Was macht ein Gebäude intelligent oder smart? Sollen Gebäude der Zukunft denken können? Dieser Frage ist unser Forschungsteam in den letzten Jahren intensiv nachgegangen.
Im Rahmen von Forschungsprojekten, die vom FWF (Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung) unterstützt werden, beschreiten wir den Weg hin zu sentienten – „mitdenkenden” und „mitfühlenden” – Gebäuden der Zukunft jenseits herkömmlicher Ansätze im Gebäudeautomationsbereich. Solche Gebäude sind in der Lage, auf die unterschiedlichen Komfortbedürfnisse von Nutzern einzugehen bei gleichzeitiger Maximierung der Energieeffizienz. Ein Systemprototyp einer sentienten Gebäudesteuerung wurde in meiner Abteilung realisiert und getestet.
Nutzerkomfort und Energieeffizienz durch sentiente Gebäude
Ein sentientes Gebäude kann aufgrund von sensorbasierten Informationen über den Außenbereich – Temperatur, Wind- und Lichtverhältnisse – und den Innenbereich – Innenklima, Luftqualität, Raumbelegung – die optimalen Bedingungen für visuellen und thermischen Komfort identifizieren. Diese Informationen werden als ein umfassendes, dynamisches und virtuelles Modell des Gebäudes erfasst und strukturiert. Dieses digitale Modell, das in Echtzeit regelmäßig aktualisiert wird, geht weit über eine traditionelle CAD-Darstellung hinaus und bildet zusätzlich etwa sämtliche technische Gebäudeeinrichtungen für Heizung, Lüftung, Kühlung und Beleuchtung ab. Die Steuerungseinheit eines sentienten Gebäudes benützt dieses Modell zur virtuellen Überprüfung von möglichen Systemsteuerungsalternativen in regelmäßigen Intervallen.
Die Konsequenzen dieser Alternativen für Nutzerkomfort und Energieeffizienz werden mittels Simulation erfasst und aufgrund der von Nutzern und Facility-Managern deklarierten Sollwerte bewertet. Die optimale Alternative kann sodann direkt von dem System herbeigeführt werden oder dem Nutzer als Vorschlag vermittelt werden. Somit besteht die Zielsetzung unseres Forschungsteams nicht darin, die Entscheidungen der Nutzer zu ersetzen oder vorwegzunehmen. Den Nutzern soll vielmehr die Möglichkeit gegeben werden, aufgrund von besseren Informationen selbst die innenklimatischen Bedingungen an ihrem Arbeitsplatz oder ihrer Wohnumgebung zu gestalten. Ein Nutzer kann letztlich bestimmen, ob beschattet, ob das Licht an- oder abgedreht und welche Temperatur eingestellt wird. Ein mitdenkendes Gebäude soll sicherstellen, dass dies unter bestmöglicher Abstimmung der beteiligten Gebäudesysteme und mit optimaler Energie-Performance erfolgt. In Zeiten, wenn keine Nutzer im Gebäude sind, kann das System den Idealzustand – vor allem in Sinne einer nachhaltigen Gebäudeoperation – selbstständig identifizieren und realisieren.
Konzept von sentienten Gebäuden als Forschungsmotiv
Unser Forschungsziel bestand darin, einen systematischen Ansatz für das Konzept von ntelligenten – sentienten – Gebäuden umzusetzen, zu testen und zu dokumentieren. Solche Gebäude sollen:
- eine interne digitale Repräsentation ihres Kontexts,
- ihrer Komponenten und Prozesse besitzen;
- in der Lage sein, automatisch und autonom diese Repräsentation
- im Verlauf der Zeit zu aktualisieren;
- diese Repräsentation für Facility Management und
- Gebäudeautomation verwenden können.
Von der Theorie zur praktischen Umsetzung
Um diesem Ziel näher zu kommen, untersuchten wir die Realisierbarkeit von sensorbasierten, hochauflösenden Gebäudemodellen, welche sich über die Zeit automatisch rekonfigurieren können als Reaktion auf bestimmte Ereignisse in einem Gebäude. Zur einfachen Veranschaulichung der Funktionsweise einer sentienten Gebäudesteuerungsstrategie wählten wir das Beispiel der Steuerung der Beschattungs- und Beleuchtungssysteme in Bürogebäuden. In diesem Fall enthält das digitale dynamische Eigenmodell des Raumes Informationen über Außenbedingungen – die Leuchtdichteverteilung des Himmels – und die Innenverhältnisse – Raumgeometrie und -einrichtung, Nutzeranwesenheit und -anforderungen. Das Himmelsmodell wird durch kalibriertes „Sky-scanning” mit einer digitalen, mit Fisheye-Linse ausgestatteten Kamera erfasst und automatisch aktualisiert.
Die Veränderungen in der internen Konfiguration von Innenräumen werden dynamisch erfasst und können mit Hilfe eines optischen Objekt- und Personen-Sensoriksystems erfasst werden. „Tags”, welche an Objekten wie Tischen oder Wänden angebracht sind, werden mit einer digitalen Kamera gescannt. Ein Mustererkennungsalgorithmus errechnet die Lage und Orientierung des „Tags” und entziffert einen Code, mit welchem die Geometrie und andere Objekteigenschaften in einer Datenbank abgefragt werden können. Das resultierende, umfassende und laufend aktualisierte Kontext- und Raummodell wird dann von der Steuerungseinheit eines sentienten Gebäudes benützt, um die Konsequenzen alternativer Steuerungsaktionen, d. h. in diesem Fall die verschiedene Stellung der Beschattungs- und Beleuchtungssysteme, mittels nummerischer Lichtsimulationen zu evaluieren. Diese werden im Voraus berechnet und verglichen. Dadurch können die Beleuchtungsverhältnisse im Raum optimiert werden. Die Kontrollalternative mit der besten Gesamtperformance im Hinblick auf Nutzerkomfort und Energieeffizienz wird ausgewählt und eine entsprechende Empfehlung für die Anpassung der Leuchten und Beschattungselemente ausgegeben.
Das Ergebnis der Testläufe ist vielversprechend
Die von unserem Forschungsteam durchgeführten Testläufe haben demonstriert, dass sich die sentiente Gebäudesteuerungsstrategie als vielversprechend erwiesen hat. Derzeit wird im Rahmen eines von FWF und Industrie unterstützten Vorhabens die Erweiterung des simulationsbasierten Steuerungsansatzes zur Erfassung sämtlicher Innenklimasysteme von sentienten Gebäuden untersucht.
