Pictures of the Future      Herbst 2008

Smart Home/Smart City

Werden Gebäude und ihre Systeme wie Beleuchtung, Heizung oder Klima­anlagen zentral gesteuert, wird der Betrieb effizienter und der Energie­verbrauch sinkt – dies belegen bereits etliche Bauten, für die Siemens eine Gebäudeautomation installiert hat. Zugleich forscht das Unternehmen an intelligenten Sensornetz-werken, die den Weg vom Smart Home zur Smart City bereiten.

Zur Erhöhung der Energieeffizienz von Gebäuden hat die Europäische Union bereits 2002 eine entsprechende Richtlinie erlassen. Darin wird eine europaweit geltende Zertifizierung von Gebäuden gefordert, ein Energieausweis, in dem der Energieverbrauch dokumentiert ist. In Deutschland wurde am 1. Juli 2008 diese Richtlinie in nationales Recht umgesetzt. Ziel ist es, den Energieverbrauch hierzulande bis 2020 um 18 % zu senken sowie den Anteil von regenerativen Energien auf 14 % zu erhöhen. Zudem definiert die europäische Richtlinie Anforderungen an Systeme der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK, siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2008, Energiesparende Gebäude), die – neben der Wärme­isolation der Gebäude – bei Energieeinsparungen eine große Rolle spielen.

Im Frühjahr 2008 wurden über den europäischen Industrieverband European Building Automation and Controls Association (eu.bac), der Kriterien für die Energieeffizienz von Produkten vorgibt, 27 elektronische Einzelraumregler von 15 Firmen, darunter auch Siemens, nach der europäischen Norm EN 15500 zertifiziert. Sie steuern beispielsweise Radiator-Heizungen, Kühldecken und elektrische Heizungen. Die zertifizierten Regler sparen durch eine deutlich höhere Genauigkeit viel Energie. "Studien zeigen, dass sich durch eine Verringerung der Regelabweichung von 2 °C auf 0,1 °C bis zu 14 % Energie einsparen lassen", erklärt Ulrich Wirth, Präsident des Europäischen Normungs­komitees für Gebäudeautomation und Experte für Produkte und Systeme der Gebäudeautomation in der Siemens-Division Building Technologies (BT) im schweizerischen Zug.

Zusätzliche Einsparpotenziale ergeben sich, wenn optimierte Mess-, Steuer- und Regelungstechnik von HLK-Anlagen bedarfsgerecht mit Beleuchtungs­systemen, Jalousien und Warmwasseranlagen zusammenspielt. "Dadurch kann man die Energieeffizienz in Gebäuden um bis zu 30 % steigern", fügt Wirth hinzu.

Beispielhaft umgesetzt wurde dieses Zusammenspiel in großen, neuen Gebäudekomplexen wie etwa dem Mövenpick Hotel im Frankfurter Europa­viertel oder der Sihlcity in Zürich. Dieses neue 100 000 m² große Einkaufs-, Wohn- und Freizeitzentrum auf dem Areal der ehemaligen Sihl Papierfabrik wurde im März 2007 eröffnet. "In Sihlcity setzen wir unser Leitsystem Desigo ein, das das Energiemanagement für den ganzen Gebäudekomplex über­nimmt und sämtliche haustechnischen Anlagen wie Licht, Jalousien, Heizung, Lüftung und Klima regelt und steuert", sagt Matthias Stauber, der technische Projektleiter von Sihlcity bei Siemens BT.

Sowohl Mieter als auch Hotelgäste können etwa ihr gewünschtes Zimmer­klima einstellen. Präsenzsensoren in Räumen, Zeitschaltprogramme sowie Sensoren, die die Außentemperatur messen und an das Leitsystem weiter­geben, ermitteln in Sihlcity den tatsächlichen Bedarf. Die Regelung erfolgt dann möglichst energieeffizient. So messen z.B. Sensoren die CO₂-Konzentration in Konferenzräumen und Kinos und regeln je nachdem, wie viele Personen im Raum sind, den Luftaustausch. Um die Leistung der Klima­anlage herunterzufahren, werden nachts im Hochsommer die nichtbelegten Räume mit Außenluft gekühlt.

Intelligentes Zuhause. Noch weiter geht die Vision der Siemens-Forscher bei Corporate Technology (CT) in München: "From Smart Homes to Smart Cities" lautet ihr Motto. Wie in Alltagsgegenstände eingebettete Prozessoren, Sensoren und Netzwerkanbindungen künftig selbst die Steuerung in der Gebäudetechnik übernehmen sowie in ferner Zukunft zur optimalen Nutzung von Ressourcen in Städten eingesetzt werden können, daran wird im siebten Stock des Gebäudes 53 auf dem Siemens Campus geforscht. Dort ist eine Wohnung mit Haushalts-, Elektroinstallations-, Gebäude-, Kommunikations- und Multimediatechnik von Siemens als Testumgebung eingerichtet. Seit 2006 zeigt die CT hier Forschungsergebnisse für das intelligente Zuhause. Alle Geräte können über einen zentralen Kommunikationsknoten, ein Gateway, gesteuert werden. Dafür hat Siemens Software entwickelt, die es möglich macht, verschiedene Funkprotokolle sowie Schnittstellen von Systemen der Gebäudetechnik zu integrieren.

Derzeit wird die Testumgebung sukzessive zu einem "Pervasive Computing Lab" ausgebaut. Unter diesem Begriff verstehen die Forscher hochgradig vernetzte und verteilte intelligente IT-Systeme in Alltagsgegenständen, die die Bedürfnisse der Nutzer erkennen, ihnen Entscheidungen abnehmen und sich selbst steuern können. Im Labor sollen die von der CT neu entwickelten Technologien installiert und getestet werden. "Wir zeigen hier erste Anwendun­gen, wie Alltagsgegenstände mit eingebetteten Prozessoren, Sensoren und Netzwerkanbindungen im vernetzten Zuhause oder in der Gebäudetechnik immer und überall ihre Dienste verrichten", sagt Cornel Klein. Der Software- und Systemexperte koordiniert bei der CT alle Aktivitäten im Bereich Pervasive Computing.

Wie intelligent und eigenständig eingebettete Systeme heute bereits sind, erläutert Klein anhand eines Beleuchtungssystems namens Adaptive Lighting, mit dem sich sowohl natürliches als auch künstliches Licht steuern lässt. In einer kleinen Box sind ein drahtloser Licht- und ein Temperatursensor, ein Prozessor, ein Speicher sowie eine Batterie untergebracht. "Damit können Sensoren zum Beispiel in kleinen Zeitintervallen Licht und Temperatur im Gebäude messen", erläutert Klein. "Ziel ist es, dass sie sich direkt mit den Sensoren der Jalousie verständigen und sie je nach Analyse der Messwerte selbst steuern."

Da solche Einheiten aus einer Vielzahl von IT-Systemen bestehen und künftig drahtlos in der Gebäudetechnik eingesetzt werden sollen, ist die intelligente Energieverwaltung ein wichtiges Forschungsziel. Wie die Systeme Daten sammeln und kommunizieren sowie Steuerbefehle geben, ist entscheidend für das eigene Energiemanagement. Damit zum Beispiel das "Adaptive Lighting" über Jahre hinweg ohne Batteriewechsel funktioniert, haben die CT-Forscher entsprechende Software entwickelt und integriert. Damit sammeln die Sensoren nur dann Messdaten, wenn es für den Einsatzzweck nötig ist. Nachts sind sie im Schlafmodus oder sammeln weit weniger Daten, weil keine Jalousien gesteuert werden müssen.

Effizienter als Bluetooth. Auch das Funkprotokoll, über das solche Sensoren Daten austauschen, ist für einen möglichst geringen Energieverbrauch wichtig. Die CT-Forscher setzen auf den Standard IEEE 802.15.4, der deutlich weniger Energie benötigt als etwa Bluetooth, das mit 2,4 GHz die gleiche Frequenz nutzt. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, um drahtlose Systeme langlebig einzusetzen – Ziel ist es beispielsweise, ein Gateway zur Steuerung einzusparen und damit weniger Installationsaufwand in Gebäuden zu be­treiben. "Ohne Umweg über ein zentrales Gateway übernehmen die Sensor­netzwerke selbst eine Analyse der Messdaten, errechnen einen Soll-Ist-Abgleich und steuern zum Beispiel eine Jalousie je nach den gemessenen Werten", erläutert Klein die Vision. Allerdings haben Jalousien heute üblicher­weise noch keine integrierte Sensorik, die über ihren eigenen Zustand Bescheid weiß und beispielsweise eine Statusinformation liefern kann, zu wie viel Prozent die Lamellen offen oder geschlossen sind.

Dahin geht jedoch der Trend: "Kühlschränke, Waschmaschinen oder Geschirr­spüler werden intelligenter", ist sich Christoph Niedermeier sicher. Der Soft­ware- und Energieexperte bei Siemens CT erläutert, wie diese Geräte über hochintegrierte Informations- und Kommunikationstechnik und mit Hilfe von Sensoren und einer ausgeklügelten Datenverarbeitung ihren aktuellen Verbrauch messen. Zudem können sie nach außen – etwa via Powerline über das Stromnetz – ihren Zustand kommunizieren. So könnten sich Kühlschrank, Gefriertruhe, Waschmaschine und Geschirrspüler "absprechen", wann welches Gerät aktiv wird. Voraussetzung ist, dass diese Geräte eine zeitliche Verschiebung des Betriebs zulassen. "Der Kunde würde billigen Strom nutzen, und der Energieversorger kann dadurch Spitzenlasten vermeiden – oder auch lokal Energieerzeugungseinheiten, etwa zur Kraft-Wärme-Kopplung, zuschalten", sagt Niedermeier. Für den Experten ist klar, dass bei solchen künftigen Netzen, die dezentrale Energieerzeuger mit ein beziehen, keine zentrale Steuerung mehr möglich ist. "Viele Entscheidungen werden künftig auf lokaler Ebene von eingebetteten Systemen getroffen, denen sehr viele Daten vorliegen, wie und wo optimiert werden kann, und die sich intelligent selbst steuern."

Vernetzte Städte. Wie umfangreich das Forschungsthema ist, wird deutlich, wenn das Smart Home Teil eines größeren Verbundes wie einer Smart Neighbourhood oder gar einer Smart City ist. Viele Gebäude könnten künftig untereinander vernetzt sein und würden über eine Vielzahl verteilter IT-Systeme energieeffizient gesteuert, so die Vision im Pervasive Computing Lab. Noch einige Jahrzehnte in der Zukunft gäbe es dann in den Städten unzählige autonom und intelligent agierende IT-Systeme, die über die Gewohnheiten der Benutzer bestens Bescheid wissen, ihre Energieverbräuche kennen und sie optimal versorgen – beispielsweise indem bei Bedarf regenerative Energien zugeschaltet werden.

Hier kommunizieren nicht nur Gebäude mit Gebäuden und lokale Energie­erzeugungseinheiten mit Stromnetzen. Hier wissen Ampeln über den Verkehrs­fluss in einer Stadt Bescheid, indem sie mit Elektroautos und gleich­zeitig mit Stromtankstellen Daten und Messwerte austauschen, die dann wiederum bei dezentralen Energieerzeugern im Umkreis anfragen, wer wieviel Energie liefern kann. Ziel in einer solchen Stadt ist es, die vorhandenen Ressourcen durch autonome IT-Systeme optimal zu regeln und zu steuern.
                                                                                                             Nikola Wohllaib