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31.08.2020 | Niels Bartels, Gerhard Weilandt

Smart Building als Erfolgsfaktor

Digitale Vernetzung von Gebäuden

Investition in Smart Buildings lohnen sich – vor allem beim systematisierten Bauen. Hier sind die Voraussetzungen für effizientes Bauen und Betreiben günstiger als bei individuellen Gebäuden.

1. Einleitung

Neben Building Information Modeling (BIM) wird in der Branche derzeit kaum ein anderer Begriff so intensiv diskutiert wie Smart Building. Mit smarten Gebäuden werden Mehrwerte für Nutzer, Betreiber und Eigentümer im Hinblick auf die Leistungserbringung der Primär- und Sekundärprozesse verbunden. Ein wesentliches Hemmnis, das mit smarten Gebäuden einhergeht, sind jedoch die häufig hohen Kosten für die Implementierung und den Betrieb von smarten Lösungen. Das systematisierte Bauen bietet eine Möglichkeit, den Kostenaufwand zu minimieren.

1.1 Definition von Smart Building

Eine Literaturanalyse zeigt, dass der Begriff Smart Building derzeit vielfältig benutzt wird. [1] Im Vordergrund steht jedoch immer der interaktive Kontrollfluss von Daten. Folglich stellt Smart Building einen Oberbegriff für verschiedene Anwendungsfälle dar und bezeichnet zunächst alle Gebäude, die über intelligente Lösungen zur Sammlung von Daten verfügen. [2]

Durch eine System- und Datenintegration sowie eine IT-Integration können mehr Kontrolle und höhere Effektivität bei der Nutzerkommunikation erreicht werden. Darüber hinaus kann durch die echtzeitintegrierte und optimierte Technische Gebäudeausrüstung (TGA) die Interaktion des Betriebs mit dem Nutzer optimiert werden. [3]

Smarte Lösungen werden für verschiedene Gebäudetypen angeboten. Im privaten Wohnraum wird regelmäßig der Begriff Smart Home verwendet. Mit einem geschätzten Umsatz von rund 4,3 Mrd. Euro im Jahr 2020 (bis 2024 voraussichtlich 6,7 Mrd. Euro) und einer Penetrationsrate von 20,1 Prozent (bis 2024 voraussichtlich 36,6 Prozent) herrscht bei Smart-Home-Lösungen bereits eine große Marktdurchdringung. [4]

In Abgrenzung dazu bezeichnet ein Smart Building ein Zweckgebäude, das über intelligente Lösungen verfügt. Hierunter fallen auch Begriffe wie Smart Factory (intelligente Produktionsgebäude) oder Smart Office (intelligente Büroflächen).

1.2 Daten und Smart Buildings

Die Grundlage für die Datengenerierung bilden Hardwarekomponenten wie Sensoren und Aktoren, die Raum- und Anlagenautomation sowie die Systeme der Informationstechnik mit ihren Servern. [5] Die Hardware ermöglicht es, Daten des Gebäudes zunächst unqualifiziert zu sammeln. Die zweite wesentliche Komponente bildet die Software, die mithilfe von offenen Schnittstellen (z. B. ein Application Programming Interface, kurz: API, oder Protokolle) die Daten in die Cloud überführen.

Dort werden die erfassten Daten verarbeitet und aufbereitet, sodass die verschiedenen Nutzer auf die Daten zugreifen und sie nutzbar machen können. Auf Basis der in der Cloud gesammelten und strukturierten Datengrundlage, bestehend aus Echtzeit- und historischen Daten, können Eigentümer und Facility Management (FM) die Gebäudeperformance analysieren und die Serviceleistungen kontinuierlich optimieren. [6]

Darüber hinaus können Nutzeroberflächen bereitgestellt werden, die den Gebäudenutzern eine intuitive Steuerung des Gebäudes ermöglichen oder Informationen zu dem Gebäude und seinen Räumen geben. Diese Zusammenhänge sind in Abbildung 1 dargestellt.

 

Abbildung 1: Bestandteile eines Smart Buildings, Bild: Goldbeck GmbH

Die vorgenannten Ausführungen zeigen, dass es sich bei Smart Buildings um einen Ansatz handelt, der integrierte Lösungen erfordert. Eine Analyse von aktuellen Smart-Building-Projekten zeigt jedoch, dass derzeit regelmäßig die vorhandene TGA mit zusätzlicher Sensorik ergänzt wird, ohne eine Integration der Komponenten vorzunehmen. Eine integrierte Lösung ist jedoch für die Anwendung von Smart Buildings erforderlich, damit neben der Nutzerorientierung von Smart-Building-Lösungen eine Optimierung der TGA erreicht werden kann.

1.3 Systematisiertes Bauen

Einen Lösungsansatz zur Umsetzung dieser integrierten Lösungen bietet das systematisierte Bauen. Systematisiertes Bauen beschreibt einen Planungs- und Bauablauf, der auf definierten Prozessen, Bausystemen und Vorproduktion basiert. In der Literatur wird das systematisierte Bauen regelmäßig als Gegensatz zum Bauen vor Ort angesehen. [6]

Die Planung von systematisierten Gebäuden basiert auf Bausystemen. Diese Bausysteme stellen evaluierte Standards im Hinblick auf Raster und Ausführungsdetails dar. Neben architektonischen, tragwerksplanerischen oder energetischen Standards werden zunehmend Standards der TGA definiert. Hierdurch können individuelle Fehler vermieden und eine Qualitätssteigerung sowie Optimierungen in der zeitlichen Abwicklung von Bauprojekten erreicht werden. [7]

Darüber hinaus werden die Bauelemente, z. B. Außenwandelemente oder Deckenplatten, in der Regel in Werken maschinell vorproduziert. Die Handarbeit auf der Baustelle wird in eine industrielle Umgebung verlagert, das vorgefertigte Bauelement auf der Baustelle nur noch montiert (siehe Abbildung 2).

 

Abbildung 2: Beispielhafte Darstellung von vorproduzierten Bauteilen (hier: Außenwandelement), Bild: Goldbeck GmbH

Was zunächst wie ein Gegensatz klingt, ist tatsächlich ein wesentlicher Erfolgsfaktor der systematisierten Bauweise. Da Prozesse, Bausysteme und Vorproduktion standardisiert sind, können umso mehr Kapazitäten in die Individualisierung der sichtbaren und funktionalen Gebäudemerkmale investiert werden – allen voran in Architektur, Innenausstattung und die technischen Gebäudeanlagen.

Nachfolgend soll dargestellt werden, welches Potenzial in der Verbindung von Smart-Building-Lösungen und systematisierten Gebäuden besteht.

2. Notwendigkeit von Systematisierung bei Smart Buildings

2.1 Umsetzung von Smart Building bei systematisierten Gebäuden

Eine Analyse von aktuellen Referenzprojekten zeigt, dass ein Einsatz von Smart-Building-Lösungen derzeit mit einem hohen technischen und finanziellen Aufwand verbunden ist. Aufgrund der fehlenden Datenstandards ist davon auszugehen, dass die spezifischen Programmierungen nicht wirtschaftlich umgesetzt werden können.

Der Einsatz von Smart-Building-Lösungen im Zusammengang mit systematisierten Gebäuden ermöglicht dagegen Skaleneffekte. Diese wirken sich nicht nur positiv auf die Wirtschaftlichkeit aus und machen Smart Building für einen breiteren Markt und eine Vielzahl von Anwendern zugänglich, sondern bieten auch die Chance die Effizienz und die Optimierungspotenziale quantitativ zu validieren.

Bei systematisierten Gebäuden erfolgt zudem eine Integration der unterschiedlichen Systeme, während bei konventioneller Bauweise oder Revitalisierung üblicherweise nur Add-On-Technik verbaut und genutzt wird.

Da bei systematisierten Gebäuden neben dem Bausystem insbesondere auch die TGA im System geplant und ausgeführt wird, wird ein punktueller Einsatz von Aktorik und Sensorik ermöglicht. Dadurch werden zusätzliche relevante Daten gesammelt und mit den Daten, die bereits im Gebäude vorhanden sind (z. B. Daten der Raum- und Anlagenautomation), verknüpft. Diese integrierte Lösung bildet die Grundlage dafür, dass alle für ein Smart Building relevanten Daten gesammelt werden können, ohne Add-On-Technik in großen Dimensionen zu installieren. Lediglich unter dieser Prämisse sind smarte Lösungen in Folgeprojekten replizierbar.

Es wird deutlich, dass systematisierte Gebäude anders mit Smart-Building-Lösungen umgehen können als individuelle Einzellösungen. In den nachfolgenden Abschnitten wird die Relevanz von systematisierten Lösungen für die Entwicklung von Smart Buildings erläutert.

2.2 Relevanz des Einsatzes von systematisierten Smart-Building-Lösungen

In Abbildung 3 sind die wesentlichen Faktoren für die Relevanz von systematisierten Smart-Building-Lösungen dargestellt. Neben API und Schnittstellen, die in mehreren Projekten eingesetzt werden können, und Hardware, die von Partnern bereitgestellt wird, ergeben sich auch Vorteile auf der Kommunikationsebene.

Datenschutzrelevante Absprachen müssen beispielsweise nicht mehr spezifisch für die Projekte abgestimmt, sondern können für alle relevanten Projekte gleich angewendet werden. Darüber hinaus erfolgt eine optimierte Datenanalyse, da Benchmarks erstellt werden können. Optimierungen können erkannt und mit den Partnern abgestimmt werden, sodass sich die zuvor genannten Faktoren kontinuierlich verbessern lassen.

Abbildung 3: Vorteile von systematisierten Smart Buildings, Bild: Goldbeck GmbH

Darüber hinaus bieten die mit der BIM-Methodik erstellten digitalen Gebäudemodelle im Rahmen des systematisierten Bauens eine optimale Grundlage zur Verarbeitung der Daten aus smarten Gebäuden. Insbesondere die in den Bauteilbibliotheken erfassten BIM-Objekte bilden eine entscheidende Grundlage für den Erfolg eines smarten Gebäudes. In den nachfolgenden Abschnitten werden die in Abbildung 3 dargestellten Faktoren näher erläutert.

2.2.1 Schnittstellen und API

Auf der Feld-, Automations- und Managementebene der Technischen Gebäudeausrüstung existiert eine Vielzahl von Standardprotokollen. [9] Beispielhaft können hier BACnet, KNX, DALI, enocean, M-Bus oder Modbus genannt werden. Die Vielzahl von unterschiedlichen Protokollen in den Ebenen der TGA ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Beispielhafte Darstellung von Standardprotokollen, Bild: Goldbeck GmbH

Jedes dieser Standardprotokolle verfügt über eigene Spezifikationen, die sich auch auf den Datenfluss für ein Smart Building auswirken. Durch die Anpassung von Datentransfers auf Basis der einzelnen Standardprotokolle in einen Data Lake entstehen in der Regel Implementierungskosten, die bei jedem Smart Building zu tragen sind.

Durch die Systematisierung bieten sich hier gleich mehrere Möglichkeiten:

1. Das anzuwendende Standardprotokoll ist bei systematisierten Gebäuden definiert. Hierdurch wird ermöglicht, dass durch eine einzelne Implementierung der Datenanbindung (Protokoll -> Cloud -> Dashboard) eine Vielzahl von Gebäuden datentechnisch angebunden werden können. Ein zusätzlicher Layer, um die anfallenden Daten zu vereinheitlichen, entfällt in diesem Fall.

2. Für Systemintegratoren ermöglicht die Systematisierung eine optimierte Einbindung von Aktorik und Sensorik in das Smart Building. Hierdurch können sowohl Kosten in der Implementierung eingespart als auch Zeitvorteile erreicht werden.

3. Durch die Verknüpfung von Hardware und Software (z. B. Apps und zusätzliche Sensorik) entstehen integrierte Smart-Building-Lösungen, die die in Abbildung 4 dargestellten Ebenen ergänzen und miteinander verbinden. Hierdurch werden die Verschmelzung der Gebäudeautomation mit intelligenten und selbstlernenden Systemen sowie die einfache Bedienung mit einer einheitlichen Oberfläche ermöglicht. Die hieraus resultierende Pyramide ist in Abbildung 5 dargestellt. Durch eine Systematisierung von Smart-Building-Lösungen können diese Schnittstellen optimiert werden.

Abbildung 5: Interaktion im Smart Building, Bild: Goldbeck GmbH

2.2.2 Datenanalyse

Die Datenanalyse stellt ein entscheidendes Kriterium für den Erfolg eines Smart Building Projektes dar. Insbesondere die Bedeutung von Daten für die Erbringung von Smart Services wird regelmäßig hervorgehoben. [10]

Die Grundlage für die Vergleichbarkeit von Gebäudedaten bilden Daten über die Verbräuche und das Verhalten ohne den Einsatz von Smart-Building-Lösungen. Bei individuellen Gebäudetypen existiert eine Vielzahl von Variablen, die Vergleiche zwischen zwei Gebäuden erschweren. Dies können beispielsweise unterschiedliche TGA-Systeme, unterschiedliche Wandaufbauten oder Details sowie Unterschiede in der Architektur sein. Vor diesem Hintergrund können die mit den Smart-Building-Lösungen einhergehenden Vergleiche lediglich auf Grundlage von Simulationen getroffen werden.

Bei systematisierten Gebäuden hingegen sind Verbräuche und das Verhalten von technischen Anlagen sowie der Einfluss der Architektur auf den Gebäudelebenszyklus bereits datentechnisch erfasst und bewertet. Auf dieser Grundlage kann eine optimierte Datenanalyse stattfinden, die Rückschlüsse auf die Optimierung der Gebäudeperformance durch Smart-Building-Lösungen zulässt. Dies ist nicht zuletzt darauf zurückzuführen, dass im Bereich der systematisierten Gebäude die Anzahl der relevanten Variablen im Vergleich zum nichtsystematisierten Gebäude erheblich reduziert sind.

2.2.3 Optimierung

Die Datenanalyse von Gebäuden bildet eine wesentliche Grundlage für die Wirtschaftlichkeit und führt zu Optimierungen über den Gebäudelebenszyklus. Diese Optimierungen betreffen insbesondere die nachfolgenden Gruppen von Beteiligten:

1. Nutzer des Gebäudes: Insbesondere im Bereich des Smart Office unterstützen intelligente Gebäude die Nutzer. [11] Aufgrund von Optimierungen der Datenanalyse können beispielsweise Komfortfaktoren auf den Nutzer angepasst werden.

2. Facility Management: Das FM nutzt Smart Buildings zur Analyse und Optimierung von Services. Hierfür werden Daten aktiv ausgewertet (z. B. Belegungserfassung) und hierauf aufbauend die Services angepasst (z. B. bedarfsgerechte Reinigung).

3. Mieter: Der Mieter von Gebäuden führt ebenfalls Analysen des Gebäudes durch. Hierbei steht regelmäßig die Optimierung der Mietfläche oder der Raummodule im Fokus.

4. Eigentümer: Dem Eigentümer dienen Smart Buildings als Vermarktungsargument sowie als Analysetool bei Umnutzungen.

5. Anbieter von systematisierten Gebäuden: Die Auswertung der durch die Datenanalyse gewonnenen Erkenntnisse kann zu einer Optimierung der systematisierten Gebäude führen. Hierdurch führt die Anwendung von Smart-Building-Lösungen bei systematisierten Gebäuden zu einer stetigen Produktverbesserung im Hinblick auf Kundennutzen, Energieeffizienz und Bewirtschaftung.

Der Einsatz von systematisierten Smart-Building-Lösungen unterstützt dementsprechend auch bei der Optimierung der Gebäudeentwicklung. Der kontinuierliche Verbesserungsprozess kann bei systematisierten Gebäuden einfacher umgesetzt werden als bei nicht-systematisierten Gebäuden. Neben der Architektur spielt insbesondere die TGA-Systematisierung eine entscheidende Rolle, da die technischen Anlagen auf Grundlage von Datenanalysen besser eingestellt werden können.

2.2.4 Datenschutz und Datensicherheit

Daten, die im Rahmen von Smart Building anfallen, sind im Hinblick auf die Anforderungen der Datenschutzgrundverordnung (DSGVO) zu bewerten. Beispielsweise kommt es in Smart Buildings durch den Einsatz von Multisensoren in Gebäuden oder Anwendungsfälle wie Indoor Navigation regelmäßig zur Verarbeitung von personenbezogenen Daten. Dementsprechend sind alle notwendigen Maßnahmen zu treffen, um den Schutz von Daten zu gewährleisten.

Derzeit lässt sich aufgrund der Individualität der Smart-Building-Projekte feststellen, dass die Anforderungen an den Datenschutz aufgrund der jeweiligen Projektspezifika in der Regel nur mit einem hohen Aufwand erfasst und umgesetzt werden können. Darüber hinaus kommt es häufig auch dazu, dass die Gebäudedaten bei Anlagenherstellern, Dienstleistern mit Wartungsverträgen, Energielieferanten oder weiteren Beteiligten liegen. [12] Diese verteilte Datenhaltung ermöglicht zwar eine Vereinfachung des Datenschutzes, sie führt jedoch auch dazu, dass das Gebäude häufig nicht in seiner Gesamtheit erfasst werden kann.

Erfolgt der systematisierte Einsatz von Smart Building, wird es möglich, dass dieser Konflikt aufgelöst wird. Dies liegt insbesondere daran, dass grundlegende Verträge zum Datenschutz mit den beteiligten Partnern geschlossen werden, die Gültigkeit für die Smart-Building-Projekte besitzen und nicht für jedes Projekt individuell verhandelt werden müssen. Darüber hinaus führen diese Verträge über die Datenverarbeitung dazu, dass eine klare Vertragsstruktur sowie eine transparente Kommunikation mit einer transparenten Darstellung über den Umgang mit den Daten aus dem Smart Building von Beginn gegeben ist.  

2.2.5 OEM und Partnerschaften

Durch den Einsatz von systematisierten Smart-Building-Lösungen können langfristige Partnerschaften aufgebaut werden. Diese Partnerschaften tragen dazu bei, dass eine gemeinsame Entwicklung zwischen den Partnern durchgeführt werden kann, die Innovationen und Optimierungen des Produktes ermöglichen. Hierdurch wird die Qualität von Smart-Building-Lösungen und der damit verbundenen Technik langfristig gesteigert.

3. Fazit und Ausblick

Die Ausführungen zeigen, dass sich durch den systematisierten Einsatz von Smart-Building-Lösungen zahlreiche Vorteile ergeben. Insbesondere die Integration der TGA mit den Smart-Building-Lösungen führt dazu, dass Optimierungspotenziale wirtschaftlich realisiert und transparent dargestellt werden können. Einen wesentlichen Baustein bilden die Daten der BIM-Objekte aus den digitalen Gebäudemodellen, die als Grundlage für Analysen genutzt werden können.

Insbesondere im Hinblick auf den Einsatz künstlicher Intelligenz zur weiteren Optimierung der smarten Gebäude ist es notwendig, dass die Erfahrungen aus systematisierten Gebäuden genutzt werden. Denn erst die systematisierte Datenerfassung und die daraus resultierende Ableitung von Handlungen ermöglichen den direkten Vergleich von Gebäuden und tragen zur Erfolgsmessung von Smart-Building-Lösungen bei.


© Goldbeck GmbH
Autoren

Niels Bartels studierte berufsbegleitend an der DHBW Stuttgart und der Universität Wuppertal. Im Januar 2020 verteidigte er erfolgreich seine Promotion am Institut für Baubetriebswesen der TU Dresden. Derzeit arbeitet er als Innovationsmanager bei der GOLDBECK GmbH und ist dort verantwortlich für Smart Building sowie Projekte zur Digitalisierung des Bauens und zur Systematisierung der TGA. goldbeck.de


Gerhard Weilandt studierte an der Bergischen Universität Wuppertal Elektrotechnik und Automatisierungstechnik. Er leitete bei verschiedenen Generalunternehmen erfolgreich als Abteilungsleiter und Projektleiter in der Planung und Projektdurchführung. Aktuell arbeitet er als Innovationsmanager bei der GOLDBECK GmbH und ist verantwortlich für die Arbeitsfelder Smart Building und Technische Gebäudeausrüstung. goldbeck.de

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