Raumautomation und Klimatechnik

Im "Großen Saal" harmonieren Klimatechnik und Akustik, denn auch das Raumklima leistet einen wesentlichen Beitrag zum einzigartigen Klangerlebnis.

Gebäudeautomation

In sämtlichen Bereichen des Gebäudekomlexes kommen zur Gebäudeautomatisierung ausschließlich DIGICONTROL-Systeme von GFR zum Einsatz.

Technisches Facilitymanagement

Die Gebäudemanagementplattform WEBVISION sowie das Energiedatenmanagement WEBENCON sorgen für den sicheren und effizienten Gebäudebetrieb.

Zukunftsweisende Lösungen für Raumautomation, Gebäudeautomation und technisches Facilitymanagement

Im gesamten Gebäudekomplex kommen zur Gebäudeautomatisierung ausschließlich GFR-Systeme zum Einsatz.
5.210 DIGICONTROL Sensoren und Aktoren von GFR, 89.000 Kommunikationspunkte und 648 Kilometer Automationskabel sind erforderlich um die effizienten Energie-, Heizungs- und Kältezentralen, die Lüftungszentralen mit rund 940.000 m³ Luft sowie die 425 Räume und das Parkhaus zu automatisieren.

DIGICONTROL-Automationssysteme
Die GFR war mit der Gebäudeautomation von der Schaltschrankfertigung über die Installationsleistung bis hin zu Programmierung und Konfiguration beauftragt. Die Projektingenieure der GFR sind dazu bereits seit 2009 in das Projekt Elbphilharmonie eingebunden und bieten vor Support für den Betreiber.
Das GA-Netz wurde extrem ausfallsicher gestaltet und besteht aus IP-Netzen und Sicherheitsnetzen. Auf diese kann aus Sicherheitsgründen nicht näher eingegangen werden.
Insgesamt werden über 100 raumlufttechnische Systeme gesteuert und geregelt. Sie beinhalten 260 Ventilatoren, rund 1.900 Brandschutzklappen sowie rund 600 Entrauchungs- und Jalousieklappen. Auch 425 Einzelraumregelungen für diverse Raumbereiche mit den jeweils individuellen Anforderungen sind im Gesamtsystem enthalten. Weiterhin wird die Kaltwassererzeugung mit Regelung der Kühlwasserversorgung über Elbwasser sowie ein Tiefbrunnensystem über die GFR-Technik betrieben.

Automation und Managementsysteme
Zum Einsatz kommen zwei eigenständige Gebäudemanagementsysteme „WEBVISION“ und das Energiedatenmanagementsystem „WEBENCON“, die von sechs dezentralen Plätzen aus bedient werden können. Insgesamt 384 BACnet-Building-Controller „ems2. CP04D“ sind integriert sowie drei automatisierte Lichtwellenleiter-Ringbussysteme mit insgesamt 660 Teilnehmern und 77 Frequenzumrichter, die wiederum über eine integrierte „BACnet MS/TP“-Schnittstelle kommunizieren. Gesteuert werden sämtliche Entrauchungsanlagen mit Jalousieklappen im Bereich der Konzertsäle, des Hotels, der Luxuswohnungen und in den übrigen Bereichen. Die Überwachung des Energieverbrauchs erfolgt über ein integriertes M-Bus sowie KNX-Systeme.
Fremdsoftware, wie das Hotelmanagementsystem „Fidelio“, wurde aufgeschaltet.
Für die Anbindung und sämtliche Steuerungsmöglichkeiten der eingebauten Technik und die damit verbundene Leistung im Bereich Kommunikation und Automation zeichnete GFR verantwortlich.

Klimatechnik und Akustik im großen Konzertsaal
Das Herz der Elbphilharmonie ist der hermetisch und schalltechnisch aufwendig abgeschottete große Konzertsaal. Wie auf Weinbergterrassen sind dort 2.100 Plätze um eine mittig liegende Bühne ansteigend angeordnet. Kein Zuhörer ist dadurch weiter als 30 m vom Dirigenten entfernt. Hier müssen Klimatechnik und Akustik besonders gut harmonieren, denn für den perfekten Klang der Instrumente, der Orgel, für die Performance der Künstler und der Stimmbänder, für die weiße Haut und für das Publikum und das Muskikerlebnis spielen die Raumtemperatur und die Raumfeuchte eine bedeutende Rolle.

Besonderheiten der RLT-Geräte
Der große Konzertsaal wird durch zwei RLT-Geräte mit konditionierter Luft versorgt. Die Klimageräte sind mit den Funktionen Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten ausgestattet. Ein baulich aufwendig gestaltetes und schallgedämmtes Luftkanalnetz umspannt den Konzertsaal im Bereich der Außenschale des Saalbauwerks.
Die beiden für den großen Saal zuständigen RLT-Geräte sind mit WRG-System nach dem Kreislaufverbundsystem ausgerüstet. Sie können aus dem Abluftvolumenstrom sowohl Wärme als auch Kälte zurückgewinnen und einer weiteren Nutzung zuführen. Regelungstechnische Strategien in den Programmen der Automationsstationen (AS) sorgen hier für die präzise Steuerung des Massenstroms im Kreislaufverbundsystem und Treffen die Entscheidungen für Umschaltprozesse nach unterschiedlichen Kriterien gemäß den Luftzustandsgesetzen im h-x-Diagramm. Hier kommt insbesondere die Nutzung der adiabatischen Kühlung im Abluftstrom zum Tragen, um insbesondere an heißen Sommertagen die sehr warme, angesaugte Außenluft bereits vorab herunterzukühlen, um den mechanischen Kältebedarf zu minimieren. Zudem ist auf diese Weise im Winter bei angesaugter kalter Außenluft ein erheblicher Wärmerückgewinn aus dem Abluftvolumenstrom erzielbar.
Die Lüftungstechnik des großen Konzertsaals ist mit einer Gesamtluftmenge von ca. 130.000m3/h großzügig ausgestattet. Bei Ansaugung kalter sehr trockener Luft ist es wichtig, diese zu Befeuchten, da sonst das Parkett und ggf. bereitgestellte Musikinstrumente Schaden nehmen könnten. Der bei der Sprühbefeuchtung einhergehende adiabatische Kühleffekt der Zuluft ist mit geeigneten Algorithmen zur Dosierung der Heizenergie unter Minimierung von Verlustwasser auszuregeln. Die notwendigen Algorithmen hierfür sind in den AS-Programmen hinterlegt.

Entrauchung als Sonderbetriebsart
Im Falle der Erkennung von Feuergefahr wird ein umfangreiches Szenario an Anlagenabschaltungen im gesamten Haus eingesteuert. Evakuierungsmaßnahmen werden durchgeführt und im speziellen wird sofern der Konzertsaal betroffen ist hier eine Zwangsentrauchung des Saales eingeschaltet. Es werden dann in der Summe neun Sonderlüftungsmaschinen sequenziell angefahren, die den Saal mit einem Luftdurchsatz von ca 600.000 m3/h durchspülen und Rauch abführen. Die RLT-Anlagen für die Klimatisierung sind für diesen Fall durch Klappen abgeschottet und werden bei Brandalarm wie andere Anlagen zuvor ausgeschaltet.

Aktorik und Sensorik
Über 16 Volumenstromregler wird die konditionierte Luft in eigens dafür konstruierte Zuluftplenen unter der Bestuhlung in den Saal eingebracht und tritt über Auslässe unter den Sitzreihen aus. Hierbei ist besonders die direkte Nähe der Auslässe zu den Konzertgästen eine Herausforderung. Die Luft muss derart konditioniert werden, dass die Behaglichkeitskriterien eingehalten werden. Keiner der Gäste sollte über Zugluft klagen müssen, auch wenn der Saal vollbesetzt ist. Zugleich muss das Raumklima im Saal stabil gehalten werden. Die Messtechnik zur Luftkonditionierung im Raum wurde aufwendig gestaltet. So wird in der gesamten Zuluftführung die Temperatur erfasst. In der weißen Haut des Konzertsaales sind an sämtlichen relevanten Stellen Temperatursensoren und Raumfeuchtesensoren verbaut. Weiter gibt es diverse Messpunkte zur Erfassung der CO2-Konzentration. Dadurch ergibt sich für die Technik ein genaues Abbild des Raumes.

Anforderungen an die Betriebsarten des "Großen Saals"
Für den Großen Saal gibt es gemäß den Nutzungsplänen eine Vielzahl von Betriebsvarianten. Diese werden durch die umfangreiche Ausstattung mit Sensorik und der steuernden Aktorik der Volumenstromregler ermöglicht. Ob der Saal einschließlich aller Zuschauerplätze komplett besetzt ist oder ob nur einige Musiker proben, die Luftkonditionen im Saal sind stets gut konditioniert zu halten. Änderungen ergeben sich nur durch die geringeren Luftmengen bei Proben oder Aufnahmen im kleinen Kreis. Ruhezeiten bei Nichtnutzung des Saales kommen in den Nutzungsprofilen ebenfalls vor. In diesem Fall findet eine Raumkonditionierung nur bei Verletzung der vorgegebenen Grenzwerte für das Raumklimas im Saal statt. Dann werden die RLT-Anlagen bis zum Wiederreichen der Raumklimagrenzen betrieben. In den Programmen der AS werden hierzu die Betriebsvarianten den Erfordernissen nach automatisch kombiniert und ausgewählt. Durch eine Einzelgewichtung der von den Raumsensoren ermittelten Messwerte, die für die jeweils momentane Regelung relevant sind, werden Regelgrößen gebildet. Diese werden dann an die Regelung der RLT-Anlagen als Sollwerte übergeben. In den Aktorik-Sensorik-Programmen sind verschiedene Strategien und Szenarien berücksichtigt. Dazu gehört das Berechnen von Vorstartzeiten für einen Konditionierungsbetrieb vor dem Beginn der Nutzungszeit mit einer der vorgegebenen Betriebsvarianten im Saal. Ein anderes Beispiel ist das Konditionieren des Raumklimas unter Beachtung eines Gradienten, in dem sich das Raumklima ändern darf, um so geführt die Zielkondition im Raum zu erreichen.

Regelung der Raumlufttechnik
Sind die Anforderungen an die Luftkonditionen im Saal bedarfsgerecht ermittelt, gilt es die entsprechenden Werte an die beiden RLT-Anlagen zu übergeben. Dazu sind mit einer Ausnahme stets beide RLT-Geräte im Betrieb. Um die beiden Geräte synchron zu betreiben, übernimmt eine Anlage als Master die Berechnung der Zuluftkonditionen. Die andere Anlage folgt ihr als Slave solange bis es zu einer Abschaltung durch Ende der Nutzung kommt oder das Mastergerät durch ggf. einen Fehler ausfällt. Dann übernimmt die ordnungsgemäß weiter in Betrieb befindliche Maschine unterbrechungsfrei den Betrieb. Sie greift dazu auf die bis dahin berechneten Betriebsparameter der Luftkonditionierung am Geräteaustritt zu. Im Falle der Instandsetzung der gestörten Maschine im laufenden Betrieb übernimmt diese ebenfalls wieder mit den dann aktuellen Parametern den Betrieb. Die RLT-Anlagen sind, um Energie zu sparen, mit Frequenzumrichtern in ihrer Leistung modulierbar. Bei Ausfall der Frequenzumrichter sorgt eine Bypass-Schaltung, für einen Netzbetrieb bis zur Instandsetzung des defekten Bauteils.

BACnet-MS/TP-Kommunikation
Die Frequenzumrichter der RLT-Geräte werden kommunikativ mit Schaltbefehlen und Stellsignalen aus den AS versorgt. Auf klassische Betriebsfreigabe mittels digitalen Schaltausgängen und analogen Stellsignalen konnte verzichtet werden. Stattdessen liefert die kommunikative Kopplung die Betriebsdaten der Umrichter wie aktuelle Leistung, Stromverbrauch, präzise Drehzahl, etc. Als Protokoll dient hier der BACnet-MS/TP-Standard. Als Anlagenschutz kommen in letzter Instanz noch klassische mechanische Schutzmaßnahmen zum Tragen.

Fazit
Die Gebäudeautomation in der Elbphilharmonie bildet die Steuerzentrale der Technischen Gebäudeausrüstung. Sie verbindet Gewerke und erlaubt es, alle TGA-Systeme im Blick zu behalten und zugleich die Geräte anzusteuern und zu regeln. Beispielhaft vorbildlich zeigt dies der große Konzertsaal. Die Aufgabe der GFR ging dabei weit über die Integration der HLK-Technik im Gebäude hinaus. So wurde das Energiemanagement angebunden und die Mitarbeiter für den Betreiber vor Ort geschult.

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