Präsenzmelder: Muss es immer ein PIR sein?

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Der Präsenzmelder ist das Arbeitstier unter den Raumsensoren. Er kommt zum Einsatz, wann immer Leuchten präsenzgesteuert geschalten, Sollwerte abgesenkt oder Türen geöffnet werden sollen. Vorzufinden sind die Bewegungs- und Präsenzmelder vor der Haustür, in der Gartenleuchte, im Keller, auf dem Flur, im Treppenhaus und zunehmend auch in Arbeits- und Wohnbereichen. Dabei wird heute vor auf eine Technologie gesetzt: den pyroelektrischen oder „passiv-Infrarot“ Sensor PIR.

Technologien

PIR-Präsenzmelder erfassen Personen aufgrund ihrer Wärmeabstrahlung (Bild 1). Sie sind weitverbreitet, kostengünstig und einfach zu installieren. Allerdings können PIR-Melder i.d.R. Personen nicht von anderen Wärmequellen unterscheiden, z.B. Tiere, Sonneneinstrahlung, elektronische Geräte. Auch muss ein Sichtkontakt bestehen vom Sensor zur erfassten Person. Letztendlich reagiert der PIR-Melder immer auf Veränderungen der Wärmeabstrahlung. Das heisst: es können nur bewegte Objekte und Personen erfasst werden – unabhängig davon, ob der Sensor als Bewegungsmelder oder als Präsenzmelder deklariert wird. Aufgrund dieser Eigenschaften ist der PIR-Sensor oft, aber nicht immer, eine geeignete Lösung. Glücklicherweise existieren Alternativen, womit sich die Nachteile des PIR-Melders zum Teil umgehen lassen.


Bild 1: Funktionsprinzip eines PIR-Präsenzmelders. Der Melder besitzt ein Linsensystem, das den Erfassungsbereich definiert und die Wärmeabstrahlung von Personen und weiteren Wärmequellen einfängt. Wenn sich eine Wärmequelle quer durch den Erfassungsbereich der Linsen bewegt, führt dies zu Schwankungen im entsprechenden Ausgangssignal. Diese Schwankungen signalisieren die Präsenz. Bild: Murata.

Bereits in den 1950er Jahren entwickelt wurden die Ultraschall-Präsenzmelder. Diese senden Ultraschallwellen mit einer für das menschliche Ohr nicht hörbaren Frequenz aus. Reflektierte Schallwellen werden nach dem Doppler-Prinzip ausgewertet, um bewegte Objekte zu erkennen. Im Gegensatz zum Infrarotlicht breiten sich Ultraschallwellen nicht geradlinig aus, sondern füllen den ganzen Raum aus. Damit erübrigt sich der Sichtkontakt zwischen Sensor und Person. Dieser Vorteil kommt insbesondere dort zum Tragen, wo Räume in mehrere Bereiche unterteilt sind (bspw. Grossraumbüro mit Raumteilern) oder sichtbare Präsenzmelder nicht erwünscht sind (z.B. Toilettenanlagen).

Vergleichsweise neu ist der Einsatz von Hochfrequenz-Präsenzmeldern (HF bzw. Radar). HF-Melder arbeiten ebenfalls nach dem Doppler-Prinzip. Im Unterschied zu Ultraschall-Sensoren werden jedoch nicht akustische, sondern elektromagnetische Wellen (i.d.R. im GHz-Frequenzbereich) ausgesendet. HF-Radiowellen durchdringen Materialien wie Glas, Holz oder Leichtbauwände. Damit ist auch ein verdeckter Einbau, beispielsweise hinter einer Deckenabhängung oder in einer Leuchte, möglich (Bild 2).


Bild 2: Radiowellen durchdringen Materialien wie Glas, Holz oder Leichtbauwände. Deshalb können HF-Präsenzmelder unsichtbar in eine Leuchte eingebaut werden. Bild: Pixabay.

Mit den bisher genannten Technologien lassen sich ausschliesslich bewegte Objekte erkennen. Anders bei optischen Präsenzmeldern. Diese erfassen die Raumbelegung über Video und bestimmen mittels Bildverarbeitung die Präsenz sowie weitere Angaben zur Raumbelegung, bspw. die Anzahl, Position und Tätigkeit der anwesenden Personen. Je nach Bildverarbeitungsmethode können damit auch unbewegte Objekte erkannt werden. Zudem lassen sich Personen unterscheiden von Tieren und verschiedenen Objekten. Dadurch wird die Fehlerkennungsrate reduziert, und es lassen sich neue Anwendungen erschliessen wie die Bestimmung des Belegungsgrads und der Nutzung von Räumen. Der Einsatz von optischen Sensoren für die Präsenzerfassung in Gebäuden wurde eingehend untersucht in einer Studie der Hochschule Luzern.

Präsenzmelder in der Praxis

Wie kann also der passende Präsenzmelder ausgewählt werden? Folgende Kriterien sind bei der Auswahl zu berücksichtigen.

  • Einsatz im Innenbereich. In Innenbereichen lassen sich grundsätzlich alle Technologien einsetzen. In Bürolandschaften mit Raumteilern oder WC-Anlagen kommen die Vorteile der Ultraschall- und HF-Technologien zum Tragen. Damit lassen sich dünne Wände umgehen (Ultraschall) bzw. durchdringen (HF). Das berüchtigte Lichtausschalten während der WC-Pause gehört also der Vergangenheit an. Der HF-Präsenzmelder ist insb. dann zu bevorzugen, wenn die Ästhetik eine wichtige Rolle spielt, da dieser unsichtbar montiert werden kann. In Arbeitsumgebungen und öffentlichen Bereichen ist weiter die Privatsphäre der anwesenden Personen zu respektieren. Dieser Punkt muss insb. bei optischen Sensoren beachtet werden.
  • Einsatz im Aussenbereich. Die Zuverlässigkeit von PIR-Sensoren wird durch fremde Wärmequellen (z.B. Sonneneinstrahlung) oder besondere Witterungsbedingungen beeinflusst. Darum sind PIR-Melder nur bedingt für den Einsatz in Aussenbereichen geeignet. HF-Präsenzmelder reagieren ebenfalls empfindlich auf Bewegungen (von Bäumen, Regen, Laub usw.). Durch die Signalverarbeitung lassen sich solche Störungen jedoch unterdrücken. Dadurch lassen sich HF-Melder auch im Aussenbereich einsetzen. Umgekehrt dazu sind Ultraschall-Sensoren nur für den Innenbereich geeignet.
  • Kosten. Entgegen der landläufigen Meinung sind PIR-, Ultraschall- und HF-Präsenzmelder im gleichen Preissegment angesiedelt. Optische Präsenzmelder hingegen sind (heute noch) deutlich teurer.
  • Hersteller. PIR-Präsenzmelder sind im Sortiment zahlreicher Hersteller zu finden: ABB/Busch-Jaeger, Esylux, Feller, Hager, Steinel, Theben, Züblin, u.v.m. Ultraschall-Sensoren werden vor allem durch die Firma Steinel vertrieben. HF-Präsenzmelder sind beispielsweise bei Aura-Light, Hager, Sebson, Steinel und Züblin zu finden. Bei den optischen Präsenzmeldern ist aktuell erst ein Produkt für den Einsatz im Gebäude am Markt verfügbar, der HPD2 von Steinel (Stand 2019).
  • Inbetriebnahme. Bei PIR-Meldern muss der Erfassungsbereich anlässlich der Inbetriebnahme auf die Anwendung und Raumgeometrie abgestimmt werden. Dies geschieht durch eine fachgerechte Montage und das Anbringen von Blenden. Bei einzelnen HF-Sensoren kann der Erfassungsbereich ebenfalls über Blenden angepasst werden. Bei Ultraschall-Sensoren entfällt diese Möglichkeit. Besonders heikel ist die Inbetriebnahme von optischen Sensoren. Diese lassen i.d.R. nur eine bestimmte Montageart zu (bspw. Wand- oder Deckenmontage), müssen in einer vorgegebenen Höhe angebracht werden und dürfen nicht geblendet oder durch Reflektionen gestört werden.
  • Batteriebetrieb. Ultraschall- und HF-Präsenzmelder funktionieren aktiv, d.h. sie senden regelmässig ein akustisches oder elektromagnetisches Signal aus. Entsprechend erhöht sich deren Stromverbrauch gegenüber passiven Sensoren (PIR). Für den Batteriebetrieb sind Ultraschall- und HF-Präsenzmelder deshalb nur bedingt geeignet. Dasselbe gilt für optische Präsenzmelder. Hier führt die Bildverarbeitung zu einem erhöhten Stromverbrauch.
  • Erweiterte Präsenz. In einzelnen Anwendungen wird nicht nur die Präsenz (d.h. Präsenz ja/nein), sondern weitere Angaben zur Anzahl, Position, Tätigkeit und/oder Identität anwesender Personen benötigt. Solche Zusatzinformation wird manchmal als erweiterte Präsenz bezeichnet. Sie lässt sich am einfachsten erfassen mit optischen Sensoren.

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Die Forschungsgruppe widmet sich dem Einsatz von Licht, Automation und elektrischen Systemen zugunsten der Energieeffizienz und des Komforts im Gebäude. Im Vordergrund stehen dabei die individuellen Bedürfnisse des Nutzers und die sinnvolle Verbindung smarter Technologien mit der bestehenden Gebäudetechnik.

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