Smart bauen: Sind vernetzte Klimaanlagen umweltschonender?

Vernetzte Lösungen für das eigene Heim gibt es schon seit Jahren, Stichwort: Smart Home. Gerade im Hochpreissegment von Mietimmobilien haben sich clevere Lösungen für Haus und Haushalt bewährt. Sie einzuführen, kostet aber Geld. Deshalb sind sie auch in Europa noch kein Massentrend.

Vor dem Hintergrund der laufenden Klimadebatte lohnt es sich jedoch, der Frage nachzugehen, wie sehr das Internet of Things dabei helfen kann, Energie zu sparen. Gerade IoT-Lösungen für Klimaanlagen, oder genauer HLK (Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen), machen in der Branche gerade Schule. Lohnt sich das?

HLK als größter Energieverbraucher

Laut Daten der EU-Kommission sind Gebäude für 40 % des Energieverbrauchs in der EU verantwortlich. Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) stellen zwar nur einen kleinen Teil der Infrastruktur. um die Luft zu konditionieren und im gesamten Gebäude zu verteilen. Gerade Klimaanlagen sind wahre Energiefresser, weshalb sie in Europa auch nicht sonderlich beliebt sind. Mit steigenden Temperaturen im Sommer werden sie aber sowohl im Privatbereich als auch in Büros schlicht notwendig. Steigende Stromkosten sind die Folge, denn alles in allem sind HLK-Systeme für bis zu 60% des gesamten Stromverbrauchs des Gebäudes verantwortlich. Smartes Bauen sieht anders aus.

Dies kann folgende Gründe haben: 

• Eine Frage der Prioritäten. Besonders in Mietimmobilien stehen Heiz- und Klimasysteme nicht auf der Prioritätenliste von Vermietern und Hausverwaltungen. Es wird eher nachgebessert als ausgetauscht. In Deutschland hat die Politik erst jüngst das neue Gebäudeenergiegesetz verabschiedet (GEG) - es ist zu erwarten, dass dies die Prioritätensetzung deutlich verändert.
• HLK-Systemen sind schwierig zu überwachen. Die HLK-Infrastruktur ist sehr komplex und besteht aus mehreren Elementen. Der Ausfall eines einzelnen Elements kann einen Systemabsturz verursachen. Wegen einen verschmutzten Luftfilter wird das ganzen HLK-System überlastet, um die Behinderung des Luftstroms zu überkompensieren. Dies macht einen Systemausfall auf lange Sicht unvermeidlich.
• Fehlende HLK-Wartung. Immobilienbesitzer, ob privat oder gewerblich, neigen dazu, die Instandhaltung auf die lange Bank zu schieben - warum reparieren, wenn es nicht kaputt ist? - und verzögern die routinemäßige Wartung, bis es zu spät ist. Richtige Anpassungen helfen jedoch, aufkommende Probleme frühzeitig zu erkennen, die Leistung von HLK-Geräten zu optimieren und schließlich die Lebensdauer der installierten Geräte zu verlängern.
• Unaufhörliches Aus- und Einschalten von AC-Geräten. Ein weit verbreiteter Mythos besagt, dass man die Klimaanlage beim Verlassen des Gebäudes nicht abschalten sollte, um eine unnötige Belastung des Systems zu vermeiden.

Die Folgen: zu hohe Stromkosten, veraltete oder gar beschädigte Geräte. Wenn etwas mit der Heizungsanlage ist, führt das in der Regel zu umfangreichen Reparaturen. Und nicht zuletzt sind vorhandene HLK-Anlagen oft umweltschädlich:

Hier soll das Internet of Things Abhilfe schaffen können. Aber wie?

Wie IoT die Energieeffizienz verbessert: drei Use Cases

Schon recht weit verbreitet sind - dank der mittlerweile kostengünstigen Wireless-Technologie - Sensormessungen im HLK-Bereich. Mittlerweile sind auch Datenspeicher- und Cloud-Computing-Lösungen auf dem Markt, mit der Gebäudebetreiber auf verschiedene HLK-Sensordaten wie Temperatur, Druck, Durchflussrate und Gaskonzentration zugreifen. Diese ermöglichen verschiedene energiesparende Funktionen, mit der effektive Strom- und Kostensenkungen erreicht werden können.

1. Smarte HLK-Steuerung

Es wird viel Energie verschwendet, weil unbenutzte Räume gekühlt oder beheizt werden. Smarte HLK-Steuerungen optimieren die Menge an konditionierter (beheizter oder gekühlter) Luft im gesamten Gebäude. Ein System, das CO2-Werte, Belegung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, statischer Druck in den Kanälen und Luftqualität misst, kann den heißen oder kalten Luftstrom an die richtigen Stellen lenken.

Ein Beispiel: Das Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) stattete ihre Dachgeräte mit fortschrittlichen Controllern, die mehrstufigen Ventilatoren, Economizern und Lüftungssteuerungen umfassen. Dies führte zu etwa 50% Stromeinsparungen.

2. Steuerung mehrerer Zonen

Der Fachjargon kennt zwei Wege, um die Nutzung des klimatisierten Luftstroms zu kontrollieren:

• VAV (Variable-Air-Volume)-Mehrzonensysteme, in dem Sensoren in jedem Bereich installiert sind und individuell gesteuert werden 
• CAV (Constant Air Volume)-Systeme, die von einer Einheit bedient werden und weniger flexible Steuerungsoptionen bieten. Sie sehen keine Zonensteuerung vor und schalten den Luftstrom auf der gesamten Etage ab.

Das Unternehmen Adobe hat sich bei der Klimatisierung und Heizung ihres Hauptsitzes für den VAV-basierten Ansatz entschieden. Das Bürogebäude wurde in so genannte Nachbarschaften unterteilt. Wenn eine von ihnen länger als 15 Minuten unbesetzt bleibt, schaltet sich das HLK-System dieser Gruppe automatisch ab.

So konnte Adobe den Energieverbrauch um 65% reduzieren, trotz gleichzeitiger Erhöhung der Mitarbeiterzahl.

3. Fehlererkennung und Diagnostik

HLK-Systeme sind regelmäßigen Lecks, Verstopfungen und Verschleiß ausgesetzt, was im Laufe der Zeit zu einer natürlichen Verschlechterung des Systems führt. Zur frühzeitigen Erkennung und Priorisierung von Fehlern sind IoT-fähige HLK-Systeme mit der automatisierten Fehlererkennung und Diagnose (FDD) ausgestattet, die eine Kombination von Sensoren und Algorithmen umfasst. 

Moderne FDDs können nicht nur Störungen im HLK-System zeigen, sondern auch das genaue Problem und seine Ursache ermitteln.

Zum Beispiel hatte Microsoft 2 Millionen Datenpunkte auf seinem Hauptcampus mit 123 Bürogebäuden in Redmond, Washington. Die produzierten Daten wurden zu einer einzigen Output zusammengeführt, was die Grundlage für ein neues Predictive Maintenance gebildet hat. Wartungskontrollen, die früher Wochen dauerten, können nun binne weniger Minuten durchgeführt werden. Insgesamt erzielte Microsoft Energieeinsparungen von etwa 10% pro Jahr. 48% der festgestellten Fehler wurden innerhalb von gerade einmal 60 Sekunden korrigiert.

IoT-basierte Architektur von HLK-Lösungen

Sehen wir uns eine vernetzte HLK-Lösung einmal genauer an. Eine HLK-Architektur umfasst folgende Komponenten:

• HLK-Sensoren, einschließlich Temperatur-, Bewegungs-, Lichtsensoren usw.
• Aktuatoren - nehmen den elektrischen Input von Sensoren auf, setzen den in eine Aktion um und steuern Geräte und Maschinen
• drahtloses Sensornetzwerk - sendet Daten an das Gateway und in die Cloud 
• Gateway - ermöglicht die Weiterleitung von Daten in das smarte HLK-System und stellt eine bidirektionale Kommunikation vom Gerät zum Gateway und vom Gateway zur Cloud her
• Cloud-Ressourcen - ermöglichen die Verwaltung von Daten, die von Sensoren gesammelt wurden
• Embedded-Geräte wie Handys und Tablets - ermöglichen es den Benutzern, aus der Ferne auf die HLK-Geräte zuzugreifen und sie zu verwalten

Wie diese Elementen im Netzwerk funktionieren

• Die HLK-Software interpretiert Informationen von Sensorpunkten und verwaltet die empfangenen Informationen in Echtzeit in einem Cloud-basierten System
• Dieses System ist mit einer Cloud-Analyseplattform verbunden, wo Daten gefiltert, gesammelt und geteilt werden.
• Eingebaute Algorithmen nutzen die Datenbankinformationen, um die vorbeugende Wartung zu ermöglichen und die Überwachung und Steuerung des HVAC-Systems zu optimieren.
• Die Software generiert dynamische Warnmeldungen, sobald sie abnormales Verhalten feststellt, z.B. wenn der Stromverbrauch das festgelegte Niveau überschreitet.

Diese fortschrittlichen Steuerungen können den HLK-Verbrauch beim Spitzenenergiebedarf und in unbewohnten Gebäudezonen optimieren sowie Fehler erkennen und diagnostizieren.

Sind vernetzte Klimanlagen also klimaschonender? Eindeutige Antwort: ja. Ein Full-Stack-Unternehmen wie Softeq ist prädestiniert für den Aufbau solcher Systeme, denn das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten von Software bis Embedded Systems ist entscheidend.

Vier Tipps, wie Sie die Effizienz von IoT-fähigen HLK-Systemen maximieren

Sie planen, ein vernetztes HLK-System aufzubauen? Dann haben wir vier Ratschläge aus unserer eigenen Projekterfahrung:

• Die Entwicklung des HLK-Systems detailliert planen. Zu Beginn des Projekts ist es immer sinnvoll, klare Use Cases für angeschlossene Sensoren und IoT-Geräte zu identifizieren. Werden User mehrere HLK-Systeme gleichzeitig fernsteuern können? Wird die mobile App nur einen Gerätetyp steuern (z.B. einen Thermostat), oder wird sie auch mit anderen Geräten verbunden (Deckenventilatoren, Warmwasserbereiter usw.)?  Wird die mobile App sowohl iOS- als auch Android-Geräte unterstützen? 
• Von Anfang das Remote-System mitdenken. Wenn das Internet ausfällt oder der Geräteakku leer ist, sollte eine Fernbedienung die lokale Kontrolle, Speicherung und Aktualisierung ermöglichen.
• Nicht bei der Sicherheit sparen. Entwickler erfolgreicher IoT-basierter HLK-Systeme arbeiten mit dem Zero-Trust-Modell. Sicherheitsprotokolle schützen jede Verbindung und jedes Element des Systems, außerdem den Datenfluss zu bzw. von dem angeschlossenen Gerät, der Cloud, dem Mobiltelefon und der Webanwendung. Rollenbasierte Zugriffskontrolle (RBAC), Ende-zu-Ende-Datenverschlüsselung und Überwachung des Gerätestatus sind nur einige der Methoden, die ein erfahrener IoT-Entwickler in das System einbinden kann. 
• Over-the-Air (OTA)-Updates sicherstellen. Um das HLK-System nach der Installation weiter zu verbessern, denken Sie über eine zusätzliche OTA-Kommunikation nach. Dadurch können Sie das System ohne unnötige Verzögerungen modifizieren, neue Funktionen hinzufügen und die Firmware der installierten HLK-Geräte aktualisieren.