Energiemanagement bei Planung und Betrieb von Gebäuden

7.1 Grundlagen der Messtechnik

7.1 Grundlagen der Messtechnik
7.2 Messung elektrischer Grössen
7.3 Temperaturmessung
7.4 Durchflussmessung
7.5 Wärme/Kälte
7.6 Druckmessung
7.7 Luftgeschwindigkeit
7.8 Luftfeuchtigkeit
7.9 Luftqualität
7.10 Lichttechnische Messungen
7.11 Füllstandsmessung
7.12 Luftdichtheit, Blower-Door-Test
7.13 Infrarot-Thermografie
 

Energiemanagement ist stark auf Messresultate angewiesen, um die Energieflüsse zu kontrollieren und aktiv zu beeinflussen (siehe Kapitel «Messkonzepte»). Dieses Kapitel soll deshalb einen Überblick über die Grundlagen der Messtechnik, mögliche Messgrössen und Messgeräte und deren Einbindung in ein Mess- und Kontrollsystem geben. Messprinzipien für verschiedene relevante Grössen im Energiemanagement sollen kurz beschrieben werden.

Genauso wichtig sind Messungen für einen optimierten und sicheren Betrieb der gebäudetechnischen Anlagen und deren effizienter Überwachung. Dazu dienen heute meist Gebäudeautomationssysteme. Der Grad an Automatisierung in Gebäuden hat in den letzten Jahren kontinuierlich zugenommen. Moderne Gebäude besitzen eine Vielfalt an Automationssystemen für Heizung, Ventilation, Klimatisierung und Beleuchtung. Um den reibungslosen und ökonomischen Betrieb dieser Systeme zu gewährleisten, sind sie mit moderner und oftmals vernetzter Regelungs- und Steuerungstechnik ausgestattet. Die Vernetzung erfolgt z.B. über Feldbussysteme [1].

7.1 Grundlagen der Messtechnik

7.1.1 Definition der Anforderungen

7.1.1 Definition der Anforderungen – 7.1.2 Messabweichung, Messunsicherheit – 7.1.3 Arten von Abweichungen und Ursachen – 7.1.4 Kalibrierung, Justierung und Eichung – 7.1.5 Vernetzte Mess- und Kontrollsysteme

Was genau messen?

Bei Messgeräten kann zwischen Geräten mit reinen Anzeigeelementen und Geräten mit Sensoren unterschieden werden. Anzeigeelemente zeigen die zu messende Grösse direkt an, ohne sie in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Beispiele sind herkömmliche Quecksilber-Glasthermometer oder U-Rohr-Manometer. Sensoren wandeln die Messgrösse in ein elektrisches Signal um, welches übertragen und anschliessend ausgewertet werden kann. Die Umwandlung in ein elektrisches Signal ermöglicht eine Fernmessung, also eine Übertragung der Messwerte über grössere Entfernungen. Messungen können automatisiert und mit einer höheren Messfrequenz durchgeführt werden.

Ein Messgerät kann auch aus einer Kombination von Anzeigeelement und Sensoren bestehen. So besitzen beispielsweise viele Geräte zur Differenzdrucküberwachung neben den Sensoren, die eine Fernüberwachung ermöglichen, auch ein Anzeigeelement. Oder Messgeräte mit Sensoren besitzen eine elektronische Anzeige des Messwertes vor Ort.

In bestimmten Fällen sind auch Messanordnungen gefragt, die nicht ein kontinuierliches Signal erzeugen, sondern sich nur dann melden, wenn bestimmte Grenzwerte über- oder unterschritten werden. Temperaturwächter können beispielsweise eine Schaltung unterbrechen, wenn eine bestimmte Temperatur überschritten wird. Auch bei Drucksystemen gibt es Messanordnungen, die erst bei einem bestimmten Druck ein Signal erzeugen.

Vor jeder Messung müssen die Messgrössen bestimmt und die Intervalle der Messungen oder die Messfrequenz festgelegt werden. Auch auf den genauen Ort der Messung sollte Acht gelegt werden. Die Messung der Raumtemperatur zum Beispiel kann an verschiedenen Punkten im Raum erfolgen, durch eine schlechte Wahl des Messpunktes können Messungen systematisch mit Abweichungen behaftet sein und damit der Nutzen der Messdaten für die geplante Anwendung vermindert werden.

Die Genauigkeit sollte angemessen gewählt werden: Eine hohe Messgenauigkeit verursacht in der Regel auch höhere Kosten (bei der Messung selbst und auch bei der Auswertung), weshalb in den meisten Fällen nicht genauer als nötig gemessen werden sollte.

Anforderungen ans Messgerät

Ein Messgerät ist, je nach Umgebung, diversen äusseren Einflüssen wie Feuchtigkeit, Temperatur, Staub und mechanischen Krafteinwirkungen ausgesetzt. Soll das Messgerät seine Funktion wie vorgesehen erfüllen, muss es durch ein Gehäuse entsprechend geschützt sein. Die Schutzart durch das Gehäuse ist nach EN 60529 festgelegt und durch die zweistellige IP-Klassifizierung angegeben (siehe Tab. 4 und Tab. 5). Die erste Ziffer bezeichnet den Schutz gegen feste Fremdkörper (wie z.B. Staub), die zweite Ziffer den Schutz gegen Wasser. Die Schutzart gegen mechanische Krafteinwirkung (Stossfestigkeit) wird mit den IK-Codes angegeben und ist nach EN 62262 festgelegt. Gemessen wird die Aufschlagenergie eines Schlages mit einem Hammer (Tab. 6). Je nach Einsatzort und Gefährdung durch Wasser, Staub und mechanischer Krafteinwirkung muss also ein Messgerät mit der entsprechenden Schutzklasse ausgewählt werden.

IP-Schutzkodierung, 1. Kennziffer
Tab. 4: IP-Schutzkodierung, 1. Kennziffer
IP-Schutzkodierung, 2. Kennziffer
Tab. 5: IP-Schutzkodierung, 2. Kennziffer
IK-Schutzkodierung
Tab. 6: IK-Schutzkodierung

Messgeräte, die in explosionsgefährdeten Zonen eingesetzt werden, wie zum Beispiel in Benzintanks, dürfen auf keinen Fall Zündquellen erzeugen. Dies wird durch eine entsprechende Konstruktion sichergestellt und ist in europäischen Normen festgelegt. An elektrischen Geräten sind die Explosionsschutzmassnahmen in sogenannte Zündschutzarten zusammengefasst. In gasexplosionsgefährdeten Bereichen werden beispielsweise Strom und Spannung im Gerät begrenzt, um auf keinen Fall die Zündgrenzwerte zu erreichen (Zündschutzart der Eigensicherheit «Ex i»), oder es wird verhindert, dass eine Explosion im Inneren des Geräts nach aussen gelangen kann (Zündschutzart der druckfesten Kapselung «Ex d») [2]. Die verschiedenen Explosionsschutzarten sind in der Normenreihe EN 60079-ff festgelegt.

Ist das Messgerät in ein übergeordnetes Messsystem integriert, muss es zudem zu diesem System kompatibel sein. Das heisst, es muss ins bestehende Datennetz integriert werden und über die richtigen Protokolle kommunizieren können. Dazu muss ein passender BUS-Anschluss vorhanden sein.

7.1.2 Messabweichung, Messunsicherheit

7.1.1 Definition der Anforderungen – 7.1.2 Messabweichung, Messunsicherheit – 7.1.3 Arten von Abweichungen und Ursachen – 7.1.4 Kalibrierung, Justierung und Eichung – 7.1.5 Vernetzte Mess- und Kontrollsysteme

Eine Messgrösse kann durch eine Messung nie exakt bestimmt werden. Diesem Umstand wird mit dem Begriff Messabweichung Rechnung getragen. Die Messabweichung bezeichnet die Differenz zwischen einem Messwert und dem wahren Wert.

Der Begriff Messunsicherheit bezeichnet eine Schätzung des Intervalls, in dem der wahre Wert liegt [3].

7.1.3 Arten von Abweichungen und Ursachen

7.1.1 Definition der Anforderungen – 7.1.2 Messabweichung, Messunsicherheit – 7.1.3 Arten von Abweichungen und Ursachen – 7.1.4 Kalibrierung, Justierung und Eichung – 7.1.5 Vernetzte Mess- und Kontrollsysteme

Messabweichungen können unterschiedliche Ursachen haben und können bei der Messung, bei der Übertragung der Messwerte und bei der Auswertung entstehen.

Bei der Messung selbst können unter anderem folgende Abweichungen entstehen:

  • Rückwirkung des Messvorgangs auf die Messgrösse: Der Messvorgang hat einen Einfluss auf die Messgrösse. Zum Beispiel wird durch den Innenwiderstand eines Voltmeters die zu messende Spannung verändert.
  • Systematische Messabweichungen: Dies sind Messabweichungen, die immer den gleichen Betrag und das gleiche Vorzeichen haben. Sie weisen auf eine ungenügende Kalibrierung des Messgeräts hin.
  • Zufällige Messabweichungen: Ein Glied der Messkette wird durch zufällige Störungen beeinflusst.
  • Abtastunsicherheit: Wird eine kontinuierliche Messgrösse in gleichmässigen Abständen gemessen, entsteht zwischen den Messpunkten eine Informationslücke.

Auch bei der Auswertung eines Signals können Abweichungen entstehen. Bei Sensoren besteht zwischen dem elektrischen Signal und der zu messenden Grösse ein funktioneller Zusammenhang. Diesem muss ein bestimmter Funktionstyp zugrunde gelegt werden, welcher aus dem Wissen über den physikalischen Hintergrund bestimmt werden kann. Die Gültigkeit eines solchen Zusammenhangs kann aber auf einen bestimmten Wertebereich beschränkt sein, was zu Problemen führen kann. Bei Thermoelementen z.B. kann die Beziehung zwischen Spannung und Temperatur in einem bestimmten Temperaturbereich als linear angenommen werden, ausserhalb dieses Bereichs ist die Beziehung nicht mehr linear. Wird nun ausserhalb des zulässigen Temperaturbereichs gemessen, kann dies zu beträchtlichen Abweichungen führen [4].

Grobe Fehler, wie die falsche Wahl von Parametern, sind oft nicht auszuschliessen. Bei einem Wärmezähler beispielsweise wird für die Auswertung die spezifische Wärmekapazität des gemessenen Mediums benötigt. Wird dieser Parameter beim Messgerät falsch eingegeben (weil beispielsweise Unsicherheit über die Art des Mediums besteht), wird die Wärme anschliessend falsch berechnet, was zu beträchtlichen Abweichungen führt.

7.1.4 Kalibrierung, Justierung und Eichung

7.1.1 Definition der Anforderungen – 7.1.2 Messabweichung, Messunsicherheit – 7.1.3 Arten von Abweichungen und Ursachen – 7.1.4 Kalibrierung, Justierung und Eichung – 7.1.5 Vernetzte Mess- und Kontrollsysteme

Die Begriffe Justieren, Kalibrieren und Eichen liegen nahe beieinander und werden daher oft verwechselt.

Justieren bezeichnet das Einstellen des Messgerätes, mit dem Ziel, systematische Messabweichungen zu korrigieren. Eine Nachjustierung kann bei bestimmten Messgeräten regelmässig notwendig sein. Sie kann mit einem besseren Messgerät erfolgen, mit dem eine Vergleichsmessung erfolgt, oder indem eine bekannte Grösse gemessen wird (z.B. Eiswasser mit 0 °C Temperatur oder gesättigte Luft mit 100 % relativer Feuchte). Das Justieren kann oft selbst gemacht werden.

Beim Kalibrieren wird der Zusammenhang zwischen Anzeige des Messgerätes und dem wahren Wert bestimmt, über den ganzen Messbereich. Dies erfolgt meist durch Vergleich mit einer zweiten Messung, der man mehr vertraut (z.B. mit einem geeichten Messgerät), oder im Labor. Eine Kalibrierung kann bei genügender Fachkompetenz selbst erfolgen, oder z.B. der Hersteller des Messgerätes macht die Kalibrierung im Rahmen eines Services.

Eichen ist das Kalibrieren durch amtliche Institutionen (kantonale Eichämter) oder durch ermächtigte Eichstellen. Bei bestimmten Messeinrichtungen, wie z.B. bei Energiezählern für die Abrechnung des Energieverbrauchs, kann eine Eichung vorgeschrieben sein [5]. Sie wird durch ein Attest oder einen Kleber bestätigt (siehe Abb. 12). Eichpflichtige Messgeräte brauchen üblicherweise auch eine amtliche Zulassung mit Konformitätsbewertung und einer Bauartprüfung.

Eichmarke des Schweizerischen Eichdienstes
Abb. 12: Eichmarke des Schweizerischen Eichdienstes
Eidgenössisches Institut für Metrologie METAS

In der Schweiz übernimmt das Eidgenössische Institut für Metrologie (METAS) die Aufsicht über sämtliche Eichstellen. Es betreibt auch einen eigenen Eichdienst.

7.1.5 Vernetzte Mess- und Kontrollsysteme

7.1.1 Definition der Anforderungen – 7.1.2 Messabweichung, Messunsicherheit – 7.1.3 Arten von Abweichungen und Ursachen – 7.1.4 Kalibrierung, Justierung und Eichung – 7.1.5 Vernetzte Mess- und Kontrollsysteme

Die Messungen können entweder mit dem Gebäudeautomationssystem kombiniert werden oder als separates Messsystem aufgebaut werden. Im ersten Fall kann von der bestehenden Infrastruktur profitiert werden, während im zweiten Fall eine separate Messinfrastruktur aufgebaut werden muss. Umgekehrt zeigt die Praxis, dass mit dem Gebäudeautomationssystem überwiegend andere Ziele verfolgt werden und deshalb auch nicht die nötigen Messungen erfolgen. Deshalb macht ein separat aufgebautes Messsystem, wie in Abb. 13 gezeigt, oft mehr Sinn.

Geräte in einem automatisierten System müssen fähig sein, miteinander zu kommunizieren. Die Kommunikation erfolgt in der Regel über ein Feldbussystem.

Auf der Ebene des Feldes befinden sich sogenannte Feldgeräte, wie Sensoren und Aktoren, welche unter anderem Funktionen wie Messen, Schalten und Einstellen übernehmen. Feldgeräte können Mikrocontroller besitzen und werden dann oft als «intelligente» Komponenten bezeichnet. Sie senden und empfangen Nachrichten über den Bus und kommunizieren dabei untereinander oder mit Steuerungs- und Regulierungsgeräten.

Die einzelnen Komponenten sind dabei in der Regel bereits für eine spezifische Aufgabe vorprogrammiert [6], [7]. Diese Aussagen für die Komponenten eines Gebäudeautomationssystems gelten auch für Messgeräte. Auch diese haben heute mehr und mehr einen Mikrorechner eingebaut und können der Aufgabe entsprechend programmiert werden.

Zum Messsystem gehören ein Messdatenspeicher und eine Software, die es erlaubt, die gesammelten Daten einfach und rasch auszuwerten. Auch hier können sowohl Zusatzfunktionen des Gebäudeautomationssystems genutzt werden als auch spezialisierte Energiemanagementsoftware. Heute sind Produkte auf dem Markt, welche eine professionelle und rationelle Auswertung und Darstellung der Messwerte erlauben und so das Energiemanagement wirksam unterstützen.

Beispiel für ein Messsystem
Abb. 13: Beispiel für ein Messsystem

Abb. 13 zeigt einen möglichen Aufbau eines Messsystems. Die Messgeräte sind über eine Mess-Bus-Leitung miteinander und mit einer Messdatenbox verbunden. Die Verbindung der Geräte kann kreisförmig, sternförmig oder verzweigt erfolgen. Die Messdatenbox übernimmt hier auch die Funktion eines Bus-Kopplers. Sie verbindet die einfache Mess-Bus-Leitung mit dem übergeordneten Datennetz (z.B. Ethernet). Das Datennetz ist wiederum mit einem Server verbunden, der die Messdaten speichert und Zugriffe verwaltet. Die Verbindung des Datennetzes mit dem Server für die Messdaten kann dabei auch über das Internet erfolgen.

Der Zugriff auf die Messdaten des Servers kann lokal über ein Bediengerät oder über das Internet erfolgen. Ein weiterer Server, z.B. ein Server für die Gebäudeautomation, kann über das Internet direkt auf den Server mit den Messdaten zugreifen.

Über ein solches System können Messdaten gesammelt, zentral gespeichert und ausgewertet werden. Eine sorgfältige Planung des Messsystems stellt auch die Kompatibilität der verschiedenen Geräte sicher.