Schon 2030: Smart Buildings werden nachhaltiger

Die pandemiebedingte Umstellung auf Remote-Arbeit hat die traditionelle Büronutzung abgelöst. Aus dieser Veränderung sind viele Möglichkeiten entstanden, um die Funktionsweise von Bürogebäuden neu zu gestalten und sie nachhaltiger zu betreiben. Zusammen mit den technologischen Innovationen hat auch das Interesse an diesem Bereich zugenommen: Die Finanzmittel von Unternehmen für intelligente Gebäudetechnologie sind bereits bis 2021 auf 2,3 Milliarden Dollar angestiegen.

Diese Tendenz lässt erkennen, dass die Bürogebäude des Jahres 2030 für die Mitarbeiter und ihre Betreiber viel besser funktionieren werden als heute. Die Effizienz von Gebäuden wird für ein umweltfreundliches und wirtschaftliches Stromnetz immer wichtiger. Dabei können neue Technologien die Arbeitsplätze energiesparender, sicherer und gesünder für die Beschäftigten machen.

Ein kürzlich veröffentlichter Bericht von CB Insights befasst sich mit den Schlüsseltechnologien, die das Bürogebäude der Zukunft prägen, zum Beispiel:

• IoT-vernetzte Wärmepumpen erhöhen die Effizienz und reduzieren Emissionen.
• Virtuelle Kraftwerke ermöglichen eine neue Einnahmequelle.
• Intelligentes Fensterglas trägt zur Temperaturregulierung bei und erhöht die Privatsphäre.
• KI-gestützte Auslastungs- und Sicherheitstechnologie schützt die Beschäftigten.
• Digitale Zwillinge unterstützen das Gebäudemanagement.

Das Problem

Weltweit stellen der Stromverbrauch und die Energieeinsparung große Herausforderungen für alle Sektoren dar, insbesondere im Industrie- und Haushaltsbereich.

Derzeit nimmt die Urbanisierung vor allem in den Industrieländern rasant zu und führt zu einem hohen Bedarf an Strom. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur ist der weltweite Energieverbrauch zwischen 1971 und 2014 um 92 % gestiegen. Etwa 80 % des weltweit produzierten Stroms wird in städtischen Ballungsräumen verbraucht, wovon der Gesamtenergieverbrauch von Gebäuden 40 % ausmacht.

Die Energieeffizienz von Häusern ist von großer Bedeutung für die Umwelt und die globale Nachhaltigkeit. Daher sind Stromverbrauch und Energieeinsparungen in der heutigen Zeit wichtiger denn je – und das auf dem Internet der Dinge (IoT) basierende Energiemanagement von Smart Buildings ist ein bedeutendes Thema.

Das IoT stärker nutzen

Die Automatisierung von Gebäuden und deren Leitsystemen ist nichts Neues. Eigentümer, Betreiber und Gebäudemanager profitieren seit Langem von der Betriebs- und Kosteneffizienz der Automatisierung von Infrastrukturen wie Sicherheit, Beleuchtung, Heizung, Lüftung, Klimatisierung (HVAC) und mehr.

Smart Buildings, die den Betriebsablauf über das Internet der Dinge (IoT) verbinden, erleichtern Aufgaben wie die Temperaturkontrolle, Sicherheit und Gebäudewartung durch Mobilgeräte und Computer.

Sensoren sind hierfür unerlässlich, denn sie ermöglichen die Erfassung und Analyse von Daten in Echtzeit, die für folgende Zwecke genutzt werden können:

• Verbesserung der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit von Gebäuden
• Senkung der Wartungskosten durch vorausschauende Instandhaltung
• Optimieren der Raumnutzung
• Verbesserung von Sicherheit, Komfort und Mieterschutz

Die Einsatzmöglichkeiten für IoT-Sensoren, die im Gebäudemanagement, der Automatisierung und in Smart-Building-Anwendungen eingesetzt werden, sind nahezu grenzenlos. Zu den vorwiegenden Anwendungsfällen gehören:

• Klimakontrolle, einschließlich Temperatur, Feuchtigkeit und Vibration
• Überwachung des Kohlenstoffausstoßes
• Stromverbrauch
• Brandschutz
• Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssysteme (HVAC)
• Beleuchtungssteuerung
• Raumbelegung
• vorrausschauende Instandhaltung
• Sicherheits- und Zutrittskontrolle
• Gebäudezustand
• Wasserüberwachung

Die drahtlose LoRa-Funktechnologie hat eine große Reichweite, eine lange Batterielebensdauer und kann trotz ihres geringen Stromverbrauchs dichte Baumaterialien durchdringen. Das macht sie zur bevorzugten Technologie für IoT-vernetzte Smart Buildings. Das LoRaWAN-Protokoll arbeitet im lizenzfreien Bereich und bietet effiziente, flexible und kostengünstige Verbindungsmöglichkeiten für IoT-Anwendungen im Innen- und Außenbereich, die nahtlos in öffentlichen, privaten oder hybriden Netzen funktionieren. Dabei ist LoRaWAN ergänzend zu Wi-Fi, Bluetooth und Mobilfunk nutzbar.

Die Bedeutung von Wärmepumpen

Der CB-Insights-Bericht weist darauf hin, dass die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HVAC) für das Wohlbefinden der Gebäudenutzer von zentraler Bedeutung ist, jedoch hohe Ausgaben verursacht. So erfordert der Betrieb von HLK-Systemen erhebliche Mengen Strom, welche für den Großteil der Energiekosten und die daraus resultierenden Treibhausgasemissionen von Gebäuden verantwortlich sind.

Wärmepumpen elektrifizieren Heizung und Kühlung, verbessern die Energieeffizienz und senken Stromkosten und Emissionen. Diese Vorteile lassen sich nutzen, indem Wärmepumpen mit IoT-Sensoren für das Energiemanagement verbunden und Räume nur bei Bedarf geheizt oder gekühlt werden.

Eine Wärmepumpe ist „ein relativ neues HVAC-Gerät, welches energieeffizient ist und im Winter mit Strom heizt.“ Diese Systeme können sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen von Gebäuden eingesetzt werden, indem sie flüssige Kältemittel bewegen, um Wärme zu entziehen oder abzugeben. Dieser Prozess kann den Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Heiz- und Kühlsystemen um 50 % senken.

Wärmepumpen ermöglichen es den Gebäudeverwaltern, die Raumtemperatur nach Bedarf zu regeln. IoT-Sensoren können den Verantwortlichen dabei mitteilen, wo sich Personen im Gebäude aufhalten und welche Räume geheizt oder gekühlt werden müssen.

Diese IoT-Sensoren können die Effizienz weiter verbessern, indem sie mithilfe künstlicher Intelligenz (KI) auf der Grundlage früherer Ereignisse aktiv vorhersagen, wo und wann Heizung oder Kühlung benötigt werden. KI bietet die Möglichkeit, HVAC in ein proaktives und nicht reaktives System zu verwandeln, welches den Wartungsaufwand für die Gebäudeverwalter reduziert.

Dabei ergeben sich die folgenden Auswirkungen:

• Da sich die Verbraucher von fossilen Brennstoffen abwenden, sind mehr Regularien für die Energieeffizienz von Gebäuden und zur Reduzierung von Treibhausgasen zu erwarten.
• Wärmepumpen sind dazu prädestiniert, Vorteile aus diesen neuen Vorschriften zu ziehen, indem sie den Energieverbrauch von Gebäuden und die Treibhausgasemissionen reduzieren. Dabei konzentriert sich die Anwendung auf wohlhabende und energiereiche Regionen der Welt (ähnlich wie bei Elektrofahrzeugen).
• Mit steigendem Interesse an der Technologie werden mehr Start-ups maßgeschneiderte Verbesserungen für Bürogebäude mit der Wärmepumpentechnologie auf den Markt bringen. Die Branchenriesen werden sich dem Wettbewerb stellen, um ihre Technologie an verschiedene Umgebungen anzupassen.
• Wärmepumpensysteme in Bürogebäuden werden mit IoT-Energiemanagementsystemen gekoppelt, um besser zu steuern, wo und wann Energie zum Heizen und Kühlen verwendet wird.
• Spitzensysteme werden durch KI erweitert, um den Heiz- und Kühlbedarf vorherzusagen und so die Effizienz weiter zu steigern.

Vor allem in den kalten Regionen der Welt werden Wärmepumpen immer beliebter – insbesondere in Europa und Asien. Ihr jährlicher Absatz in der EU hat sich seit 2015 mehr als verdoppelt. Außerdem fördert das Vereinigte Königreich aktiv die Umstellung auf Wärmepumpen, um fossile Brennstoffe für die Gebäudeheizung zu ersetzen.

Eine Vielzahl von Unternehmern steigt in die Smart-Building-Technologie ein: Von Industriekonzernen wie GE und Toshiba, über Versorgungsunternehmen wie National Grid und NextEra Energy, bis hin zu Öl- und Gasunternehmen wie Shell und TotalEnergies. Auch Tech-Giganten wie Amazon und Microsoft haben auf diesen Markt gesetzt und Partnerschaften geschlossen.

Andere Lösungen

Sie können es sich nicht leisten, heute in Wärmepumpen zu investieren? Das ist kein Problem. Es braucht nicht viel, um den Energieverbrauch in Smart Buildings zu senken. Er kann zum Beispiel durch eine einwandfreie Belegungserkennung erheblich reduziert werden. Dieser Ansatz bietet eine hervorragende Möglichkeit zur Energieeinsparung. Zur Erkennung der Besetzung einzelner Büros wurde beispielsweise eine kostengünstige Sensorplattform entwickelt und implementiert. Die Schätzung der Belegungszahlen kann zwar zu weiteren Energieeinsparungen in Gebäuden führen, jedoch erfordert dies ein System, das die Auslastung genau erkennen und Informationen darüber liefern kann.

Im Sommer ist die Kühlung beispielsweise der größte Energieverbraucher.

Haben Sie schon einmal darüber nachgedacht, die Temperatur in Ihrem Büro zu überwachen? Das ist wichtiger, als Sie vielleicht denken. Zu wissen, wie warm es in jedem Raum und Büro ist, hat nicht nur den Vorteil, dass Sie Geld für die Kühlung sparen – sie sorgen auch für ein besseres Klima für Ihre Mitarbeiter. Wenn Sie große Schwankungen der Raumtemperatur feststellen, dann kann der Grund dafür eine schlechtes Lüftungsverhalten sein. Zum Beispiel, wenn Sie die Klimaanlage oder Heizung auf die höchste Stufe stellen und gleichzeitig das Fenster öffnen, um eine angenehmere Temperatur zu erreichen.

Viele Anbieter, wie zum Beispiel Kentix, bieten physikalische Sensoren zur Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und anderen Umgebungsbedingungen an. In der Regel unterstützen diese Geräte SNMP. Da die meisten Standard-Überwachungslösungen problemlos mit dieser Technologie arbeiten lassen sie sich außerdem spielend in die allgemeine IT-Überwachung integrieren. Einige Monitoring-Tools verfügen bereits über vordefinierte Geräteeinstellungen und können viele Umgebungssensoren sofort überwachen.