Verwendung des Modbus-Gateways MR-GW von Metz Connect lassen sich die Einstellungen aber schneller und bequemer über die grafische Oberfläche des integrierten WebServers vornehmen. Zugleich können anhand der WebOberfläche die Änderungen aller Ein und Ausgangsgrößen unmittelbar beobachtet werden. Um ein einfaches funktionierendes Regelsystem zu bauen, werden für das MR-AIO4/2 lediglich ein regelbarer Lüfter (0 V bis 10 V) und entsprechende Sensoren benötigt.