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Leben im digitalen Heim: Smarthome verändert unser Leben

Was Schreiner rund um Smarthome wissen müssen
Leben im digitalen Heim

»Smarte« Antriebs-, Sensor- und Steuerungstechnik sorgt unter Einbeziehung moderner Bauelemente für eine Verbesserung von Komfort, Sicherheit und Energieeffizienz in Gebäuden. Die Spezialisten des IFT Rosenheim zeigen auf, worauf es dabei ankommt.

Prof. Ulrich Sieberath, Willibald Huber,
Jürgen Benitz-Wildenburg, IFT Rosenheim

Digitalisierung allerorten – ob im Auto, im Büro, in der Produktion oder im privaten Bereich. Internet und Smartphones haben unser Zuhause »erobert«. In vielen Haushalten verrichten bereits intelligente Geräte ihren Dienst, ob nun sprachgesteuert via Alexa oder per Smartphone. Automatisch betriebene Haustüren, Fenster sowie Rollladen- und Sonnenschutzsysteme bieten mehr Komfort und Sicherheit, insbesondere für ältere Personen oder Menschen mit physischen Einschränkungen. Einfach zu installierende Antriebe mit integrierten Sensoren, Funkübertragung und Steuerungen stehen bereit. Deshalb ist jetzt der richtige Zeitpunkt für Schreiner und Tischler, mit verlässlichen und einfach zu bedienenden Angeboten in den Smarthome-Markt einzusteigen. Mit über 41 Millionen Wohnungen in Deutschland, die auf eine Nachrüstung warten, ist dies ein riesiger Markt.

Hierfür muss man die Bedürfnisse und Wünsche von Bauherren, Wohnungseigentümern und Mietern kennen und abfragen (Fragebogen vom Institut für Gebäudetechnik (IGT)). Studien belegen den Fokus auf Komfort (Bedienung von Licht, Multimedia-/Hausgeräten, Rollläden, Türen sowie Barrierefreiheit), Sicherheit (Einbruch, Überwachung, Rauch-/Brandmelder, Zutrittskontrolle, automatische Unfallmeldung, Wasserrohrbruch etc.), Gesundheit (Luftqualität, Barrierefreiheit, Assistenzsysteme für ältere Menschen), Energieeffizienz (Regelung und Visualisierung der Heiz-/Kühlenergie und Strom) sowie Image und Werterhaltung des Gebäudes.

Aufbau eines Smarthome-Systems

»Smart« ist mehr als nur ein elektrischer Antrieb mit einer Bedienung per App. Es ist ein System von Sensoren, Aktoren und Steuerung, das angibt, was ein Aktor wie ein Rollladenantrieb oder Relais machen soll. Die Intelligenz automatischer Bauelemente ergibt sich aus dem Zusammenspiel von Sensoren, Aktoren (Antrieben), Steuerung und der Datenübertragung. Zum Verständnis für den Aufbau eines Smarthome-Systems bzw. einer Gebäudeautomation hat sich die Automationspyramide bzw. das Ebenenmodell bewährt. Zwischen den einzelnen Ebenen und unterschiedlichen Anbietern sind Schnittstellen (Gateways) angeordnet, die eine Kommunikation mittels Protokollen ermöglichen. Die Übertragung der Informationen (Daten) und die Kommunikation sind mittels kabelgebundenen, funkbasierten Systemen oder einer Kombination aus beidem möglich, auch »Bussystem« genannt.

Kabelgebundene Übertragungssysteme eignen sich gut für den Neubau und funkbasierte aufgrund der hohen Flexibilität in der Sanierung. Allerdings brauchen die Sensoren Batterien für die Energieversorgung – eine Ausnahme sind die Sensoren von EnOcean, die vorhandene Umgebungsenergie (Energy Harvesting) nutzen, beispielsweise Bewegungsenergie bei Betätigung von Schaltern, Griffen etc., Solarenergie-Module mit Energiespeichern oder Thermoenergie. Die Reichweite der Funksignale kann von 25 m (Innenbereich) bis 100 m (Außenbereich) variieren. Bei der Installation sollte man die Stärke des Sendesignals unbedingt messen/kontrollieren.

Übertragungs-Protokolle

Ein Protokoll ist eine »Sprache« für elektronische Bauteile. Wenn unterschiedliche Protokolle verwendet werden, funktionieren die Kommunikation und das ganze System nicht. Je umfangreicher ein Protokoll ist, desto mehr Energie braucht es bei der Übertragung. Deshalb wurden für Smarthome spezielle »Sprachen« als das Internetprotokoll (IP) entwickelt. Deren Einsatz ist sinnvoll, wenn eine hohe Anzahl an Feldelementen notwendig ist, beispielsweise für die Beleuchtung das Protokoll DALI.

Im Smarthome-Bereich haben sich Protokolle wie KNX, Z-Wave, Home Matic, ZigBee, EnOcean etabliert, die die üblichen Funktionen (Beleuchtung, Heizung, Bewegungssensoren, Fensterkontakte, Antriebe etc.) abdecken. Die Protokolle sind zwar untereinander nicht kompatibel, können sich aber über »Gateways« verständigen. Dadurch ist es unerheblich, für welches System/Protokoll man sich entscheidet. Ein sogenannter »potenzialfreier Kontakt« reicht oft nicht aus, denn dieser kann nur die Informationen »Auf« oder »Zu« nutzen bzw. ausgeben. Das reicht schon bei einem Raffstore nicht aus, denn man will ja den Schließzustand erkennen.

Sensoren und Aktoren

Sensoren und Aktoren sind die »Arbeitselemente« eines Smarthome-Systems, bei der die Sensoren in der Feldebene Daten erfassen, an die Steuerung weitergeben und die Aktoren »Befehle« ausführen. Am einfachsten ist ein System, wenn alle Sensoren und Aktoren das gleiche Protokoll nutzen und kein Gateway notwendig ist. Je mehr Hausbereiche in eine Gebäudeautomation integriert werden, desto unwahrscheinlicher ist es, ohne Gateways auszukommen. Sensoren und Aktoren sollten erweiterbar und bei defekten Geräten einfach austauschbar sein.

Sensoren erfassen physikalische Größen (Temperatur, Lichtstärke, Feuchtigkeit, CO2 etc.) und senden diese per Protokoll an die Steuerung oder direkt an Aktoren. Die Sensoren sollten an einem repräsentativen Ort im Raum angebracht sein; für eine Temperaturmessung beispielsweise ausreichend weit entfernt von Herd, Lüftung, Heizung oder Lampen.

Durch Aktoren werden Befehle in Aktionen umgesetzt, wie zum Beispiel das Ein-/Ausschalten der Beleuchtung, das Bewegen der Beschattungsanlagen oder eines motorischen Türschlosses. Aktoren brauchen mehr Energie als Sensoren und damit einen Kabelanschluss. Die Befehle kommen zentral von der Steuerzentrale oder dezentral direkt vom Sensor. Eine teilautonome »Intelligenz« gewährleistet, dass auch beim Ausfall der zentralen Steuerung ein sicherer Betrieb möglich ist.

Wichtig ist auch, wo die Intelligenz liegt und Daten gespeichert werden. Beispielsweise werden bei Amazons Alexa und vielen anderen onlinebasierten Systemen die Daten der Sensoren an einen externen Server gesendet, dort verarbeitet und dann zurück an den Aktor gesendet. Was auf dem Weg dorthin und im externen Server mit den Daten passiert, ist unklar. Außerdem funktioniert das Smarthome-System nur bei einer bestehenden Internetverbindung. Deshalb sind Systeme mit hauseigenem Server oder Steuergerät sicherer. Allerdings können externe Server leistungsfähiger sein, weil die Daten und Nutzungsgewohnheiten vieler Tausend Menschen und Häuser genutzt werden und die Rechenleistung größer ist.

Sicherheit und Einbruchhemmung

Rollläden, Markisen und Garagentore sind heute überwiegend automatisiert. Die Bedienung erfolgt per Taster, Funk (WLAN, Bluetooth, Infrarot etc.) oder Smartphone. Natürlich stellt sich die Frage, wie sich die elektronische Manipulation verhindern lässt, und Sicherheitsfragen werden intensiv diskutiert. Bei schlüssellosen Türen, die per Funk, Transponder oder Biometrie arbeiten, muss die elektronische Verarbeitung der Signale innerhalb des Hauses erfolgen und gesichert sein.

Einbruchhemmende Elemente gemäß EN 1627 können zusätzlich zur mechanischen Sicherheit auch mit elektromechanischen Verriegelungskomponenten und Berechtigungsmitteln (Zutrittskontrollen, Schlüsselschalter etc.) ausgestattet werden. Für diese Einbruchgefahr gibt es noch keine klaren Anforderungen. Deshalb entwickelt das IFT Rosenheim eine neue Richtlinie für die Bewertung von Berechtigungsmitteln, Zutrittsberechtigungen, Authentifizierung, Identifizierung (auch Biometrie). Alle elektronischen Komponenten müssen gegen eine mechanische Manipulation und eine Dekodierung der Funksignale oder Chip-Systeme geschützt werden.

Motoren schaffen Gefahrenbereiche

Durch den maschinellen Antrieb entstehen neue Gefahrenbereiche, beispielsweise Finger quetschen oder Stoßverletzungen beim Öffnen bzw. Schließen. Deshalb muss der Hersteller seine »Maschine« sicher gestalten. Für Bauelemente mit elektrischem Antrieb gelten deshalb zusätzliche Anforderungen. Die Hersteller müssen nicht nur die klassischen Anforderungen (Schall, Windlast, Luftdichtheit etc.) der Bauproduktenverordnung (BauPVO) in den Produktnormen, sondern auch die der Maschinenrichtlinie (MRL) erfüllen. Vom Hersteller ist eine Gefährdungsanalyse zu erstellen. Zusätzlich muss der Hersteller des Antriebs und der elektrischen Komponenten Prüfungen für die elektrische Sicherheit (Vermeidung von elektrischem Schlag, Brand, Verbrennungen) sowie die funktionale Sicherheit (Vermeidung von ungewolltem Betrieb infolge von Software- und Bauteilfehlern) erbringen. Ergänzend müssen auch Transformatoren, Netzteile, Antriebe und Sensoren geprüft werden (EMV/PAK Nachweis, IP-Schutzarten, Wärme-/Feuerbeständigkeit etc.). Dies gilt auch, wenn das vollständige Produkt aus Baugruppen wie Rahmen, Antrieb, Steuerungen, Sensoren etc. erst an der Betriebsstelle zu einer funktionsfähigen Einheit zusammengefügt wird.

Formeller Hersteller, mit allen Rechten und Pflichten, ist dann derjenige, der das Bauelement final zusammenfügt und in Betrieb nimmt. Das kann auch der Schreiner/Tischler bzw. der Montagebetrieb sein. Die Verantwortung für das Beibringen sämtlicher Dokumente liegt beim »Zusammenbauer«, der dann das Produkt auf Basis einer EG-Baumusterbescheinigung (kommt i.d.R. vom Antriebshersteller) mit einem CE-Zeichen kennzeichnen und in den Markt bringen kann.

Das IFT Rosenheim bietet alle notwendigen Prüfungen, Nachweise und Zertifikate für die Sicherheit elektronischer Bauelemente an.


Fachinfo Smarthome

Die Fachinformation FI EL-03/1 »Smarthome mit modernen Bauelementen« beschreibt anschaulich die technischen Grundlagen, den Nutzen und normative Anforderungen für die Planung und den Einsatz von Fenstern und Türen für Smarthome-Konzepte. Zahlreiche Tabellen und Checklisten helfen bei der Auswahl geeigneter Systeme und den ersten Schritten in diesen lukrativen Markt.

Bezug: IFT-Literaturshop, www.ift-rosenheim.de/shop

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