Intelligente Lösungen für gewerkeübergreifende Integration am Beispiel eines Krankenhauses

In Kliniken wird Energie durch verschiedene Energieträger (Heizöl, Erdgas, Kohle und regenerative Energiequellen) bereitgestellt und in Form von Wärme (Heizung und Lüftung), Kälte (Klimaanlagen, Kühl- und OP-Räume) und Strom (Betrieb der medizinischen und technischen Anlagen und Gebäudeausrüstung, Beleuchtung, Aufzüge etc.) in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Hauptverbraucher der bereitgestellten Energie sind die Heizungs- und Lüftungs- sowie die Beleuchtungsanlagen. Eine optimierte Regelung dieser Verbraucher ermöglicht es nach unserer Erfahrung, den Gesamtenergiebedarf eines mitteleuropäischen Krankenhauses um bis zu 20 Prozent zu reduzieren.

Abbildung 1: Verteilung der Energieverbraucher in Krankenhäusern (Quelle: ECN 2002)Legende: 1 = Heizung, 2 = Licht, 3 = Kühlung, 4 = Andere, 5 = Brauchwasser

Mehr Energieeffizienz durch Optimierung
Die Optimierung der Energieeffizienz in den Heizungs- und Lüftungsanlagen kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden. Zunächst sollte geprüft werden, ob die Funktion der Wärmeerzeugung und -verteilung effizient geregelt wird. Das Gleiche gilt für die richtige Temperierung der Einzelräume. Optimierte Zeitprogramme sorgen für die richtige Temperatur zur richtigen Zeit am richtigen Ort. Auch die Luftqualitätsregelung sollte einer Prüfung unterzogen werden. Intelligente Raumbelegungssysteme verhindern außerdem, dass ungenutzte Zimmer geheizt, gekühlt und gelüftet werden. Zudem stellt die Nutzungserfassung via Bewegungsmelder sicher, dass Energie bedarfsgerecht eingesetzt wird.

Maßnahmen zur Reduktion des Energiebedarfs
Heizung/Lüftung: § effiziente Steuer- und Regelfunktionen für Wärmerzeugung und -ver-teilung sowie Temperierung der Einzelräume § Luftqualitätsregelung § optimierte Zeitprogramme § intelligente Raumbelegungssysteme § Nutzungserfassung (Bewegungsmelder)	Beleuchtung: § automatisierte Beleuchtungssysteme mit Bewegungsmeldern und Konstantlichtregelung § Zeitprogramme für Beleuchtungsszenarien	Integration: § Integration der Heizungs-/Lüftungs- sowie Beleuchtungsanlagen und anderer elektrischer Verbraucher

Abbildung 2: Maßnahmen, die zur Reduktion des Energieverbrauchs beitragen.

Zu einem geringeren Energiebedarf durch Beleuchtung tragen automatisierte Beleuchtungsanlagen mit Bewegungsmeldern und Konstantlichtregelungen bei. Alle genannten Maßnahmen senken messbar den Bedarf. Durch eine integrierte Regelung der verschiedenen Anlagen kann der Verbrauch sogar noch weiter reduziert werden. Integration bedeutet, dass die Heizungs-, Lüftungs- und Beleuchtungsanlagen sowie gegebenenfalls weitere Verbraucher und Erzeuger gewerkeübergreifend gesteuert werden. Dazu müssen zwischen den einzelnen Gewerken zahlreiche Informationen ausgetauscht werden. Dieser Austausch wird durch eine intelligente Integrationslösung ermöglicht, die einfach und kostengünstig installiert werden kann.


Abbildung 3: Im Nordland-Krankenhaus im norwegischen Bodø sorgt eine intelligente Integrationslösung für einen effizienten Energiehaushalt.


Intelligente Integration im Nordland-Krankenhaus in Norwegen
Den Beweis für eine deutlich verbesserte Energieeffizienz durch moderne Integrationslösungen liefert das Nordland-Krankenhaus im norwegischen Bodø. Dort wurden von der Programmierung bis zur Inbetriebnahme alle Arbeitsschritte mit einem einheitlichen Software-Werkzeug durchgeführt. Integriert wurden das Beleuchtungssystem (DALI), die Anlagenregler (BACnet), die Einzelraumregler und Raumbediengeräte (LON) und die Gas- und Drucklufterzeuger sowie die Kälteanlagen (Modbus). Alle Gewerke sind auf eine Leitzentale aufgeschaltet und somit zentral bedienbar. Besonderes Augenmerk legten die Projektverantwortlichen (CentraLine-Partner GK Norge AS) auf die Integration der Beleuchtungsanlage in das Gebäudeautomationssystem. An die gewerkeübergreifende Installation wurden verschiedene Anforderungen gestellt: Die Installation sollte offen, flexibel, transparent, intelligent und zukunftssicher sein. Vor allem galt es, eine Insellösung zu vermeiden und eine optimale Anpassung des Systems an das Nutzerverhalten sicherzustellen. Besonders wichtig war den Betreibern, dass die Installationskosten die Kosten einer „Standardlösung“ nicht wesentlich überschreiten, aber ein deutliches Plus an Funktionalität bieten. Die CentraLine-Partner entschieden sich daher für eine moderne Integrationslösung.

Intelligente Integration statt Gateway-Lösungen
Die CentraLine-Partner begründen ihre Entscheidung damit, dass Gateway-Lösungen, d.h. hoch spezialisierte Hard- und Softwarelösungen zum Übersetzen von Protokoll A in Protokoll B, zwar immer noch weit verbreitet sind, aber nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen. Außerdem erfordern solche Lösungen eine komplexe Installation, da für jedes Protokoll unterschiedliche Gateways eingesetzt werden müssen. Damit einher geht der Einsatz unterschiedlicher Software zur Konfiguration. Vor allem Änderungen und Erweiterungen verursachen einen hohen Aufwand im Betrieb, da immer das Gesamtsystem inklusive aller Gateways im Blick behalten werden muss.

Abbildung 4: Gateway-Lösungen sind ineffizient und wartungsintensiv.

Innovative Integrationsplattformen sind weit mehr als Protokollwandler. Sie erlauben eine konsistente Einbindung verschiedenster Bus-Systeme in eine Gesamtlösung, ohne hierfür verschiedene Gateway-Hardware und unterschiedliche Tools zu benötigen. Eine moderne Integ-rationsplattform muss viele Protokolle verstehen können. Beispielsweise bietet das CentraLineAX-System mit der webfähigen, „multilingualen“ Integrationsplattform HAWK eine optimale Lösung an. HAWK unterstützt alle wichtigen Protokolle in der Gebäudeautomation „out of the box“, denn Protokolltreiber für BACnet, Lonworks und Modbus sind im HAWK Standard Paket bereits enthalten. Der HAWK erlaubt eine einheitliche, transparente Konfiguration aller Protokolltreiber über einen Webbrowser.

Abbildung 5: Die Integrationsplattform HAWK fungiert als „Gehirn eines Gebäudes“.

Die Integrationsplattform repräsentiert einen intelligenten Knotenpunkt, der Zugriff auf alle Subsysteme im Gebäude hat. Über die reine Integrationsaufgabe hinaus kann er Aufgaben der Datenverarbeitung (z. B. programmierbare Logiken), Datenspeicherung (z. B. Trenderfassung von Energieverbrauchsdaten), Datenvisualisierung, Inbetriebnahmeunterstützung sowie den System-Fernzugriff übernehmen. Mit dem CentraLineAX-System ist eine neue Qualität und Transparenz beim Aufbau eines gewerkeübergreifenden Gebäudeautomationssystems möglich. Die webbasierte grafische Benutzeroberfläche des HAWK ermöglicht den vollen Zugriff auf alle Systemfunktionen. Der Endnutzer wird in die Lage versetzt, auf alle technischen Systeme (Ge-werke) von einer Benutzeroberfläche aus zugreifen zu können. Er findet sozusagen alles „unter einem Dach“ vereint.


Die praktische Umsetzung der Integration im Nordland-Krankenhaus

Die Integration der Subsysteme im Nordland-Krankenhaus erfolgte über die CentraLine-Integrationsplattform HAWK. Die in den verschiedenen Bereichen des Krankenhauses verteilten HAWK werden über BACnet auf eine PC-Zentrale aufgeschaltet, visualisiert und bedienbar. Die Beleuchtungstechnik wurde über das DALI-Protokoll in das Gebäudeautomationsnetzwerk eingebunden. Eine Besonderheit dieser Lösung ist die direkte Integration der Vorschaltgeräte in die Integrationsplattform. Die Konfiguration des DALI-Netzwerks erfolgt über den HAWK auf der Basis von elite-DALI-Komponenten (entwickelt vom CentraLine-Partner Control Network Solutions). Steuer- und Regelfunktionen des HAWK können direkt mit den DALI Komponenten verbunden werden. So werden beliebige Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Systemen frei programmiert. Im Fall der Beispielanlage Bodø werden Schaltbefehle von LonWorks Kompo-nenten, beispielsweise von Raumbediengeräten, an die DALI Lichtgruppen übermittelt. Im HAWK kann online die gesamte Integrationslogik geändert werden. Die Integrationslogik be-schreibt in diesem Fall, welches Bediengerät auf welche DALI Lichtgruppe wirkt. Bei Umbau-maßnahmen oder Raumumgestaltungen verschafft das nennenswerte Vorteile. In Bodø wurden außerdem die Einbindungen von Gas- und Drucklufterzeuger sowie Kälteanlagen via Modbus mit dem HAWK realisiert.

Abbildung 6: Das prinzipielle Anlagenschema zeigt die Systemarchitektur einer integrierten Regelung und veranschaulicht die Integration der einzelnen Gewerke.
Legende: 1 = Bedienung, 2 = Integration, 3 = Beleuchtung, 4 = Raumregelung, 5 = Anlagenregelung, 6 = Gas, 7 = Druckluft, 8 = Kälte

Speziell in Krankenhäusern mit weitläufig verteilten Gebäuden und anspruchsvollen In-stallationen sind Fernzugriffs- und Fernprogrammierungsmöglichkeiten von erheblichem Vorteil: Sie reduzieren wesentlich den Zeit- und Kostenaufwand. Da alle Zugriffe über einen Standard-Webbrowser erfolgen, entfällt die Installation und Wartung spezieller Programmiersoftware.

In Bodø werden folgende Gewerke über den HAWK integriert:
 

• DALI - Beleuchtungssystem
• BACnet - Anlagenregler und Leitzentrale
• LON - Einzelraumregler und Raumbediengeräte
• Modbus - Gas- und Drucklufterzeuger sowie Kälteanlagen

Selbst die Konfiguration der Beleuchtungsanlage wird über die Integrationsplattform realisiert. Dazu wird das speziell für den HAWK entwickelte Konfigurationstool COACHAX eingesetzt. Der COACHAX konfiguriert die Regler für Heizungs- und Lüftungsanwendungen, Logik- und Alarmanwendungen sowie Zähl- und Überwachungsanwendungen. Das Werkzeug wird von der Integration bis zur V

isualisierung eingesetzt. Der Endnutzer findet durch die Integration alle Systeme unter einem Dach. Die Bedienung der integrierten Systeme erfolgt über eine einzige Bedienzentrale mit nur einer Bedienphilosophie. Nicht nur die Installation und der Betrieb werden durch den Einsatz der aufeinander abgestimmten Tools effizienter, auch der Schulungs- und Per-sonalaufwand des technischen Krankenhausteams reduziert sich dadurch merklich. Zentrale Funktionen wie Zeitprogramme müssen vom Nutzer nur einmalig angepasst werden und wirken konsistent auf alle technischen Gewerke. Dies verringert Bedienfehler und damit kritische Anla-genfehlfunktionen.

Vielfältige Vorteile durch die gewerkeübergreifende Integration in der Klinik
Die Integration sorgt in erster Linie für einen effizienteren Betrieb und macht eine kos-tenbewusste Wartung möglich. Die wichtigsten Vorteile der Integration sind:

• einfache Systemarchitektur
• weniger Komponenten
• einheitliche Steuerung und Regelung über die Integrationsplattform HAWK
• webbasiertes Engineering und Fernüberwachung

Durch den Einsatz der Integrationsplattform wird die Systemarchitektur deutlich vereinfacht. Über den HAWK hat der Betreiber nun volle Kontrolle über alle Energieverbraucher und -erzeuger. Auch die Steuerung und Regelung der Beleuchtungsanlage erfolgt über die Integrationsplattform. Dadurch entfallen zusätzliche logische Einheiten, da eine direkte Busverbindung vom Regler zu den Vorschaltgeräten realisiert wird. Die Kommissionierung der Beleuchtungs-anlage erfolgt ebenfalls komplett über den HAWK. Damit können auch Änderungen im Betrieb einfach über den Webbrowser durchgeführt werden. Die Steuerfunktionen beispielsweise der Konstantlichtregelung, der Zeitprogramme für die Beleuchtungsanlage und der Notbeleuch-tungsszenarien werden direkt im Regler realisiert und bei Bedarf über den Webbrowser umprog-rammiert. Auch die Regulierung des Beleuchtungslevels basierend auf der Lichtstärke übernimmt die Integrationsplattform. So ist jederzeit eine Optimierung im laufenden Betrieb möglich. Darüber hinaus bietet der HAWK die Möglichkeit, einen vollautomatisierten Funktionstest des Notbeleuchtungssystems durchzuführen.

Durch den Einsatz einer Integrationsplattform verringert sich außerdem der Trainingsaufwand beim Betreiber. Zudem kommt es zu weniger Ausfällen aufgrund von Fehlbedienungen, die dadurch entstehen können, wenn das Bedienpersonal verschiedene Leitsysteme bedienen muss. Da die Weboberfläche – eine entsprechende Autorisierung vorausgesetzt – ebenfalls den vollen Zugriff auf die Programmierfunktionen bietet, können Systemänderungen einfach über einen Webbrowser von einem beliebigen Ort aus gemacht werden. Die Erweiterung der Be-leuchtungsanlage und das Einbinden neuer Beleuchtungselemente beziehungsweise eine Anpas-sung von Steuerungsfunktionen kann über die Weboberfläche realisiert werden. Die Integration erfolgt aus Gründen der Ausfallsicherheit nicht an der Bedienzentrale selbst, sondern im Integra-tionsknoten, der dezentral im Gebäude verteilt und bei Bedarf redundant ausgelegt werden kann.

Durch Verknüpfung der unterschiedlichen Gewerke sind systemübergreifende Funktionen problemlos realisierbar. Wird beispielsweise ein Feuer erkannt, kann diese Information genutzt werden, um umgehend die Notbeleuchtung zu aktivieren und Heizungs- sowie Lüftungsanlagen entsprechend zu übersteuern. Auch Funktionserweiterungen sind problemlos realisierbar.

Wartungszyklen werden ebenfalls von der Integrationsplattform erkannt und weitergeleitet. Die Auswertung von Laufzeiten und die Weiterleitung für den Wartungsauftrag via SMS oder E-Mail sind Standardfunktionen. In größeren Projekten wird außerdem die Anbindung an übergeordnete Managementsysteme wie beispielsweise Energiemanagementsysteme bereits standardmäßig gefordert. Der vollautomatisierte Funktionstest integrierter Notbeleuchtungssysteme eliminiert die aufwendige manuelle Prüfung und damit verbundene Kosten.

Ein intelligentes Integrationskonzept auf der Basis einer durchdachten Integrationsplatt-form ist ein sinnvoller Weg, der scheinbar unvereinbare Ziele vereint. Durch die gewerkeübergreifende Integration wird ein transparentes technisches System geschaffen, mit dem sich der Energieverbrauch minimiert und gleichzeitig eine effiziente Installation und Wartung sowie ein reibungsloser Betrieb ermöglicht wird.


Bildquellen:
Abb. 1: ENC
Abb. 2: Nordland-Krankenhaus
Abb. 3 bis 6: CentraLine