Erarbeitung von Grundlagen für die Integration von Elektronik im Fenster-, Türen- und Fassadenbau

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Das Institut für Fenster und Fassaden, Türen und Tore, Glas und Baustoffe

Forschungsvorhaben

Kurzbericht

Entwicklung von Grundlagen für die Integration

von Elektronik in den Fenster-, Türen- und Fassadenbau

Juli 2008

©ift Rosenheim

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Thema Entwicklung von Grundlagen für die Integration von Elektronik in den Fenster-, Türen- und Fassadenbau

Gefördert durch Bayerische Staatsministerium für Wissenschaft, For- schung und Kunst

im Rahmen der High Tech Offensive Bayern

Forschungsstellen ift Rosenheim Theodor-Gietl Str. 7-9 83026 Rosenheim

Hochschule Biberach Karlstraße 11 88400 Biberach

Projektbearbeitung Dipl.-Phys. Norbert Sack (ift) (Gesamtleitung) Dipl.- Ing. (FH) Stephan Lechner (ift)

Dipl.- Ing. (FH) Ingo Leuschner (ift) Dipl.-Ing. (FH) Thorsten Kast (ift)

Prof. Dr.-Ing. Martin Becker (HBC) Dipl.-Ing. (FH) Peter Knoll (HBC) Dipl.-Ing. (FH) Mark Lehnertz (HBC)

Institutsleitung (ift) Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Sieberath

Rosenheim, Juli 2008

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Kurzbericht Teilprojekt 13

Elektronik in Fenstern, Türen und Fassaden

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Zusammenfassung

Ziel des durchgeführten Vorhabens war es, Grundlagen und Erkenntnisse für die Integration von elektronischen oder elektromechanischen Komponenten in die Bauteile Fenster, Fassaden und Türen zu erarbeiten und zusammenzustellen.

Die konkreten Untersuchungsschwerpunkte wurden zu Beginn der Arbeiten zusammen mit der Hochschule Biberach als zweiter Forschungsstelle sowie den Industriepartnern festgelegt. Hierzu wurde eine Analyse und Bewertung der mo- mentanen Schwachstellen durchgeführt; es wurden zwei Hauptschwerpunkte er- kannt:

1. Fragestellungen, die sich durch die Integration elektromechanischer Bauelemente in das Bauwerk ergeben und

2. Fragestellungen, die sich durch die Integration elektromechanischer Bauteile ins Bauelement ergeben.

Zu Beginn des Projektes erfolgte eine Analyse der elektrotechnischen Grundnor- men hinsichtlich der bei der Integration von Elektronik zu beachtenden Punkte.

Weiterhin wurde eine Analyse der momentan wesentlich eingesetzten elektri- schen und elektronischen Komponenten durchgeführt. Hierzu wurde ein entsprechender Fragebogen entwickelt, mit dessen Hilfe bei den Projektpartnern konkrete Detaildaten erhoben wurden.

Möglichkeiten zur Leitungsführung im Bauelement wurden analysiert und bewer- tet; hierfür wurden zuerst die „möglichen Bereiche“ zur Leitungsführung festgelegt. Anschließend wurden Kriterien ermittelt, anhand derer diese Bereiche be- wertet wurden. Die Ermittlung der einzelnen Wichtungsfaktoren erfolgte mit Hilfe sog. Dominanzmatrizen. Zusammenfassend ist aus den durchgeführten Analysen und Bewertungen abzuleiten, dass nach Möglichkeit die Leitung auf der warmen,

„unbelasteten“ Raumseite verlegt werden sollte. Hierbei bietet sich das Prinzip der Umsetzung von separaten Installationszonen an. Dadurch kann eine Er- schließung des kompletten Fensters bzw. der Fassade erfolgen.

Ein weiterer Schwerpunkt lag in der Auflistung wichtiger Detailpunkte, die bei der Integration elektromechanischer Bauelemente in das Gebäude zu beachten sind.

Hierzu wurde die Umsetzung des Planungs- und Ausführungsprozesses eines Fassaden- bzw. Fensterkonzeptes anhand der einzelnen Stufen der HOAI analysiert. Für die jeweiligen Planungsphasen wurden die wichtigen Detailpunkte ermittelt und zusammengestellt. Für konkrete Fragestellungen wurden Vorschläge zur Lösung und Umsetzung erarbeitet. So wurde ein „Bezeichnungsschlüssel“

entwickelt, anhand dessen die Übergabeposition zwischen dem Gewerk Bauele- ment und dem Gewerk Haustechnik (z. B. Elektroinstallation) festgelegt werden kann. Für die praktische Umsetzung wurden hierzu auch entsprechende Empfeh- lungen erarbeitet. Neben der Festlegung, wo die Übergabe stattfindet, ist es auch wichtig, dass eine eindeutige „Übergabe“ der Funktionen der aus dem Bauele- ment austretenden Leitungen erfolgt. Hierzu wurde zusammen mit den Projekt- partnern ein „Farbschlüssel“ festgelegt, der eine einfache und praxisnahe Kenn- zeichnung der „Funktionen“ der einzelnen Leitungen erlaubt. Die im Rahmen die- ser Untersuchungen erarbeiteten Vorschläge sowie die generellen Detailpunkte, auf die im Rahmen der Planung geachtet werden muss, wurden in einer separaten ift-Richtlinie zusammengefasst.

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TP13 - 2 Kurzbericht Teilprojekt 13 Elektronik in Fenstern, Türen und Fassaden

Abbildung ift-Richtlinie zur Planung der Integration von Elektronik in Fenstern, Türen und Fassaden

An einem im Rahmen des Projektes angefertigten Demonstrator wurden Unter- suchungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit durchgeführt. Hierbei hat sich gezeigt, dass das zur Prüfung installierte Fensterelement in allen getesteten Normen die EMV-Vorschriften erfüllt. Es existierte ein genügend breiter Sicher- heitsabstand zu den Grenzwerten der Klasse B – Wohnbereich und ein noch größerer zur Klasse A – Industrieumgebung. Die im Fensterelement eingesetzten Komponenten sind als EMV-sicher einzuschätzen. Da das Fensterelement jedoch mit einer mehr oder weniger intelligenten Steuerung verbunden sein wird, kommt der Auswahl der Steuerung und der notwendigen Verkabelung eine große Bedeu- tung zu. Bei den Messungen überdeckt das von der Steuerung ausgehende und von der Verkabelung weitergeleitete Störspektrum die geringen Emissionen der Fensterfunktionen.

Im Rahmen der CE-Kennzeichnung nach EN 14351-1 stellt sich die Frage, ob sich Eigenschaften bei Austausch eines Bauteiles ändern und unter welchen Um- ständen Eigenschaften übertragen werden können. Neben den Bauteilen Be- schlag, Dichtung, Verglasung etc. wird diese Fragestellung auch beim Bauteil Motor für die Übertragung der Eigenschaften bei kraftbetätigten Elementen wichtig. Im Rahmen des Vorhabens wurden für spezielle Eigenschaften entsprechende Regeln definiert. Der Ansatz hierbei lag in der Aufsplittung der zugehörigen Prüfungen sowohl auf das Fenster als auch auf de reinen Antrieb. Durch die De- finition und Ermittlung entsprechender Parameter (Leistungseigenschaften) ist es möglich Austauschregeln zu definieren. Grundlage hierfür ist, dass der „neue“ An- trieb mindestens die gleichen Leistungseigenschaften aufweist wie der ursprüng- lich verwendete Antrieb.

Für die Antriebe wurden eine Prüfung sowie eine entsprechende Klassifizierung zur Ermittlung der Dauerfunktion erarbeitet. Hiermit ist es möglich, die Dauerfunk- tion des Antriebes unabhängig zu beurteilen. Durch die Klassifizierung ist die Austauschbarkeit des Antriebes möglich. Ebenso wurden Untersuchungen zur Luftdichtheit und Schlagregendichtheit von kraftbetätigten Fenstern ohne Verrie- gelung durchgeführt. Hierbei wirkt der Antrieb selbst als Verriegelungspunkt. Es

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war zu erwarten, dass die Steifigkeit des Antriebes einen entscheidenden Ein- fluss auf die resultierende Luftdurchlässigkeit und Schlagregendichtheit aufweist.

Anhand der Untersuchungen konnte jedoch gezeigt werden, dass die Steifigkeit des Antriebes von untergeordneter Bedeutung ist. Haupteinfluss liegt bei der Gestaltung des Fensters (Abmessung, Steifigkeit der Profile, Gestaltung der Dichtungen). Auf Grundlage der Untersuchungen wäre es vorstellbar, dass die Prüfung der Luftdichtheit und Schlagregendichtheit mit einem „Ersatzantrieb“ mit bekannter Steifigkeit durchgeführt wird. Liegt die Steifigkeit des „Ersatzantriebes“

unter der Steifigkeit der am Markt verfügbaren Antriebe, könnten die ermittelten Eigenschaften Luftdurchlässigkeit sowie Schlagregendichtheit unabhängig vom Antrieb angegeben werden.

Antrieb B Antrieb

Nachweis - EN 60335-2-103

- Dauerfunktion (Klassifizierung)

Fenster

Nachweis

- Systemprüfung nach RAL-GZ 695 - Typprüfung Fenster mit Antrieb A

Anforderungen

Antrieb B gleichwertig Antrieb A gleiche Lage und Befestigung Einschränkung bei Befestigung

Abbildung 2 Schematische Darstellung zum Konzept der Austauschbarkeit von Antrieben

Bei den Untersuchungen zur Auswirkung von Klimalasten auf die Dauerfunktion von Antrieben wurden Antriebe mit unterschiedlichen IP-Schutzarten in zwei unterschiedlichen Klimawechseln einer Dauerfunktion von je sechs Wochen unter- zogen. In diesem Zeitraum liefen die Antriebe ca. 1000 Zyklen. Am Ende der Un- tersuchungen konnte keine Abhängigkeit der Dauerfunktion von der Klassifizie- rung der Antriebe nach IP-Schutzart festgestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass kein direkter und signifikanter Zusammenhang festgestellt werden konnte, dass Antriebe mit hohen IP-Schutzarten eine bessere Dauerhaftigkeit im Wechselklima aufweisen als Antriebe mit niedrigen Schutzarten. Die reine Beurteilung der Kli- mabeständigkeit von elektronischen Komponenten, im Speziellen von Antrieben, durch IP-Schutzarten erscheint für den Einsatzzweck in der Gebäudehülle nicht ausreichend. Die Auswirkung realer Belastungen sowie der Einfluss von auftre- tendem Tauwasser im Innern der Bauteile lassen sich durch Prüfungen im Kli-

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mawechsel besser erkennen. Dies sollte bei der Auslegung und bei der Aus- schreibung von Antrieben in kraftbetätigten Elementen beachtet werden.

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Abstract

The objective of the project executed was to work out and compile basic princi- ples and knowledge regarding the integration of electronic or electromechanical components in the construction elements comprising windows, facades and doors. The specific issues to be investigated were finalised at the time of com- mencement of the project in cooperation with both the University of Biberach as the second research centre and industry partners. For this purpose the current weak spots were analysed and evaluated. Two main subjects were identified.

1. Issues, which are connected with the integration of electromechanical construction elements in the structure

2. Issues, which are connected with the integration of electromechanical components in the construction element

At the beginning of the project, the basic electrotechnical standards were analysed with respect to the issues to be taken into consideration with the integration of electronic components. In addition, the electrical and electronic components primarily used at present were analysed. For this purpose, an appropriate ques- tionnaire was drafted with the help of which specific detailed data were collected from all project partners.

The options for running cables in construction elements were analysed and evaluated. To this end, first the “possible areas” for running cables were determined. Finally, criteria were obtained on the basis of which these areas were evaluated. The individual weighting factors were obtained with the help of so- called dominance matrices. In summary, it can be concluded on the basis of the analyses and evaluations carried out that the cables should be laid on the warm

“unloaded” side of the room as far as possible. In the process the principle of implementation of separate installation zones can be made use of. With this the design of the complete window or facade can be worked out and finalised.

Another focus was the listing of important detailed points that must be taken into consideration with the integration of electromechanical components in the building. For this purpose the implementation of the planning and execution process of a facade or window design was analysed on the basis of the individual stages of the HOAI (Honorarordnung für Architekten und Ingenieure, Fee Structure for Ar- chitects and Engineers). The important details were obtained and compiled for the respective phases of planning. Recommendations for the solution and implementation of specific issues were worked out. In this manner, an “identification key” was developed on the basis of which the point of handing over between the two trades, the construction element and the building services (e.g. electrical installation) can be determined. Appropriate recommendations were worked out here too for the purpose of practical implementation. Apart from determining where the handing over takes place, it is also important that a clear “handover”

takes place of the functions of the outgoing cables from the construction element.

Towards this end a “colour key” was established together with all project partners, which permits simple and practical identification of the “functions” of the individual cables. The recommendations worked out within the framework of these investigations as well as the general detailed issues, which must be taken into consideration in the context of the planning, have been summarised in a separate set of ift guidelines.

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Figure ift guideline for the planning process regarding the integration of electromechanical building elements into buildings

Investigations were carried out with respect to electromagnetic compatibility on a demonstration unit prepared within the framework of this project. In the course of doing so it was demonstrated that the window element installed for testing com- plied with the EMC guidelines for all standards with respect to which it was tested.

There was an adequate factor of safety to the limit values of class B for residen- tial areas and an even larger one for class A for industrial environments. The components used in the window element are assessed as being EMC compliant.

Since the window element will be connected with one more or less intelligent controller, the selection of the controller and the required cabling is of prime impor- tance. The measurements confirmed that the interference spectrum emitted by the controller and conducted by the cabling overlaps the low emission values of the window functions.

Within the framework of this project, tests on power-operated windows were carried out. The purpose of the tests and investigations, on the one hand, was to check the impact of stresses induced by climatic changes on the long term performance of the drive units and, on the other, to work out transfer guidelines with respect to the CE certification in conformity with DIN EN 14351-1 when replacing the drive units.

In the context of the CE marking in accordance with DIN EN 14351-1 the issue arises whether the properties change when a particular component is replaced and under which circumstances the properties can be transferred. Apart from the components including metallic fittings, seals and gaskets, glazing etc., the above issue is also important for the motor component with respect to the transfer of properties for power-operated elements. Appropriate rules were defined for spe- cial properties within the framework of the project. The approach in this case con- sisted of splitting the associated tests between the window and the drive unit alone. It is possible to define rules for the replacement by defining and obtaining relevant parameters (performance characteristics). The basis for this is that the

“new” drive has at least the same performance characteristics as that of the drive unit used originally.

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For the drives a test as well as an associated classification was worked out to ob- tain their long term performance. It is thus possible to assess the long term performance of the drive unit independently. The classification helps in determining the interchangeability of the drive unit. Similarly, tests and investigations were also carried out with respect to establishing the air permeability and watertightness of power-operated windows without locking mechanisms. In the process, the drive unit itself acts as a locking point. It was expected that the rigidity of the drive unit has a decisive impact on the resulting air permeability and watertightness.

However, it could be established on the basis of the tests that the rigidity of the drive unit is only of low significance. The main impact comes with the design of the window (dimensions, rigidity of the profiles and design of the seals). Based on the outcome of these investigations it is conceivable that the tests for air permeability and watertightness are carried out using a “substitute drive” having a known degree of rigidity. If the rigidity of the “substitute drive” lies below that of drives available in the market, then the properties for air permeability and watertightness can be specified independently of the drive unit.

Drive B Drive

Confirmation of - EN 60335-2-103 - Durability (Classification)

window

Confirmation

- Test according to RAL-GZ 695 - Type test windwo with drive A

Requirement

Drive B equivaltent drive A Same position and fixing Limitation of fixing

Figure Schematic illustration of the concept of interchangeability of drive units

During the tests conducted for checking the impact of climatic stresses on the long term performance of drive units, drives having different IP protection classes were subjected to endurance tests lasting six weeks each in two different combi- nations of climatic change. During this period the drives were operated for about 1,000 cycles. At the end of the tests, it could be concluded that the long term performance of the drive units was independent of their classification based on the IP protection class. It was also established that there was no direct and significant correlation between drives having a high IP protection class and better durability under climatic changes as compared to those having lower IP protection classes.

The sheer assessment regarding the climatic stability of electronic components,

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particularly of drive units, based on the IP protection class, is apparently inade- quate for determining the suitability of their use in building shells. The impact of realistic stresses as well as the influence of condensation in the interior regions of the components can be analysed in a better way with the help of tests carried out under climatic changes. This should be taken into consideration when working with the design and tender specifications of drive units in power-operated elements.

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Besonderen Dank gebührt folgenden Industriepartner, die das gesamte Projekt sowohl ideell als auch finanziell unterstützt haben und somit zum Gelingen beige- tragen haben:

Aug. Winkhaus GmbH & Co. KG August-Winkhaus-Str. 31 48291 Telgte

Bundesverband Flachglas e.V.

Mühlheimer Str. 1 53840 Troisdorf Bircher Reglomat AG Hauptstrasse 22 CH-9042 Speicher Dorma GmbH & Co. KG Breckerfelder Str. 42 - 48 58256 Ennepetal Elektro Beckhoff GmbH Eiserstr. 5

33415 Verl

esco Metallbausysteme GmbH Dieselstr. 2

71254 Ditzingen EuroLam GmbH

Hinter dem Kirschgarten 30 99510 Wiegendorf

Finstral SpA Gastererweg 1

I 39050 Unterinn/Ritten BZ FLG Fenster-

Leistungsgemeinschaft GmbH Hauptstraße 62

79288 Gottenheim

heroal-Johann Henkenjohann GmbH & Co. KG

Österwieher Straße 80 33415 Verl

Holz Alu Forum e.V.

Steigäckerstr. 65 71672 Marbach/Neckar Mayer & Co. Beschläge GmbH Alpenstraße 173

A-5020 Salzburg

Reynaers Aluminium N.V.

Oude Liersbaan 266 B-2570 Duffel Roto Frank GmbH Stuttgarter Str. 145-149 70771 Leinfelden-Echterdingen SIEGENIA-AUBI KG

Industriestraße 1-3 57234 Wilnsdorf

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Somfy GmbH

Felix – Wankel – Strasse 50 72108 Rottenburg / Neckar Technoform Bautec Kunststoffprodukte GmbH Ostring 4

34277 Fuldabrück

HydroBuilding Systems GmbH Söflinger Str. 70

89077 Ulm

Wieland Electric GmbH Benzstraße 9

96052 Bamberg ZVEI

Zentralverband Elektroindustrie Fachverband Sicherheitssysteme Stresemannallee 19

60596 Frankfurt