Pictures of the Future      Frühjahr 2008

Intelligenter Wetterfrosch

Regionale Wettervorhersagen werden immer genauer. Forscher aus der Schweiz wollen mit diesen Daten ein angenehmes Raumklima in Gebäuden schaffen – bei minimalen Energiekosten. Für den Praxisbezug sorgen Ingenieure von Siemens.

Es gibt Ideen, die liegen jahrzehntelang in der Luft, bis plötzlich ihre Zeit reif ist. Etwa diese: Man nehme die immer präziseren Wettervorhersagen und verwende sie zur vorausschauenden Steuerung von Gebäuden. So könnte man die Heizung automatisch hochfahren, wenn eine Kaltfront im Anmarsch ist – und sie wieder ausschalten, sobald wärmere Temperaturen vorhergesagt sind. Das würde für ein angenehmes Raumklima sorgen und Energie sparen, weil man nicht unnötig heizen oder kühlen muss.

Heutige Anlagen zur Gebäudeautomatisierung messen meist nur aktuelle Umgebungswerte wie Außentemperatur oder Sonnenstrahlung, um Heizung, Klimaanlage oder Jalousien zu steuern. Ein pfiffiger Hausmeister wird vielleicht manchmal die Anlagen je nach Vorhersage und persönlicher Erfahrung einstellen. Automatisch funktioniert das noch nicht.

Dies soll sich in wenigen Jahren ändern. Dazu wollen Schweizer Forscher im Projekt OptiControl Innovationen aus der Regelungstechnik, der Wettervorhersage und der Gebäudetechnik kombinieren. Mit dabei ist auch die Siemens-Division Building Technologies (Siemens BT) in Zug bei Zürich. "Unser Ziel ist maximaler Komfort bei minimalen Energiekosten", erklärt Dr. Jürg Tödtli, der bei Siemens BT die europäischen Forschungsaktivitäten für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaprodukte leitet. "Wie sinnvoll der Einsatz von Wetterprognosen ist, werden wir natürlich erst am Ende sagen können – ich sehe hier aber eine große Chance."

Etwa ein Dutzend Mitarbeiter und fünf Institutionen sind seit Mai 2007 an OptiControl beteiligt: neben Siemens das Schweizerische Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie (Meteo- Schweiz) in Zürich, das Forschungsinstitut für Materialwissenschaften und Technologie (EMPA) in Dübendorf sowie zwei Institute der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich: das Institut für Automatik und die Systems Ecology Group vom Institut für Integrative Biologie. Siemens beteiligt sich mit drei Mitarbeitern, außerdem hat Siemens BT die Grundkonzepte entwickelt und seine Marktkenntnis für gebäudespezifische Regelungstechnik beigesteuert.

Autarke Berghütte. Eine erste Ahnung von OptiControl wird die neue Monte-Rosa-Berghütte des Schweizer Alpen-Clubs (SAC) vermitteln, die im Sommer 2009 eröffnet werden soll. Sie ist ein Projekt der ETH Zürich und des SAC mit Unterstützung von zahlreichen Sponsoren und Partnern, das Gebäudeautomationssystem wird von Siemens geliefert. Weil die Hütte auf 2 795 m Höhe stehen wird, muss sie weitgehend autark sein: Den Strom liefert eine Photovoltaik-Anlage, die bei Bedarf von einer mit Flüssiggas betriebenen Kraft-Wärme-Einheit unterstützt wird.

Hier könnte OptiControl einen ersten Praxis-einsatz haben und bei der Steuerung helfen. "Wenn die Batterie und der Abwassertank halb voll sind und in nächster Zeit Sonnenschein vorhergesagt ist, startet die Regelung den Reinigungsprozess für das Abwasser, der Strom verbraucht", erklärt Tödtli. So verhindert die Anlage, dass durch ein zu schnelles Aufladen der Batterie Sonnenenergie ungenutzt bleibt. Bei schlechter Wetterprognose würde der Reinigungsprozess gestoppt – denn andernfalls bestünde die Gefahr, dass der Vorrat in der Batterie aufgebraucht würde und man auf das kostbare Flüssiggas umsteigen müsste.

Neben solchen regelbasierten Verfahren gibt es noch die modellbasierte prädiktive Regelung, bei der das System keine starren Regeln nutzt, sondern ein Modell für das thermische Verhalten des Gebäudes. Dazu muss die Automatik mit Angaben wie den Wärmedurchgangskoeffizienten der Wände oder der Wärmespeicherkapazität gefüttert werden. In Kombination mit der Wetterprognose, den Vorgaben des Benutzers sowie Messwerten für die Innen- und Außentemperatur kann die Regelung dann etwa das optimale Profil für die Vorlauftemperatur des Heizungswassers berechnen.

Ohne leistungsfähige Elektronik geht so etwas jedoch nicht. "Ich habe schon vor über 20 Jahren den ersten Aufsatz über den Einsatz von Wettervorhersagen für die Gebäudeautomation geschrieben", erinnert sich Tödtli. "Aber erst heute gibt es Prozessoren, die genügend Leistung haben und zugleich kostengünstig sind – denn unsere Methode braucht viel Speicher und Rechenpower." Alle 15 Minuten justiert die Regelung das System nach. Dabei verwendet OptiControl neben den implementierten Regeln und Modellen sowie den Sensorwerten die Wettervorhersage für die nächsten drei Tage.

"Leider kennt noch niemand das genaue Kosten-Nutzen-Verhältnis", sagt Projektleiter Dr. Dimitrios Gyalistras von der Systems Ecology Group der ETH Zürich. So wisse man noch nicht wirklich, wie viel Energie mit der vorausschauenden Regelung eingespart werden könne. Hier wollen die Forscher für Klarheit sorgen: Eine erste Simulation zeigt ein Potenzial von 15 Prozent bei einem typischen Büroraum mit integrierter Steuerung von Heizung, Klimaanlage, Rollläden und Beleuchtung. Eine groß angelegte Studie soll bis Mitte 2008 weitere Zahlen für Hunderte unterschiedlicher Szenarien und rund ein Dutzend Standorte liefern, zum Beispiel für Einzel- und Großraumbüros in Zürich, London, Wien und Marseille.

Für die Gebäude-Modellierung steuert die EMPA ihre Expertise bei. "Im praktischen Einsatz muss der Aufwand für Installation und Bedienung möglichst gering sein", sagt Thomas Frank, Senior Scientist in der Abteilung Bautechnologien. Deshalb muss geklärt werden, wie einfach die Modelle sein dürfen, damit die Regelung noch zufriedenstellend funktioniert. "Wahrscheinlich wird man ein Dutzend Parameter brauchen", schätzt Frank. "Das alles kann theoretisch aus dem Plan des Architekten berechnet werden. Was uns hier fehlt, sind noch standardisierte Schnittstellen zwischen den CAD-Programmen der Architekten und der Software für die Gebäudesteuerung."

Wetterdaten via Internet. Aber auch das beste Modell wäre ohne zuverlässige Wetterdaten wenig wert. Seit Anfang 2008 verwendet MeteoSchweiz ein Modell mit einer Maschenweite von nur 2,2 km: Über Quadrate am Boden mit dieser Seitenlänge werden 60 Schichten der Atmosphäre definiert, und für jede Zelle errechnet der Computer das künftige Wetter. So werden örtliche Vorhersagen viel genauer, denn zuvor hatten die Maschen noch 7 km Länge. "Das Ziel, Energie zu sparen, ist jede Anstrengung wert", sagt Dr. Philippe Steiner, Leiter der Modellentwicklung bei MeteoSchweiz. Bis zu 24 Wetterparameter liefern die Meteorologen mit einer stündlichen Auflösung für ein bis drei Tage im Voraus, darunter neben der Temperatur auch Windgeschwindigkeit und Strahlung. Die Daten sollen später via Internet direkt in die Gebäude geschickt werden.

"Mathematisch sehr aufwändig ist die vorausschauende Verarbeitung aller Daten", erklärt Professor Manfred Morari, Leiter des Instituts für Automatik der ETH Zürich. "OptiControl muss ja schon bei der Planung des nächsten Steuerungsbefehls berücksichtigen, dass später weitere, aber noch unbekannte Informationen kommen – die neuen Wetterprognosen." Für jeden zusätzlichen Schritt der Vorausplanung steigt die Zahl der zu berechnenden Möglichkeiten um den Faktor 10 bis 100. Die Kunst besteht darin, solche komplexen Aufgaben von einem einfachen Mikroprozessor erledigen zu lassen. "OptiControl macht keinen Sinn, wenn man dafür einen Supercomputer braucht", so Morari. "Die Frage, was der Markt akzeptiert, ist für uns essenziell." Für die Nähe zum Kunden sorge der Partner Siemens mit seiner weltweiten Präsenz und langjährigen Erfahrung.

Das Projekt OptiControl endet im Jahr 2010, und frühestens dann wird es erste Produkte geben. "Die Software könnte am Ende in einer kleinen Automatisierungsstation an der Wand laufen", verspricht Tödtli. "Man wird dafür keinen speziellen PC brauchen, und die Hardware für die Gebäudesteuerung wird auch nicht teurer." Bis dahin ist aber noch viel zu tun. Für Praxistests stellt Siemens BT auch sein modernes Labor in Zug zur Verfügung. Dort können komplette Räume – etwa Büros – aufgebaut werden, und eine riesige Klimaanlage sorgt außen herum für künstliche Umgebungsbedingungen. So können die Wissenschaftler messen, wie gut eine Gebäudesteuerung auf schwankende Außentemperaturen reagiert und wie präzise sie das geforderte Raumklima einstellen kann. Dort wird auch OptiControl zeigen müssen, welches Potenzial in ihm steckt. "Wichtig ist vor allem ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis", betont Tödtli.
                                                                                                                 Christian Buck