Strom, Gas und Öl werden mittel- und langfristig immer weiter steigen – daher wird es sich in Zukunft immer mehr lohnen, mit Energie sinnvoll umzugehen. Ressourcenschonendes, nachhaltiges Bauen muss alle Möglichkeiten zur Steigerung von Energieeffizienz ausschöpfen. Weitestgehend ungenutzte Potenziale liegen dabei im Bereich der Gebäudeautomation und optimierten Betriebsführung, insbesondere bei Nichtwohnungsgebäuden. Bericht von Prof. Dr. Martin Becker

Architektur und Gebäudeautomation erscheinen auf den ersten Blick als zwei voneinander getrennte Felder, in deren Zusammenwirken jedoch große Energieeinsparpotenziale liegen. Vor dem Hintergrund der zunehmenden Forderung nach Ressourcen schonendem Bauen ist eine auf den Investor oder Bauherrn passende Kompromisslösung notwendig. Moderne energetische Gebäudeplanung heißt somit, einen Kompromiss zu finden zwischen Kosten, Energieeffizienz und Komfort- und Behaglichkeitsaspekten der Nutzer.

 

Dazu sind allerdings nicht nur die in der Planung ermittelten energetischen Bedarfswerte wichtig: Bereits in der Planungsphase muss berücksichtigt werden, wie die während der gesamten Betriebszeit eines Gebäudes anfallenden Energiekosten überwacht und minimiert werden können. Die laufenden Betriebskosten wie Energie- oder Wartungskosten tragen einen Anteil von bis zu 80 Prozent an den gesamten Lebenszykluskosten, die nur einmal getätigten Planungs- und Baukosten verschlingen dagegen nur einen Anteil von bis zu 2o Prozent.

 

An diesen Zahlen lässt sich erkennen, dass eine zeitgemäße und angepasste Gebäudeautomation und ein darauf aufsetzendes Energie- und Gebäudemanagement die entscheidende Rolle für Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz im Gebäude spielt. Nicht selten übersteigen die späteren Energieverbräuche die in der Planung ermittelten Bedarfswerte um den Faktor zwei bis drei.

 

Neben dem schwer zu berücksichtigen Nutzereinfluss sind u.a. regelungstechnisch nicht optimal eingestellte Anlagen und nicht an die Nutzung angepasste Betriebsparameter als Gründe dafür zu nennen. Diese Fehleinstellungen transparent zu machen, ist auch Aufgabe der Gebäudeautomation. Der Energieverbrauch eines Gebäudes ist keine fixe Größe, sondern stark vom Nutzerverhalten und von einem optimierten Anlagen- und Gebäudebetrieb abhängig.

 

Zeitgemäße Automatisierungstechnik ist das notwendige Werkzeug für ein dynamisches Energie- und Gebäudemanagement, bei dem alle erforderlichen Daten erfasst und ausgewertet werden. Diese Daten garantieren die nötige Transparenz aller Energieflüsse durch entsprechende Energiekenngrößen im Gebäude und geben Aufschluss über positive sowie negative Einflüsse des Nutzerverhaltens. Hieraus lassen sich wiederum zeitnah und zielgerichtet wirtschaftliche Optimierungsmaßnahmen ableiten.

 

Gebäudeautomation für einen energieeffizienten Gebäudebetrieb

Energieeinsparpotenzial besteht zum einen aus der Optimierung von Einzelsystemen wie Heizung, Lüftung, Klima oder Beleuchtung. Beispiele hierfür sind angepasste Reglerparameter und gleitende Sollwerte, eine angepasste Betriebsführung der Anlagen im Teillastbetrieb oder anwesenheits- und belegungsabhängige Automationsstrategien für Heizen, Lüften, Kühlen und Beleuchten im Raum.

 

Zum anderen besteht auch ein hohes Optimierungspotenzial im Bereich der übergreifenden Systemautomation  im Sinne des abgestimmten Zusammenspiels der gesamten Anlagentechnik. Das können Strategien für die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) von Anlagen sein oder Strategien für die Integration regenerativer und dezentraler Energiesysteme (z.B. Photovoltaik, BHKW, Wärmepumpe) in ein abgestimmtes Energieversorgungssystem.

 

Beispiele hierfür sind auch übergreifende Automationskonzepte für die geothermische Nutzung mit Wärmepumpen für den Kühl-/Heizbetrieb in Verbindung mit thermischer Bauteilaktivierung unter Berücksichtigung aktueller Lastprofile und Wetterdaten bzw. Wetterprognosen.

 

Gewerkeübergreifender Ansatz

Moderne Gebäudeautomationslösungen sind durch ganzheitliche, gewerkeübergreifende Ansätze gekennzeichnet. Offene Bussysteme und Kommunikationsstandards wie  der Europäische Installationsbus (EIB/KNX), Local Operating Network (LON) oder Building Automation and Control Network (BACnet) gehören heutzutage fast selbstverständlich als Standardinfrastruktur ins Gebäude. Zunehmend werden diese Systeme für übergeordnete Managementaufgaben in das üblicherweise vorhandene EDV-Netz, basierend auf einem Ethernet TCP/IP-Netzwerk, eingebunden. Gebäudeautomations-, Büro- und Telekommunikationsnetzwerke wachsen somit immer mehr zu einem integrierten Kommunikationssystem zusammen.

 

Damit können wichtige Anlagenwerte für die Diagnose oder Energieverbrauchswerte zeitnah von jedem Ort der Welt an jeden anderen Ort der Welt übertragen werden. Die Visualisierung von Anlagen und deren aktuelle Prozessdaten auf dynamischen Anlagenbildern ist hierbei eine hervorragende Basis, um den Betrieb einer Anlage überwachen und energetisch bewerten zu können. Zusätzlich lassen sich Aufgaben wie Wartungsmanagement oder Material- und Personaleinsatzplanung realisieren und in die übergeordneten Geschäftsprozesse und das Facility Management integrieren.

 

Hindernisse im System beseitigen

Betrachtet man die heutige Situation kritisch, so muss man feststellen, dass wir in vielen Anwendungen noch meilenweit von einer effektiven Nutzung von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement mit den heute bereits verfügbaren technischen Möglichkeiten entfernt sind. Einige Ursachen sind im Folgenden stichpunktartig genannt: Bei Architekten und Bauherren ist ein geringes Wissen und oft mangelndes Verständnis für den Stellenwert und die Möglichkeiten zeitgemäßer Raum- und Gebäudeautomation sowie von Gebäudemanagement vorhanden. Die Hersteller haben es (bisher) nicht geschafft, das Thema Gebäudeautomation und Kommunikationstechnik für Architekten und Bauherrn zu „übersetzen".

 

Verhindert oder verzögert wird eine gewerkeübergreifende Gebäudeautomation in vielen Fällen durch den klassischen Planungsprozess in Einzelgewerken („mein Gewerk“). So gut wie nie wird eine transparente Lebenszyklusbetrachtung einbezogen, die eventuell höhere Investitionskosten für die Gebäudeautomation über die Reduzierung der später geringeren Betriebskosten wirtschaftlich rechtfertigt. Gebäudeautomation wird im laufenden Gebäudebetrieb zuwenig als kontinuierliches Optimierungswerkzeug gesehen und genutzt, da häufig geschultes Personal fehlt. Dadurch werden Energieeinsparmöglichkeiten nicht oder kaum ausgeschöpft.

 

Optimierung bereits in der Planungsphase

Eine Verbesserung der heutigen Situation, die für alle beteiligten Gruppen (Bauherr/Investor, Architekt, Planer, Betreiber, Nutzer) zweifelsfrei wünschenswert wäre, muss bereits in der Planungsphase von Gebäuden ansetzen und fordert sicherlich auch eine Bereitschaft im Umdenken klassischer Planungsschritte gemäß dem Motto: „Unser Kopf ist rund, damit das Denken seine Richtung ändern kann“.

 

Folgerichtig sollte so früh wie möglich eine auf den Gebäudetyp und dessen Nutzung zugeschnittene Gebäudeautomations- und Informations-Architektur (GIA) entworfen werden. Je später der Entwurf entsteht, desto teurer und damit unwirtschaftlicher werden Gebäudeautomationslösungen. Nachträgliche, durchaus sinnvolle und notwendige Investitionen für einen optimierten Gebäudebetrieb (z.B. Einbau zusätzlicher Energiezähler, zusätzliche Sensoren für die Überwachung oder bedarfs-/nutzungsgeführte Regelungsstrategien oder übergeordnete Gebäudeleittechnik) sind dann in der Regel nicht mehr wirtschaftlich umsetzbar.

 

Wird dies jedoch in Form eines konsistenten, in sich abgestimmten Gebäudeautomationskonzeptes bereits in der frühen Gebäudeplanung berücksichtigt und in den späteren Planungsphasen schrittweise konkretisiert, sind - bezogen auf die gesamten Baukosten - vergleichsweise geringe Mehrinvestitionen erforderlich. Praktische Beispiele zeigen, dass dies sogar bei einer Integrationsplanung ohne Mehrkosten realisiert werden kann.

 

Parallel zum architektonischen Gebäudeentwurf sprechen wir hier vom Architekturentwurf des umzusetzenden Ge- bäudeautomations- und Informationssystems (GIS). Dazu empfiehlt es sich, bereits in einer frühen Planungs- und Entwurfsphase einen Integrationsplaner oder „technischen Designplaner“ einzubinden, der auch die Lebenszykluskosten eines Gebäudes mit berücksichtigt.

 

Integrierte Gebäudesysteme / Mechatronische Fassadensysteme – ein Ausblick

Ein starker Trend in der Gebäudetechnik ist zurzeit die Entwicklung zu steckerfertigen, integrierten gebäudetechnischen Systemen mit aufeinander abgestimmten Teilkomponenten und integrierter Mess-, Steuer- und Regeltechnik (MSR-Technik). Ein Beispiel hierfür sind steckerfertige Wärmepumpen mit integrierter Hydraulikbaugruppe und MSR-Technik. Diese Entwicklung wird sich künftig auch auf die Gebäudehülle und die Fassadentechnik ausdehnen.

 

Erste Fassadensysteme dieser Art sind am Markt verfügbar, die dezentrale Lüftungsgeräte, Sonnenschutzsysteme, Beleuchtungssysteme und sogar die Energieerzeugung über Photovoltaik-Module beinhalten, wobei diese Einzelsysteme über eine in die Fassade ebenfalls eingebaute MSR-Technik (Fassadenautomation) optimal aufeinander abgestimmt sind. Der Fassadencontroller wiederum ist über standardisierte Bussysteme in die Raum- und Gebäudeautomation eingebunden, so dass eine auf die Nutzung und Energieeffizienz abgestimmte Betriebsführung ermöglicht wird.

 

Das Fenster beziehungsweise die Fassade wandelt sich somit zunehmend von einem passiven zu einem aktiven gebäudetechnischen Bauelement. Man kann in diesem Zusammenhang auch von einem mechatronischen Fassadensystem sprechen, das mechanische, elektromechanische / elektronische und informationstechnische Komponenten zu einem neuen, höherwertigen Gesamtsystem verknüpft. Hier haben wir noch spannende Entwicklungen vor uns, die neue integrierte Gebäudekonzepte ermöglichen.

 

Prof. Dr.-Ing. Martin Becker lehrt an der Hochschule Biberach, Fakultät Architektur, Gebäudeklimatik und Energiesysteme. Er forscht auf den Gebieten der Raum- und Fassadenautomation, der gewerkeübergreifenden Gebäudeautomation sowie im Bereich des Energie- und Gebäudemanagements.

 

Prof. Dr.-Ing. Martin Becker

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Fakultät Architektur, Gebäudeklimatik und Energiesysteme

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