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Fachbeitrag: Gebäude im digitalen Wandel

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 Die Digitalisierung macht auch vor dem Gebäudesektor nicht Halt. Wie können innovative Technologien insbesondere den Bewohnern zugute kommen?

Der Beitrag ist zuerst in der GI 1/19 erschienen.

Gebäude sind Spiegel unserer Gesellschaft. Verändern sich gesellschaftliche und demografische Anforderungen, verändern sich auch die Gebäude, in denen wir leben und arbeiten. Derzeit zeichnet sich eine solche Entwicklung mit der Digitalisierung von Gewerken, Prozessen und Services deutlich ab. Unsere Gebäude sind auf dem Weg zum Internet der Dinge (IoT) (Bild 1). Dabei sollen sie den Herausforderungen einer alternden Bevölkerung sowie zunehmend knappen und teuren Wohn- und Gewerbeflächen in Städten begegnen. Innovative Technologien wie energieautarke Funksensoren liefern die benötigten Daten in Echtzeit, um Gebäude bedarfsabhängig und flexibel nutzen zu können – für wechselnde Anforderungen, ältere Generationen, die möglichst lange in der eigenen Wohnung leben wollen, und einen nachhaltigen Betrieb. Ein Fachbeitrag von Armin Anders.

Gebäude digitaler Wandel enocean IoT B1

Bild 1: Im IoT vernetzte, intelligente Gebäude liegen im Trend. Die Vernetzung unterstützt bei der Reduzierung von Betriebskosten, beim Einsparen von Energie und beim Management der Gebäudenutzung. (Quelle: metamorworks / Thinkstock / EnOcean)

1. Einleitung

Räume in Gewerbeimmobilien sind im Schnitt nur zu etwa 67 % ausgelastet [1]. Damit ist fast ein Drittel der Flächen nicht richtig genutzt und verursacht unnötige Kosten. Demgegenüber stehen ökologische Aspekte, die besonders energieeffiziente Gebäude erfordern. Gleichzeitig verändern sich unsere Lebens- und Arbeitswelten mit flexiblen Modellen, die sich an individuelle Komfortbedürfnisse für Jung und Alt sowie an hohe Produktivitätsanforderungen anpassen. Das lässt sich nur mit hochflexiblen Architekturen umsetzen, die unterschiedliche Nutzungsszenarien und eine einfache Rekonfiguration von Flächen ermöglichen. Es sind nicht nur die Gebäude selbst, die sich modular verändern können müssen, sondern vor allem die technischen Systeme.

2. Nachhaltige Gebäudekonzepte

Der Schlüssel dazu liegt in der Digitalisierung auf Basis von flexiblen, wartungsfreien Sensoren, die Echtzeitdaten an IoT-Systeme liefern. Diese verwenden die Informationen, um den genauen Nutzungsbedarf von Flächen und Geräten zu erfassen und Gewerke oder auch Dienstleistungen entsprechend intelligent zu steuern. Dadurch erfüllt ein digitales Gebäude die folgenden drei wichtigen Nachhaltigkeitsaspekte.

2.1 Ökologie

Die ökologische Nachhaltigkeit hat zum Ziel, unsere Umwelt und ihre wertvollen Ressourcen für nachfolgende Generationen zu erhalten. In der digitalisierten Automation sind das zum einen ein effizienter Umgang mit Energien sowie eine deutlich reduzierte CO2-Bilanz. Zum anderen schließt sie aber auch den Einsatz von umweltfreundlichen Materialien mit ein bei gleichzeitig reduzierten Werkstoffen, für die begrenzte Ressourcen wie beispielsweise Kupfer verwendet werden.

2.2 Ökonomie

Ebenso wichtig ist ein möglichst ökonomischer Gebäudebetrieb. Dabei sollte die Wirtschaftsweise einer Immobilie so ausgelegt sein, dass sie dauerhaft eine tragfähige Grundlage für optimalen Erwerb und damit Wohlstand bietet. Automation, die sich flexibel an den individuellen Gebäudebedarf anpassen muss, ist hier ein wesentlicher Gesichtspunkt. Dazu gehört auch die einfache Nachrüstbarkeit von weiteren Funktionen, die einen veränderten Bedarf oder neue gesetzliche Regelungen berücksichtigen. Dies führt zu einer attraktiven Total Cost of Ownership (TCO, Gesamtbetriebskosten), die Investitions­- und Betriebskosten, Umbaumaßnahmen und Entsorgung umfasst.

2.3 Soziale Aspekte

Der Faktor Mensch spielt bei der Digitalisierung eine ganz entscheidende Rolle. Im Sinne einer sozialen Nachhaltigkeit, die eine Partizipation für alle Mitglieder einer Gemeinschaft ermöglicht, muss ein System für eine angenehme Arbeits- oder Wohnumgebung sorgen. Dabei stehen die individuellen Bedürfnisse der Nutzer, ihre Gesundheit und Arbeitsproduktivität im Mittelpunkt.

3. Hybride Systemarchitekturen

Daten sind die Quelle der Digitalisierung und damit des Internets der Dinge. Sensoren hierzu erfordern zur Anbindung an das IoT eine passende Infrastruktur, die die spezifischen Anforderungen der auszutauschenden Datenmenge (Geschwindigkeit, Volumen), der benötigten Reichweiten sowie der geeigneten Transportmedien (Draht, Funk) und der zur Verfügung stehenden Energiequellen erfüllt. In der Realität lässt sich das nicht mit einer einzigen Technologie verwirklichen, vielmehr sind hybride Systeme die Lösung, die sich meist aus folgenden Kernelementen zusammensetzen:

  • Über WLAN lassen sich per Funk große Datenmengen flexibel über begrenzte Entfernungen austauschen. Aufgrund des hohen Stromverbrauchs ist es jedoch nicht für drahtlose Sensoren geeignet.
  • Glasfaser-, Ethernet- oder Kupferkabel sind ideale Medien, um große Datenmengen mit minimaler Latenz und hoher Zuverlässigkeit im gesamten Gebäude zu transportieren. Ihre Flexibilität ist jedoch stark begrenzt, da hier­ für immer Kabel installiert werden müssen.
  • Sogenannte Ultra­-Low-­Power-­Protokolle wie EnOcean (ISO/IEC 14543­-3­-1X –> siehe Bild 2), Zigbee Green Power oder Bluetooth Low Energy (BLE) kombinieren einen sehr geringen Stromverbrauch mit der Flexibilität des Funks. Sie eignen sich besonders zur Übertragung von Messdaten oder Steuerungsbefehlen und ermöglichen vollkommen energieautarke und damit wartungsfreie Sensoren.

ISOIEC Standards Gebäude B2 n

Bild 2: Die minimale Telegrammlänge des ISO/IEC-Standards beträgt 0,7 Millisekunden (ms) bei einer Datenrate von 125 Kilobit pro Sekunde (kBs). Das Protokoll benötigt für die Übertragung von einem Byte Nutzdaten lediglich einen Protokoll-Overhead von sieben Byte. Obwohl die Sendeleistung bis zu zehn Milliwatt beträgt, hat die Funkübertragung nur einen Energiebedarf von 50 Mikrowattsekunden pro Einzeltelegramm. (Quelle: EnOcean GmbH)

4. Die Rolle energieautarker Sensoren

Über 90 % der Gebäude sind Bestandsimmobilien. Für die Nachrüstung einer umfassenden digitalen Infrastruktur kommen deshalb vor allem drahtlose Lösungen infrage. Nur dadurch stehen Kosten und Nutzen im richtigen Verhältnis. Die technische Grundlage sind Funksensoren, die die benötigten Daten von zahlreichen Punkten im Gebäude liefern. Ein IoT-­Gateway vernetzt die Sensoren und Aktoren über das Internet mit cloudbasierten Plattformen wie IBM Watson, Microsoft Azure, Amazon Echo, Apple HomeKit, Google Home oder Crestron.

Ein großer Nachteil von Funk ist die Stromversorgung der Komponenten über Batterien, denn sie müssen regelmäßig gewechselt werden und können Ausfälle verursachen. Für Systeme mit Hunderten Sensoren sind Batterien aufgrund der mangelnden Zuverlässigkeit keine Option. Als wartungsfreie Alternative haben sich deshalb inzwischen energieautarke Funksensoren etabliert.

Energieautarke Sensoren und batterielose Schalter nutzen die Energie, die ihnen die unmittelbare Umgebung zur Verfügung stellt. Statt Batterien oder Kabel dienen Bewegung (Tastendruck –> siehe Bild 3), Licht (Raumbeleuchtung, Sonneneinfall) oder Temperaturdifferenzen (Temperaturunterschied zwischen Heizkörper und Umgebung) als Energiequelle. Ein Batteriewechsel ist nicht notwendig. Damit dienen sie einer ökologischen Nachhaltigkeit und bieten die geforderte Zuverlässigkeit.

Batterielose Funksensoren sind zudem nicht nur frei platzierbar und jederzeit erweiterbar, sondern auch wartungsfrei. Sie ermöglichen die Digitalisierung von Gebäuden mit Tausenden Datenpunkten und können von jeder Stelle die benötigten Informationen für eine umfassende, flexible und bedarfsabhängige Steuerung bereitstellen.

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Bild 3: Bei der batterielosen Funktechnologie erzeugen kleinste Energiewandler die Energie für die Funkkommunikation. Dadurch arbeiten Schalter, Sensoren und Aktoren energieautark. Ein elektromechanischer Wandler beispielsweise nutzt die Bewegung eines Tastendrucks, ähnlich wie ein Dynamo. (Quelle: EnOcean GmbH)

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