INTELLIGENTE GEBÄUDESTEUERUNGEN BEGRIFFE, STAND, PERSPEKTIVEN

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1 INTELLIGENTE GEBÄUDESTEUERUNGEN BEGRIFFE, STAND, PERSPEKTIVEN Jürgen Haufe Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen Institutsteil Entwurfsautomatisierung Fraunhofer IIS/EAS

2 Agenda Intelligentes Gebäude Intelligente Gebäudesteuerung Marktsituation Ausblick 2

3 Was ist ein intelligentes Gebäude? Begriffe Home automation is [..] a set of expensive gadgets which make the house smart Jose Santa et al: Energy-Efficient Indoor Spaces Through Building Automation, Springer 2014 Smart City Smart Grid Smart Home Smart Factory Smart Building Smart Phone Smart Metering 3

4 Was ist ein intelligentes Gebäude? Begriffe Intelligent Building Institute (IBI): provides a productive and cost-effective environment through optimization of its four basic elements including structures, systems, services and management and the interrelationships between them Mehrwert durch Vernetzung und Interaktion Geringere Kosten: Energie, Verschleiß, Flexibilität, Gebäudemanagement Höherer Komfort und Arbeitseffizienz Mehr Sicherheit, auch AAL Verbesserte Gesundheit, auch AAL Luxus, Prestige 4

5 Was ist ein intelligentes Gebäude? Voraussetzungen Ausrüster: Kommunikations- und Steuerungsnetzwerk vernetzungsfähige Steuerungshardware, Sensoren, Aktuatoren und TGA- Komponenten Planer, Systemintegrator: Intelligente Steuerungsstrategie bzw. Steuerungssoftware Angepasste Entwurfsumgebungen Installateur, Facility Manager: Neues Ausbildungsprofil erforderlich Eigner: Investmittel 5

6 Was ist ein intelligentes Gebäude? Stand Smart Home, Hardware Angebot für kleine Gebäude, Ein-Familienhäuser: Raumautomation Teilweise Heizungssteuerung Teilweise Sicherheit Teilweise Multimedia Teilweise Komplettsystem Technologie / Standards: Funk / Kabel Keine gemeinsame Basis, viele Inseln 6

7 Was ist ein intelligentes Gebäude? Stand Smart Home, Software Angebot für kleine Gebäude, Ein-Familienhäuser: Open Source kommerziell Schnittstellen zu Gebäudesteuerungs- und Multimediasystemen Systemintegration, Steuerung, Visualisierung Treiber für Vielzahl von Protokollen Java, C++, Script-Sprachen KNX, M-Bus, Modbus, DALI, DMX, OPC 1-Wire, Z-Wave, EnOcean, ZigBee, WLAN Ethernet, Funk, Serielle IF,. 7

8 Was ist ein intelligentes Gebäude? Stand Smart Building, Komplettsysteme Angebot große Wohn- und Zweckgebäude Komplettlösungen Entwicklungsumgebung Raumsteuerung Anlagensteuerung Leittechnik Kommunikation Datenerfassung und Management Meist BACnet 8

9 Was ist ein intelligentes Gebäude? Stand Gebäudeinstallationen Wohngebäude: Technik-Ausstattung einfach, meist ohne Gebäudeautomation / aktuelle Verbrauchsdatenerfassung Energie-Einsparung ca % => Kostendruck hoch Smart Home: Energieeinsparung durch GA eventuell nur als Zusatznutzen Nicht-Wohngebäude Umfangreiche Gebäudetechnik (Aktoren / Sensoren) Gebäudeautomation / Bedienpersonal vorhanden => Investitionskosten für Gebäudeautomation relativ niedrig Energieeinsparung bis zu 70% => Kostensenkungen durch GA 9

10 Intelligente Gebäudesteuerung 10

11 Funktionen Waschen Trocknen Kochen Beleuchtung Sonnenschutz HLK Sensorik Weiße Ware Räume Zonen PV Energie Windkraft quellen Solarthermie BHKW Brennwerttechnik Wärmepumpen TV/Audio/Cinema Computer, Smartphone Multimedia Speicher GA Server Thermisch Chemisch Mechanisch Alarm Portale Zugangskontrolle Fehlfunktionen Grenzwertüberwachung Internet (G)UI Smart Metering Fernsteuerung Fernwartung Monitoring Visualisierung Steuerung Wartung Monitoring Visualisierung 11

12 Funktionen Multimedia Alarm Räume Zonen Internet Weiße Ware GA Server Praxis: Inselsysteme Vermaschte Strukturen, auch Point 2 Point Vielzahl von Protokollen und Schnittstellen Energie quellen Speicher Portale (G)UI 12

13 Einordnung ERP Gebäudemanagement Leitebene Monitoring, Reporting, Alarming Automationsebene TGA und lokale Steuerungen Feldebene Kommunikation, Sensoren, Aktoren Intelligente Gebäudesteuerung BACS, BEMS, BAS vernetzt gewerkeübergreifend Kosten- und komfortoptimierend klassische Schichtenstruktur fehlt 13

14 Energieeffizienzklassen nach EN Energieeffizienz von Gebäuden Einfluss von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement Quelle: ABB 14 Fraunhofer IIS/EAS Jürgen Haufe

15 Energieeffizienzklassen nach EN Quelle: ABB 16 Fraunhofer IIS/EAS Jürgen Haufe

16 Energieeffizienzklassen nach EN Grundlegende Forderungen A B C D Bedarfsabhängige Reglung Anwesenheitsabhängige Reglung Zeitabhängige Reglung Keine Reglung 18 Fraunhofer IIS/EAS Jürgen Haufe

17 Stand Gebäude Nutzung TGA Lokale Reglung Energieverbraucher Energieerzeuger Energiespeicher Kommunikationsnetzwerk Sensorik Aktorik Konstruktion 19

18 Stand Gebäude Gebäudeautomation Nutzung TGA Lokale Reglung Energieverbraucher Energieerzeuger Energiespeicher Kommunikationsnetzwerk Konstruktion Sensorik Aktorik Monitoring Postprocessing Fernsteuerung 20

19 Perspektive EN gibt Hinweise zur GA-Struktur Wichtig ist Parameteroptimierung Fundiertes Systemwissen notwendig Gebäude Nutzung TGA Lokale Reglung Energieverbraucher Energieerzeuger Energiespeicher Kommunikationsnetzwerk Konstruktion Sensorik Aktorik Gebäudeautomation Building Automation and Control System (BACS) Automatisch Gewerkeübegreifend Optimierend 21

20 Perspektive Modellbasierte Entwurfsumgebung Gebäude Nutzung TGA Lokale Reglung Energieverbraucher Energieerzeuger Energiespeicher Kommunikationsnetzwerk Konstruktion Sensorik Aktorik Gebäudeautomation Building Automation and Control System (BACS) Automatisch Gewerkeübegreifend Optimierend 22

21 Perspektive CAD-Planungstools Modellbasierte Entwurfsumgebung BIM Simulation Optimierung Codegenerierung Gebäude Nutzung TGA Lokale Reglung Energieverbraucher Energieerzeuger Energiespeicher Kommunikationsnetzwerk Konstruktion Sensorik Aktorik Gebäudeautomation Building Automation and Control System (BACS) Automatisch Gewerkeübegreifend Optimierend 23

22 Modellbasierte Optimierung - Offline Simulator Gebäudemodell Nutzung TGA Lokale Reglung Energieverbraucher Energieerzeuger Energiespeicher Kommunikationsnetzwerk Konstruktion Wohnqualität, Energieverbrauch, Investkosten Kostenfunktion Optimierer Steuerparameter 24

23 Architekturen - Überblick Sensordaten Komforteinstellung Nutzerbelegung Wetterdaten Aktuell Vorhersage Gebäudeautomation Building Automation and Control System (BACS) Automatisch Gewerkeübegreifend Optimierend Aktorsignale Belegungspläne Statistische Vorhersagen Präsenzdetektion (IR, Ultraschall, optisch, Funk) 25

24 Architekturen Adaptive Reglung Sensordaten Komforteinstellung Nutzerbelegung Wetterdaten Sensordaten Komforteinstellung Nutzerbelegung Systemzustand Gebäudeautomation Building Automation and Control System (BACS) Aktuatordaten Regelparameter Aktorsignale Wetterdaten Aktuell Vorhersage Automatisch Gewerkeübegreifend History Optimierend Belegungspläne Statistische Vorhersagen Präsenzdetektion (IR, Ultraschall, optisch, Funk) 26

25 Architekturen Modellprädiktive Reglung Sensordaten Komforteinstellung Nutzerbelegung Wetterdaten Sensordaten Komforteinstellung Nutzerbelegung Berechnete Aktuatordaten BACS Optimizer Kostenfunktion Modellprädikitive Regelung Aktuatordaten Vorhergesagter Systemzustand Aktorsignale Wetterdaten Aktuell Vorhersage Energy Automatisch Self Learning Calculation Gewerkeübegreifend Forecasting Optimierend History Belegungspläne Statistische Vorhersagen Präsenzdetektion (IR, Ultraschall, optisch, Funk) 27

26 Beispiel Einzelraumsteuerung Konferenzraum < 20 Personen Volumen: 169 m 3 3 Kühlkassetten 3 Radiatoren Außenjalousie LED + Röhren Room 51 Kompaktsensoren (Helligkeit, CO2, Bewegung) Feuchte- und Temperatursensoren 28

27 Beispiel Einzelraumsteuerung VDE 3813 Inputs Outputs 29

28 Beispiel Einzelraumsteuerung VDI

29 Kostenabschätzung Einzelraum, ohne Installation Zentrale GUI 3x Jalousiesteuerung 3x Heizstellventil 3x Kombisensor (Feuchte, Temp.) 3x Fensterkontaktsensor Lichtsensor Wärmemengenzähler Strommesser 3xLichtaktor 3xTaster Wetterstation Bewegungsmelder 8.000, , , , , , , ,00 0,00 Anbieter Fehlende Komponenten (geschätzt) Verfügbare Komponenten 31

30 Beispiel Gebäudekühlung Gebläsekonvektoren Kältemaschine Optimierung von Laststufe der Wärmepumpe Hysterese der Wärmepumpe Laststufen Kühlaggregat Hysterese des Kühlaggregats Wärmepumpe 32

31 Beispiel Gebäudekühlung 151,7 116,3 Einsparung 37

32 Marksituation Fakten Smart Home/Building Umsatz in Europa 2010: 1,769 Mio EUR, Wachstum 2,6% bis 2017 Anteil Deutschland 33% Schwerpunkte 2010 (2017) HVAC+Sanitär: 50% (35%) Energiemanagement 35 % (40%) Endnutzer Bürogebäude 23%, Industrie 17% Wohngebäude/Smart Home???? Anteil Neubau 56%, Rekonstruktion 44% Top 5 (87%): Siemens, Honeywell, Johnson Controls, Schneider Electric, Sauter Quelle: Frost & Sullivan 38

33 Marksituation Smart Home/Building Treiber und Restriktionen 41

34 Intelligente Gebäude Ausblick Intelligente Gebäudesteuerung sind Wachstumsmarkt Haupttreiber ist Energieeffizienz neben Komfortverbesserung Smart Home derzeit eher Nischenmarkt, Markt ab 2015 erwartet Technologische Basis ausbauen: ICT: Big Data, Clouds, Security, Funknetze Sensor- und Aktuatortechnologie inkl. Energy Harvesting Selbstlernende Systeme Erforderlich: Vereinheitlichungen für Geräte-Schnittstellen und Protokolle Ausbildungsprofile für Entwickler, Installateure und Dienstleister Nutzerschnittstellen einschl. Nutzungsprofile Hemmnisse sind hohe Anfangsinvestitionen, lange Payback-Perioden, Skepsis der Endkunden 42

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Institutsteil Entwurfsautomatisierung EAS Zeunerstraße Dresden Fraunhofer IIS/EAS