Die Digitalisierung der Welt schreitet voran. Dazu tragen Technologien wie Virtual Reality, Edge-Computing, Künstliche Intelligenz (KI) usw. bei. Weitgehend von menschlichen Eingriffen unabhängige Umsetzungen dieser Technologien werden heute häufig als „smart“ oder intelligent bezeichnet, wie z. B. in Smartphone, Smart Watch und Smart Cities. Und wenn über Städte gesprochen wird, rücken natürlich zuerst die Gebäude ins Blickfeld, weil das Dach über dem Kopf für uns Menschen einigermaßen unverzichtbar ist. Daraus resultiert der nie endende Bedarf an Ressourcen für Instandhaltung und Betrieb der Gebäude, solange diese bewohnt sind.
Seit der Entwicklung des Konzepts „Smart Cities“ werden die Gebäude als primäre Komponenten betrachtet, die mittels Digitalisierung intelligent gemacht werden müssen. Auf der anderen Seite steigt mit dem rasanten Wachstum von Digitalisierung und Entwicklungsprojekten der Energiebedarf immer schneller. In einer modernen Gesellschaft haben Wohn- und Gewerbeimmobilien aufgrund der komplexer werdenden Anforderungen den höchsten Energiebedarf. In Industrieländern liegt der Energieverbrauch der Gebäude bei 20 – 40 % des Gesamtenergieverbrauchs. Das macht die Gebäude zu Hauptverursachern von Treibhausgasen, die die globale Erwärmung bereits auf alarmierende Werte gesteigert haben.
Indem wiederum die Digitalisierung – in diesem Fall zum Einsparen von Energie – zum Einsatz kommt, können Gebäude energieeffizienter gestaltet werden. Mit Technologien wie IoT (Internet of Things) und erneuerbaren Energien können neue und bestehende Gebäude in Niedrigstenergiehäuser (nZEB) umgestaltet werden. Diese Gebäude können den größten Teil ihres Energiebedarfs lokal aus alternativen Quellen erzeugen und beeinträchtigen die Umwelt entsprechend wenig. Hier eröffnet sich eine großartige Gelegenheit zur Einsparung von Energie. Dabei kommen unterschiedliche Ansätze zur Anwendung. IoT ist eine der wichtigsten Technologien zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zum Erreichen der Nachhaltigkeitsziele.
Grundlagen der Integration von IoT in Gebäuden
Der primäre Zweck jedes IoT-Geräts besteht in der Bereitstellung nahtloser Internet-Konnektivität – unabhängig vom Ort, an dem sich das Gerät befindet. Potenziell wird so eine nahtlose Interaktion zwischen Gadgets und Haushaltsgeräten in intelligenten Räumen möglich – mit menschlichen Eingriffen oder ohne. Internet-Konnektivität, die heute auch an entlegenen Orten meist problemlos möglich ist, erlaubt die Nutzung dieser intelligenten Geräte – von einfachen Sensoren über Haushaltsgeräte bis hin zu Smartphones – nahezu überall. Intelligente Gebäude bestehen aus einer Vielzahl von Komponenten, die mit IoT „smart“ gemacht werden können, um den Energieverbrauch zu reduzieren und umweltfreundlichere Gebäude zu schaffen.
IoT-Lösungen ermöglichen eine effiziente Nutzung der in Gebäuden verfügbaren erneuerbaren Energien, unterstützt durch intelligente Algorithmen und Cloudtechnologien im Internet. Benutzer profitieren von gesteigerter Flexibilität, die ihrerseits zur Entwicklung intelligenter und nachhaltiger Städte beiträgt. Gemäß der EU-Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (EPBD) bezeichnet der Begriff „intelligente Gebäude“ Niedrigstenergiehäuser mit Sensorsystemen für die intelligente Überwachung, automatische Steuerung, Diagnose, Fehlererkennung und Supervision unter Berücksichtigung von Umweltfaktoren und Benutzerbedarf.
Die vielfältigen Operationen in Gebäuden können als Quelle für die Erfassung der Daten von IoT-Geräten genutzt und zur Optimierung und Unterstützung der Energiemanagementsysteme von Gebäuden herangezogen werden. Systeme für die Präsenz- und Positionserkennung von Menschen können genutzt werden, um Beleuchtung, Fensterjalousien und das HLK-System (Heizung, Lüftung und Klimatisierung) zu steuern. Die RGB-LED WS2812S mit integriertem Treiberchip von Seeed Technology dient als intelligente Beleuchtungssteuerung und als Signalverstärkungskreis.
Zudem kann Architectural Programming eingesetzt werden, um IoT-Lösungen schon zu Beginn der Entwicklung zu integrieren. Das steigert die Effizienz des Projekts, indem die Kosten begrenzt und wiederholte Entwicklungen für vorhandene Gebäude vermieden werden.
Typischer Aufbau eines intelligenten Gebäudes für hohe Energieeffizienz (Bildrechte: Energies 2022, 15, 5991)
Verfahren für die Implementierung eines energieeffizienten Gebäudes
Beim Optimieren der Energieeffizienz müssen alle Stadien im Lebenszyklus des Gebäudes berücksichtigt werden, weil die Zukunft nachhaltiger Gebäude aus den in diesen Stadien erfassten Leistungsdaten entwickelt werden muss. Für jeden Gebäudetyp gelten unterschiedliche statische und dynamische Faktoren, die sich auf den Energieverbrauch auswirken und die basierend auf den erfassten Daten modelliert werden können. Auf Grundlage dieses Modells können wir die Daten quantifizieren und Strategien für den Weg zu höchster Energieeffizienz vorschlagen. Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren können die folgenden Maßnahmen ergriffen werden, um ein energieeffizientes Gebäude zu schaffen:
Gebäudeüberwachung
Weil die meisten Gebäude unterschiedlich aufgebaut sind, ist die Erfassung von Daten zum Energieverbrauch, zum Verhalten der Bewohner bzw. Benutzer des Gebäudes, zur insgesamt aus erneuerbaren Quellen erzeugten Energie usw. der erste Schritt auf dem Weg zur Optimierung des Energieverbrauchs. Diese Daten werden verwendet, um Modelle zu erstellen, auf deren Grundlage Geräte energieeffizient gesteuert werden können, ohne die Bequemlichkeit der Bewohner bzw. Benutzer des Gebäudes zu beeinträchtigen. Das Drahtlosmodul MD-42688-P mit mehreren Sensoren von InvenSense ermöglicht eine für IoT-Anwendungen geeignete Datenerfassung und Überwachung.
Automatisierungssystem
Mit IoT-Geräten und Sensoren lassen sich viele Operationen im Gebäude automatisieren. Subsysteme wie HLK und Beleuchtung können in Abhängigkeit von der Präsenz von Personen gesteuert werden. Sogar die Sicherheit des Gebäudes kann verbessert werden, indem unerwünschtes Verhalten verfolgt bzw. die nicht autorisierte Präsenz von Personen in einem Sicherheitsbereich verfolgt wird. Der Sensor SEN0395 von DFRobot erkennt mittels Wellenradar die Anwesenheit von Menschen in einem Umkreis von 9 m.
Feedback und Einbeziehung der Benutzer
Der Betrieb all dieser energieeffizienten Systeme wird am Komfort der Gebäudebenutzer ausgerichtet. Deshalb ist gelegentliches Feedback von Benutzern sehr wichtig. Das System kann den Betrieb dann auf Basis dieses Feedbacks justieren und der Benutzer kann auf die zugrunde liegenden Systeme Einfluss nehmen.
Zukunftssicher mit energieeffizienten Designs
Umfangreiche Forschungstätigkeit hat zur Entwicklung von Konzepten geführt, die signifikante Auswirkungen auf die Nutzung von Energie in Gebäuden haben. Die anfänglichen Lösungen basierten auf Simulationstools mit unterschiedlichem Funktionsumfang, die der Evaluierung des gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes dienten. Später wurden mithilfe der oben erörterten Energieeffizienzvorkehrungen Infrastrukturen gebaut. Beschränkungen wurden aufgrund der Kosten und der Schwierigkeiten bei der Bereitstellung erforderlich. Dank der Fortschritte im Bereich der KI wird KI als Möglichkeit betrachtet, intelligente Entscheidungen zur Lösung der oben genannten Probleme zu treffen. All diese Techniken sind Sprungsteine auf dem Weg in die Zukunft intelligenter Gebäude.
