Zauberformel DALI

Das »Licht der Zukunft«, wie man das Tesla-Licht genannt hat, hat bis jetzt keine praktische Bedeutung erlangt und ist aus dem Laboratorium noch nicht herausgekommen. Es wird dadurch erzeugt, dass man Geißlersche Röhren in den Stromkreis sehr hochgespannter elektrischer Ströme – sog. Tesla-Ströme – bringt, wobei die stark verdünnte Luft in der Röhre aufleuchtet. Auf ganz ähnlichem Prinzip beruht die Cooper-Hewitt-Lampe, bei welcher Gas in der Röhre eingeschlossen ist.

Vom Tesla-Licht bis zu den modernen T5-Röhren und dimmbaren elektronischen Vorschaltgeräten (EVG) war es ein langer Weg, aber bereits in den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts erlaubten Thyralux-Steuerungen von BBC das kontinuierliche Dimmen von Leuchtstoffröhren. Sie wurden nicht nur für die Beleuchtungssteuerung im Zweckbau sondern auch von wissenschaftlichen Instituten eingesetzt, um z. B. den Einfluss des Lichtes auf die Verhaltensphysiologie von Tieren zu untersuchen [2]. Um ein sicheres Zünden zu ermöglichen, waren damals die dabei verwendeten Leuchtstoffröhren entweder noch mit einem dünnen Drahtgeflecht umgeben oder sie besaßen einen in Längsrichtung aufgedampften metallisierten Streifen. Von einem breiten Einsatz im Zweckbau war man damals aber noch weit entfernt.

Einen wesentlichen Fortschritt stellten Ende der 1980er-Jahre dimmbare EVGs dar. Die daran angeschlossenen Leuchtstoffröhren werden nicht mit der 50Hz Netzfrequenz sondern mit Frequenzen im Bereich von 30…50kHz betrieben. Dies ermöglicht einen Betrieb mit einem höheren Wirkungsgrad. Zusätzlich zu dem 230V-Schalteingang besitzen diese Geräte einen 1…10 V Eingang. Genau genommen ist das ein strombegrenzter Spannungsausgang, an dem z.B. ein Potenziometer angeschlossen werden kann. Eine Veränderung des Widerstandes bewirkt eine Änderung der Spannung am Ausgang. Die Elektronik des Vorschaltgerätes überwacht die Spannung und verwendet den Spannungswert als Maß für den Dimmgrad. Die 1…10V Eingänge können parallel geschaltet und damit mehrere Leuchtstoffröhren auf die gleiche Art und Weise gedimmt werden. Die untere Dimmgrenze hängt von den verwendeten Leuchtstoffröhren und dem EVG ab und liegt üblicherweise im Bereich von 3…10%. Um die Beleuchtung komplett auszuschalten, wird die 230V-Versorgungsspannung abgeschaltet.

Anfang der 1990er Jahre und in etwa zeitgleich mit dem KNX – damals noch EIB genannt – wurden dimmbare EVGs mit digitaler Schnittstelle entwickelt. Zusätzlich zu der 230V-Versorgungsspannung besitzen diese sogenannten DSI-Geräte eine digitale Schnittstelle, über die nicht nur ein digitales Dimmen in 256 Stufen sondern auch ein vollkommenes Ausschalten der Beleuchtung möglich ist. Alle Geräte, die über die digitale Schnittstelle miteinander verbunden sind, werden auf die gleiche Art und Weise gedimmt. Durch das digitale Dimmen ist sicher gestellt, dass alle Leuchten exakt mit dem gleichen Wert gedimmt werden. Darüber hinaus bieten DSI-Geräte noch weitere Funktionen, wie z. B. die Rückmeldung von Lampenfehlern oder das Einstellen von maximalen oder minimalen Dimmwerten. Ein individuelles Ansteuern einzelner Geräte ist jedoch nicht möglich. Da zum Ausschalten die Versorgungsspannung nicht abgeschaltet werden muss, wird auch im ausgeschalteten Zustand Energie verbraucht.

Um die Vorschaltgeräte in 1…10V-Technik als auch DSI-Vorschaltgeräte mit der übergeordneten KNX-Gebäude-Systemtechnik verbinden zu können und damit weitergehende Funktionalitäten zu ermöglichen, standen von Anfang an Schalt-/Dimmaktoren von ABB zur Verfügung.

Einen großen Schritt vorwärts stellte die Entwicklung des DALI-Standards vor, der Mitte der 1990er Jahre zunächst als firmenübergreifender de-facto Standard erarbeitet wurde und heute in die IEC 62386 eingeflossen ist. Anfang 2000 wurden die ersten Geräte vorgestellt. Heute ist im Zweckbau der Einsatz von DALI-Vorschaltgeräten Stand der Technik. Der größte Fortschritt gegenüber dem DSI-Standard ist die Einzeladressierung von DALI-Teilnehmern. Daneben bietet DALI noch weitere Vorteile, wie z.B. Gruppenbildung, Speicher für Helligkeitswerte, einstellbare Überblendzeiten. Weitergehende technische Informationen zu DALI finden sich auf der Internetseite der DALI-AG [3]: www.dali-ag.org.

Wichtig für die energetische Betrachtung ist die Verlustleistung heutiger DALI-Vorschaltgeräte. Mit Werten im Bereich von 200…500 mW liegen sie deutlich niedriger, als die ersten DSI-Geräte.

Die DALI-Gateways von ABB

Für die Verbindung zwischen KNX und DALI stehen verschiedene ABB i-bus KNX Geräte zur Verfügung. Das DALI-Gateway DG/S 8.1 verbindet die Vorteile von DALI mit der Einfachheit der 1…10 V- bzw. DSI-Technik. Es stehen 8 DALI-Kanäle für jeweils 16 DALI-Teilnehmer zur Verfügung. Alle an einen Kanal angeschlossenen Teilnehmer werden gemeinsam geschaltet und gedimmt. Dadurch ist bei der Inbetriebnahme keine Adressierung der DALI-Teilnehmer erforderlich. Dieses Gateway wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn es nicht erforderlich ist, in Räumen einzelne Leuchten individuell zu schalten oder zu dimmen, und wenn Änderungen der Raumaufteilung nicht oder nur sehr selten zu erwarten sind.

An jeden der beiden Kanäle des DALI-Gateways DG/S 1. 1 können 64 DALI-Teilnehmer angeschlossen werden. Alle Teilnehmer des Kanals A können individuell geschaltet und gedimmt werden. Die an den Kanal B angeschlossenen Teilnehmer können auf einfache Art und Weise gemeinsam geschaltet und gedimmt werden. Für die Adressierung der DALI-Teilnehmer kann das gleiche Tool verwendet werden, das auch für die Zuordnung der Teilnehmer beim DG/S1.16.1 verwendet wird. Sollen viele Leuchten individuell geschaltet/gedimmt oder viele Gruppen mit jeweils wenigen Teilnehmern gebildet werden, dann ist der Einsatz dieses Gateways vorteilhaft.

An das DALI-Gateway DG/S 1.16.1 können 64 DALI-Teilnehmer elektrisch parallel angeschlossen und »logisch« in 16 Gruppen aufgeteilt werden. Alle Teilnehmer innerhalb einer Gruppe werden gemeinsam geschaltet und gedimmt. Ein Software-Tool ermöglicht die einfache und schnelle Zuordnung der DALI-Teilnehmer zu den Gruppen. Dieses Gateway ist vorzugsweise dann einzusetzen, wenn in Räumen nicht jede Leuchte individuell sondern Leuchten gesamthaft oder in Gruppen geschaltet werden sollen und im späteren Betrieb Änderungen der Raumaufteilung zu erwarten sind.

Das DALI-Gateway Notlicht DGN/S 1.16.1 ist ein funktional erweitertes DG/S 1.16.1, an das als DALI-Teilnehmer auch DALI-Notlicht-Konverter (DALI Gerätetyp 1) angeschlossen werden können. Ein DALI-Notlicht-Konverter ist ein DALI-Teilnehmer, der den Zustand der Einzelbatterie einer Notbeleuchtung überwacht, prüft und die Information über genormte DALI-Telegramme nach DIN EN 62386-202 zur Verfügung stellt. Das DALI-Gateway Notlicht DGN/S 1.16.1 wertet diese Informationen aus und überträgt sie auf den KNX zur Anzeige und/oder zur weiteren Verarbeitung.

Der DALI-Lichtregler DLR/S 8.16.1M ist hinsichtlich der DALI-Funktionalität ein DALI Gateway DG/S 1.16.1, das um die Funktion eines Lichtreglers ergänzt ist. An das Gerät können bis zu 8 Lichtfühler angeschlossen werden und zu 8 der insgesamt 16 DALI-Gruppen zugeordnet werden, d. h. bis zu 8 Gruppen um die Zusatzfunktion »Konstantlichtregelung« ergänzt werden. Damit ist der Einsatz dieses Gerätes überall dort empfehlenswert, wo nicht nur einfache Installation, Komfort und Flexibilität in der Anwendung, sondern auch Energieeffizienz in der Beleuchtungstechnik gefragt ist.

Das i-bus Tool

Mit dem i-bus Tool stellt ABB ein völlig neuartiges Softwarekonzept zur Verfügung. Es unterstützt Systemintegratoren bei der Inbetriebnahme und dem Service von KNX Systemen. Das Tool greift über eine Standard KNX Schnittstelle (RS232, USB, IP) mit Hilfe der physikalischen Adresse auf jeweils ein KNX Gerät zu. Für das verbundene Gerät können dann gezielt Funktionen ausgelöst, Werte ausgelesen, Zustände simuliert sowie Einstellungen vorgenommen. Interne Informationen und Zustände der Gerätehardware und der Softwareapplikation, die bisher nicht oder nur umständlich zugänglich waren, werden nun auf einfache Weise transparent zur Verfügung gestellt. Sie können gezielt abgerufen und, sofern freigegeben, beeinflusst werden. Beispielsweise werden die Informationen aus Statusbytes als Klartextanzeige dargestellt. Ein wichtiger Grundsatz dabei ist, dass durch das i-bus® Tool keine Abweichungen zum ETS Projekt entstehen können. Das Tool ist optional, d.h. die KNX Geräte werden weiterhin allein mit der ETS Software in Betrieb genommen.
Für jedes unterstützte Gerät stellt ABB eine eigene Benutzeroberfläche, ein sogenanntes Plug-In, zur Verfügung. Über dieses Plug-In lassen sich die gerätespezifischen Informationen anzeigen und die gewünschten Einstellungen vornehmen. Insbesondere für den DALI-Lichtregler DLR/S 8.16.1 bietet das i-bus Tool besondere Vorteile.

Es greift über den Bus auf den DALI-Lichtregler zu und stellt auf übersichtliche Art und Weise die aktuellen Werte, wie Soll – und Istwert, und Einstellungen, wie den Tageslichtkompensationsfaktor, dar. Darüber hinaus kann man Leuchtengruppen ein- und ausschalten, bestimmte Helligkeitswerte senden oder auf- und abdimmen. Um bisher den Kunst- und Tageslichtabgleich zu aktivieren, mussten umständlich über den Gruppenmonitor Telegramme zu den entsprechenden Objekten des Lichtreglers gesendet werden. Jetzt reicht das einfache Betätigen der dafür vorgesehenen Schaltflächen. Wird der Lichtregler in mehreren, weitgehend gleich ausgestatteten Räumen eingesetzt, kann man in vielen Fällen den in einem Raum durch den doppelten Abgleich automatisch ermittelten Kompensationsfaktor nehmen und mit dem Tool einfach für die anderen Räume vorgeben oder anpassen. Dadurch reduziert man den Aufwand für das Einstellen der Sollwerte erheblich.

Energieeinsparung durch Konstantlichtregelung mit DALI

Zusätzlich zu den vielen durch die DALI-Technik möglichen Vorteilen bietet der DALI-Lichtregler DLR/S 8.16.1 auf einfachste und kostengünstigste Weise die Möglichkeit Energie einzusparen. Die Mehrkosten gegenüber einem DG/S 1.16.1, die Kosten für die erforderlichen Lichtfühler, der zusätzliche Aufwand für die Verdrahtung der Lichtfühler und die Einregelung amortisieren sich innerhalb von 1 bis 2 Jahren. Die Einsparungen durch eine Konstantlichtregelung liegen je nach Nutzerverhalten, Gebäudetyp, Größe und Ausrichtung der Fenster und Gestaltung des Raumes typisch im Bereich von 30…50%. Eigene Messungen ergaben ein auf das Jahresmittel hochgerechnetes Einsparpotential von über 50%.

Berechnungsbeispiel:
Für einen typischen Büroraum mit einer Grundfläche von 30 m2, einem Energieverbrauchswert von 14 W/m2 für die Beleuchtung und eine Anwesenheit von 8 – 18 Uhr an 41 Wochen im Jahr werden für die Beleuchtung 861 kWh benötigt. Das entspricht, bei einem Preis von 25 ct/kWh einem Kostenanteil von 215 Euro.
Sind in dem Raum schon über DALI dimmbare EVGs eingesetzt und mit KNX verbunden, dann beträgt der Mehraufwand für eine Konstantlichtregelung mit dem DALI-Lichtregler
114 Euro.

Diese setzen sich zusammen aus:
Anteilmäßige Preisdifferenz DLR/S zu DG/S 12 € (pro Kanal, 96€ pro Gerät)
1 Lichtfühler 64 €
3/4h Parametrierung und Einregeln 38 €

Damit hat sich der Mehraufwand für eine Konstantlichtregelung bereits nach ca. einem Jahr amortisiert. Der Mehraufwand für eine Konstantlichtregelung bietet damit bei geringen Investitionskosten und minimaler Amortisationszeit die Möglichkeit, ohne Komfortverlust, Energie und damit auch Kosten zu sparen. Ein weiterer positiver Effekt ist die längere Lebensdauer der Leuchten und der damit reduzierte Wartungsaufwand.

Wo hat sich eine Konstantlichtregelung schon bewährt?

In vielen Referenzprojekten liegen keine konkreten Vergleichswerte für vorher/nachher Betrachtungen vor. Auch sind in vielen Fällen die Einsparungen nicht nur einer bestimmten Applikation wie der Konstantlichtregelung oder einem präsenzgesteuerten Ein- und Ausschalten zuzuordnen. In allen Fällen, in denen eine Konstantlichtregelung alleine oder in Verbindung mit weiteren Funktionen eingesetzt wurde, zeigte sich jedoch eine deutliche Energieeinsparung im Vergleich zu einer konventionellen Lösung. Die folgenden Beispiele stellen einen kleinen Ausschnitt aus einer Zahl vieler ABB-Referenzobjekte dar. Sie zeigen eindrucksvoll, dass insbesondere im Zweckbau eine Konstantlichtregelung einen wesentlichen Beitrag zur Senkung der Energiekosten leisten kann.

Besonders interessant ist der Einsatz einer Konstantlichtregelung in Museen, da dort der Anteil der Beleuchtung bis zu 80% der gesamten Energiekosten ausmachen kann [4]. So ermöglichte in dem Museum Arte Moderna in Rovereto, Italien, eine Konstantlichtregelung in Verbindung mit dem zeitgesteuerten Ein- und Ausschalten und dem situationsbedingten Aktivieren von Lichtszenen Einsparungen beim Energieverbrauch von 28% und damit von nahezu 80.000 Euro im Jahr.

Auch in Bürogebäuden ist der Anteil des elektrischen Energieverbrauchs für die Beleuchtung hoch und liegt meist über dem Verbrauch aller anderen elektrischen Verbraucher. In dem Etisalat Tower II in Dubai hat die Beleuchtung einen Anteil von 30% des Gesamtenergieverbrauchs. Dort wird die Beleuchtung außerhalb der Arbeitszeiten automatisch abgeschaltet und tagsüber sorgt die Regelung dafür, dass der Kunstlichtanteil nur so hoch ist, dass die gewünschte Beleuchtungsstärke erreicht wird. Dadurch werden gegenüber einer einfach geschalteten Beleuchtung bis zu 35% Energie eingespart.

Noch größere Einsparungen in Höhe von ca. 50% werden in der Marina Mall in Abu Dhabi erreicht. Tagsüber ist die Konstantlichtregelung aktiv und außerhalb der Geschäftszeiten wird die Beleuchtung automatisch auf 25% reduziert.

Weitere Vorteile der Kombination von DALI und KNX

Alle DALI-Gateways sowie der DALI-Lichtregler überwachen ständig die angeschlossenen DALI-Teilnehmer und können damit sowohl einen EVG-Fehler als auch einen Lampenfehler auf den KNX zur weiteren Anzeige, z.B. in einem Panel oder einer Visualisierung, übertragen.

Wird eine Lichtszene aktiviert, erreichen alle Teilnehmer der Szene den Helligkeitsendwert zum gleichen Zeitpunkt, d.h. es muss nicht individuell für jeden Teilnehmer der Szene die Szenenübergangszeit eingestellt werden, sondern die Zeit wird nur einmal der Szene zugeordnet und sie gilt dann für alle Teilnehmer der Szene.

Um die maximale Lebensdauer und die maximale Helligkeit zu erreichen, dürfen Leuchtstoffröhren nach der ersten Inbetriebnahme nicht sofort gedimmt werden. Sie müssen zunächst für eine bestimmte Zeitdauer mit 100% angesteuert werden. Die ABB i-bus KNX DALI Gateways und der DALI Lichtregler unterstützen diese Funktion, d.h. es kann eine sogenannte Einbrennzeit festgelegt und aktiviert werden. Sollen eine oder mehrere Leuchten gedimmt werden und die für sie festgelegte Einbrennzeit ist noch nicht abgelaufen, schalten sie immer zu 100% ein.

Last, but not least wird das mit DALI realisierte Gewerk »Beleuchtung« integraler Bestandteil der übergeordneten Gebäude-Systemtechnik. Es gibt keine voneinander isolierten DALI-Inseln mit jeweils maximal 64 Teilnehmern, sondern ein ganzheitliches System, in dem überall dort, wo es sinnvoll ist, alle Teilnehmer miteinander kommunizieren können und eine übergeordnete Visualisierung den Zustand aller Geräte darstellen kann.

Was wird die Zukunft bringen?

1902 war die Laborversion der Leuchtstoffröhre das »Licht der Zukunft«. Von den ersten Labormustern, die 1902 »Tesla-Licht« erzeugten, dauerte es noch ca. 40 Jahre bis Leuchtstoffröhren in großem Stil produziert und eingesetzt wurden.

Das heutige »Licht der Zukunft« – die LED-Technologie – ist für weite Anwendungsgebiete bereits Realität und ABB i-bus KNX DALI-Gateways ermöglichen bereits heute die Einbindung in die KNX-Gebäude-Systemtechnik.

Die LED-Technologie wird zukünftig bei gleichem Energieeinsatz wesentlich höhere Lichtströme ermöglichen und weitere Möglichkeiten eröffnen, die mit den heute verfügbaren Leuchtmitteln nicht oder nur ansatzweise machbar sind, wie z.B. die stufenlose Anpassung der Farbtemperatur des Lichtes an die Tageszeit. Auch für diese zukünftigen Möglichkeiten werden ABB i-bus KNX DALI-Gateways die problemlose Kommunikation mit der KNX-Gebäude-Systemtechnik ermöglichen.

www.abb.com

Quellenverzeichnis:
[1] Die Entwicklung der Beleuchtungstechnik, Heinrich Hess, Otto Hofmann’s Verlag „Der Eisenhändler”, Bunzlau i. Schlesien, 1902.
[2] The circadian system of the Turkish hamster: Responses to light, H. Pohl, Max-Planck-Institut für Verhaltensphysiologie, 1985
[3] DALI-AG, ZVEI Division Luminaires, Lyoner Straße 9, 60528 Frankfurt am Main
[4] Studie Museum Oldenburg, Abschlussbericht, Daum Unternehmensberatung & Projektmanagement, 26. 9. 2008

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