Smart Buildings – Gebäude der Zukunft
Vieles ist heute „smart“, aber selten macht man sich Gedanken darüber, was der Begriff bedeutet. „Smart“ ist die Abkürzung für „spezifisch, messbar, akzeptiert, realistisch und terminiert“, die Verwendung reicht von Smart Phone über Smart Homes und Smart Buildings bis zu Smart Cities. Doch was macht ein Gebäude „smart“, welche Technologien und Lösungen stecken dahinter, welche Ziele sollen damit erreicht werden, und wie wird sich gerade dieser Bereich weiterentwickeln?
Was sind Smart Buildings?
Im Gegensatz zum Smart Home bezeichnet der Begriff Smart Building gewerblich genutzte und/oder zweckgebundene Immobilien (beispielsweise Krankenhäuser oder Flughafengebäude), in denen die einzelnen Komponenten der Gebäudetechnik miteinander vernetzt sind und Daten austauschen, so dass die jeweiligen Systeme automatisch optimal gesteuert werden können. Es sind intelligente, nachhaltige sowie mit ihrem ökologischen, ökonomischen und technologischen Umfeld vernetzte Gebäude, die ein Höchstmaß an Nutzerkomfort bieten und einen positiven Beitrag zum Umwelt- insbesondere auch Klimaschutz bieten, zugleich aber auch Ziel ist es, einerseits den Komfort der Nutzer sowie Effizienz und Wirtschaftlichkeit erhöhen.
Smart Building Technologien und Lösungen
Damit ein Gebäude wirklich smart wird, gilt es, viele, sehr unterschiedliche Bereiche und Funktionen zu erfassen, zu steuern und zu verknüpfen. Um physische und virtuelle Welt miteinander zu verbinden, bedarf des so genannten IoT „Internet of Things“ und eines digitalen Zwillings des jeweiligen Gebäudes.
Internet of Things IoT
IoT ist die Bezeichnung für das Netzwerk physischer Objekte (der Dinge, „Things“), die mit Sensoren, Software und anderen Technologien ausgestattet sind, um Daten zu und von anderen Dingen und Systemen zu übertragen und zu empfangen und damit im gesamten Netzwerk verfügbar zu machen, so dass physische und virtuelle Objekte zusammenarbeiten können. Ziel ist es, dass sich beispielsweise Heizung oder Lüftung automatisch an die jeweilige Situation – zum Beispiel Sommer- oder Wintertag, Einzelperson oder viele Menschen gleichzeitig in einem Raum, nur zeitweise oder dauerhafte Nutzung – „anpassen“. Dafür müssen Sensoren Umgebungsinformationen sammeln, ein Computersystem die Daten auswerten und so genannten Aktoren – Antriebselemente, die elektrische Signale und Strom in mechanische Bewegung oder Licht transformieren – die Steuerungsbefehle umsetzen und beispielsweise die Fenster öffnen oder die Beleuchtung an die jeweilige Tageszeit oder daran anpassen, ob ein Raum gerade genutzt oder verlassen wird.
Digitaler Zwilling
Um die automatische Anpassung an die jeweilige Situation zu ermöglichen und die Funktionsweise der einzelnen Elemente immer weiter zu verbessern, braucht es den Digital Twin, den digitalen Zwilling, ein Computermodell, das nicht nur das Gebäude selbst, sondern auch die gebäudetechnischen Einrichtungen und alle Funktionen und Prozesse des jeweiligen Gebäudes abbildet und steuerbar macht. Über den digitalen Zwilling können die Daten der einzelnen Komponenten miteinander vernetzt werden. Hinzu kommt, dass der digitale Zwilling neben den Daten zur aktuellen Situation auch Zugriff auf Daten aus der Vergangenheit und damit mehr Wissen über das Gebäude und seinen Betrieb, mehr Transparenz bietet. Das erleichtert, Ressourcen optimal zu nutzen und neue Services zu realisieren.
Gebäudeautomation
Eine Voraussetzung für ein Smart Building ist die Gebäudeautomation, die automatische Steuerung, Regelung und Überwachung von
Gebäudefunktionen wie Heizung, Klima und Lüftung, Beleuchtung oder Beschattung sowie die Erfassung der Betriebsdaten in einem Gebäude oder Gebäudekomplex. Der Begriff umfasst die Summe aller Einrichtungen einschließlich der entsprechenden Software. Ebenso gehören zur Gebäudeautomation Managementfunktionen wie Ergebnisanalysen, Energiemanagement und Informationen.
Sicherheitslösungen
Sicherheitslösungen wie Gefahrenmeldeanlagen (Brand, Einbruch, Überfall), Systeme der Zugangskontrolle und der Überwachungsanlagen gehören nicht zur Gebäudeautomation, können jedoch mit ihr gekoppelt werden. Auch hier sind automatisierte Lösungen gefragt. Denn beispielsweise geht es im Brandfall nicht nur darum, die Menschen im Gebäude so schnell wie möglich zu warnen und in Sicherheit zu bringen, es geht auch darum, den Brandherd möglichst zu isolieren und zu löschen. Wichtig ist ebenso, dass die entsprechenden Komponenten wie beispielsweise Brandmelder zuverlässig funktionieren. Auch hier können die Daten zur Überwachung und Verwaltung der Systemleistungen genutzt werden.
Ebenso können biometrische Zutrittssysteme oder Zutrittskontrollen vor dem Zutritt unerwünschter Personen schützen und gleichzeitig die Verwaltung von Zutrittsberechtigungen deutlich zu vereinfachen.
KI Im Gebäudemanagement
Die Digitalisierung hat bereits seit längerem im Gebäudemanagement Einzug gehalten und gestattet eine effiziente Kontrolle und Steuerung von Funktionen und Prozessen. Mit der Hilfe der künstlichen Intelligenz KI sollen Transparenz und Effizienz in Smart Buildings weiter erhöht werden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Fähigkeit der KI, langfristige Trends zu erkennen sowie schnelle Entscheidungen in komplexen Situationen zu treffen. Die gesammelten Daten der Gebäudeautomation und der angebundenen Systeme dienen der KI als Grundlage, um zu lernen, wie die Steuerung der Gebäudeanlagen funktioniert. Auf Basis dieses erlernten Wissens kann KI Zusammenhänge transparent machen und erlernte Folge-Aktionen durchführen.
Die Vorteile, die man sich von der KI verspricht, sind
- vorausschauende Wartung: Auf der Grundlage der gesammelten Informationen kann KI Muster und Trends identifizieren und künftige Ereignisse vorhersehen, beispielsweise potenzielle Ausfälle von Geräten, und optimale Wartungszeitpunkte bestimmen.
- mehr Nachhaltigkeit: Die Analyse der Verbrauchsdaten durch die KI macht Muster und Trends im Energieverbrauch transparent und kann auf dieser Basis optimale Energieeinstellungen vorschlagen.
- Sicherheit: Vor allem intelligente Zutrittskontrollen und Videoüberwachung nutzen die KI, um die Gebäudesicherheit zu gewährleisten. Das Spektrum reicht von der Kennzeichenerkennung bis hin zu Brandschutz und Zugangsberechtigung.
- effizientes Flächenmanagement: KI lernt und bewertet, wann und wie oft Räume genutzt werden. Entsprechend werden Beleuchtung, Heizung, Lüftung sowie Klima- und Kältetechnik optimal angepasst.
- individuelle Einstellung auf den jeweiligen Nutzer: KI erkennt eine Person schon beim Eintritt ins Gebäude und lernt, welche Vorlieben der- oder diejenige hat, was Helligkeit und Temperatur betrifft.
Die Vorteile von Smart Buildings
Smart Buildings bieten vor allem mehr Nachhaltigkeit, mehr Komfort für den Nutzer, eine höhere Sicherheit und eine effizientere Instandhaltung.
Nachhaltigkeit
Smart Buildings ermöglichen ein effektives Energiemanagement und damit Energie zu sparen, aber auch andere Ressourcen wie Wasser zu schonen. Wenn man bedenkt, dass rund 35 % des Energieverbrauchs und 30 % des CO2-Ausstoßes durch den Betrieb von Gebäuden verursacht wird, so liegt in diesem Bereich erhebliches Einsparpotenzial, das in Smart Buildings gehoben werden kann.
Mehr Komfort für den Nutzer
Trotz des verringerten Energie- und Ressourcenverbrauchs können Smart Buildings den Komfort für den Nutzer deutlich steigern. Das beginnt bei der Anpassung von Heizung, Lüftung sowie Klima- sowie Kältetechnik, wodurch ein durchgehend angenehmes Raumklima entsteht, reicht über eine automatische Steuerung des Lichts und der Verschattungen bei starker Sonneneinstrahlung bis hin zu einem automatischen Zugang und erhöhter persönlicher Sicherheit im Gebäude.
Effizienz im Gebäudemanagement
Smart Buildings bieten vor allem mehr Nachhaltigkeit, mehr Komfort für den Nutzer, eine höhere Sicherheit und eine effizientere Instandhaltung.
Nachhaltigkeit
Smart Buildings ermöglichen ein effektives Energiemanagement und damit Energie zu sparen, aber auch andere Ressourcen wie Wasser zu schonen. Wenn man bedenkt, dass rund 35 % des Energieverbrauchs und 30 % des CO2-Ausstoßes durch den Betrieb von Gebäuden verursacht wird, so liegt in diesem Bereich erhebliches Einsparpotenzial, das in Smart Buildings gehoben werden kann.
Mehr Komfort für den Nutzer
Trotz des verringerten Energie- und Ressourcenverbrauchs können Smart Buildings den Komfort für den Nutzer deutlich steigern. Das beginnt bei der Anpassung von Heizung, Lüftung sowie Klima- sowie Kältetechnik, wodurch ein durchgehend angenehmes Raumklima entsteht, reicht über eine automatische Steuerung des Lichts und der Verschattungen bei starker Sonneneinstrahlung bis hin zu einem automatischen Zugang und erhöhter persönlicher Sicherheit im Gebäude.
Implementierungen und Herausforderungen bei Smart Buildings
Inzwischen entsteht kein neues gewerblich genutztes oder zweckgebundenes Gebäude mehr, das nicht „smart“ ist. IoT und digitaler Zwilling sind bei Neubauten inzwischen „state-of-the-art“, das heißt, hier werden bereits alle Möglichkeiten eines Smart Buildings genutzt und entsteht der digitale Zwilling bereits bei der Errichtung des Gebäudes. Schwieriger dagegen ist es, ältere Bestandsgebäude in Smart Buildings weiterzuentwickeln. Doch diese Transformation von Bestandsgebäuden in Smart Buildings ist nicht nur unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit und des Klimaschutzes ein drängendes Thema, sondern auch hinsichtlich des Werterhalts und der Wertsteigerung der jeweiligen Immobilie.
Integration verschiedener Systeme
Häufig gibt es auch in Bestandsgebäuden schon Technologien, Software, Systeme und Sensoren des Gebäude-, Licht- und Energiemanagements sowie der Sicherheitstechnik. Die Daten dieser Einrichtungen kann man nutzen, um einen digitalen Zwilling zu erstellen. Hier allerdings ist oft die Schwierigkeit, dass diese Technologien und Systeme nicht miteinander kompatibel sind und daher auch nicht miteinander kommunizieren können. Hier sind Lösungen gefragt, die diese unterschiedliche Kommunikationsstandards integrieren können.
Fast immer stehen auch Daten zum Gebäude selbst wie Informationen u. a. zu Stockwerken, Räumen und Nutzungsweise oder Verbrauchsdaten zur Verfügung. Auch sie lassen sich integrieren und für die Erstellung eines digitalen Zwillings nutzen.
Investitionskosten
Häufig muss auch die technische Ausstattung „aufgerüstet“ werden. Doch nachträglich zusätzliche Kabel zu verlegen, erweist sich oft als schwierig. Dieser Herausforderung lässt sich jedoch durch die kabellose Anbindung der Sensoren und Aktoren meistern.
Grundsätzlich ist es also möglich, auch Bestandsgebäude in Smart Buildings zu transformieren. Die Kosten liegen bei etwa 100 Euro pro Quadratmeter und sind die reinen Mehrinvestitionen für zusätzliche Features der Gebäudetechnik, IoT-Sensorik und eine Smart Building Software-Plattform.
Schulungen und Fachpersonal
Zwar sollen die in Smart Buildings verwendeten Systeme und Technologien möglichst einfach anzuwenden und zu verstehen sein, dennoch braucht es dafür gut geschultes Fachpersonal. Weiter- und spezialisierte Fortbildung sind unabdingbar angesichts der zunehmend beschleunigten technologischen Entwicklung und – in jüngerer Zeit – dem zunehmenden Einsatz von KI. Aber gefördert werden müssen auch interdisziplinäre Kompetenzen – Schnittstellenkompetenzen zwischen technischen und kaufmännischen Bereichen – sowie die Entwicklung so genannter Soft Skills –adaptives Denken und Problemlösungskomeptenzen.
Anwendungsfälle und Use Cases
Anwendungsfälle, englisch Use Cases, sind Nutzungsszenarien für eine Software. Sie bündeln mögliche Szenarien, die eintreten können, wenn ein Nutzer versucht, mit Hilfe des betrachteten Systems ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Denn Sinn jeder Software ist es, einen Nutzen für den Kunden zu schaffen. Das gilt auch für die Software in Smart Buildings.
Smart Buildings sind eben nicht nur Bürogebäude, sondern auch Logistikeinrichtungen, Produktionsgebäude, Einkaufszentren oder andere zweckgebundenen Gebäude. Hier geht es eben nicht nur um „smarte Haustechnik“, vielmehr erwartet der Nutzer, dass die Software auch dazu beiträgt, Arbeitsprozesse zu optimieren. Daher sollten zu Beginn die wichtigsten Anwendungsfälle definiert und Ziele ermittelt werden. Genau dazu dienen Use Cases. Sie ermöglichen ein Gesamtbild über den Zweck der Software und dienen dazu, diese Software entsprechend zu gestalten.
Der Vorteil dieser Use Cases liegt darin, dass sie vergleichsweise einfach zu erstellen, die unterschiedlichen Akteure und Anwendungsfälle zu dokumentieren sowie die Beziehungen zueinander darzustellen sind. Sie dienen zudem der Orientierung, welche Anforderungen an das System gestellt werden.
Blick in die Zukunft
Die Digitalisierung hat die Entwicklung zu Smart Buildings erst ermöglicht. War es zunächst in erster Linie die Haustechnik, bei der die digitalen Möglichkeiten zur Anwendung kamen, ist heute das Ziel ein ganzheitliches Gebäudemanagement. Vom Einsatz der künstlichen Intelligenz verspricht man sich eine weitere Automatisierung und Optimierung vieler Prozesse, vor allem auch im Bereich der Energie-Einsparung. Denn durch den Einsatz von KI lassen sich präzise Prognosemodelle für Energiebedarf und -verbrauch erstellen, was eine proaktive Steuerung von Anlagen und Ressourcen ermöglicht. Und längerfristig kann die KI zu einer autonomen Selbstregulation der Gebäudesysteme führen.
Generell wird die Einbindung von KI-Technologien in immobilienwirtschaftliche Prozesse zu einer Steigerung der ökologischen, ökonomischen und sozialen Nachhaltigkeit führen. Allerdings birgt der Einsatz von KI auch Risiken wie beispielsweise die Sicherstellung der Datenhoheit und den Schutz vor Manipulation.