Innovationswerkstatt für Smart Buildings
Fraunhofer-Lösungen für die Baubranche
Die Anforderungen an die Konstruktion von Gebäuden wandeln sich: Waren es bisher die Eigenschaften der Baustoffe, die Funktion und Design bestimmten, wird in der Zukunft die Kombination von Materialien mit Gebäudeautomation und Informationstechnik die Innovationen antreiben. Es wird nicht mehr nur darum gehen, durch die Wahl der richtigen Materialkombinationen eine funktionale und energieeffiziente Gebäudehülle zu entwerfen. Beim Gebäudeentwurf wird sich die Aufgabe stellen, eine intelligente, assistive Umgebung zu konzipieren, die den Anwendungsprozess im Gebäude optimal unterstützt. Ähnlich wie beim Automobil verlagern sich die Anforderungen hin zur Sensorik, die das Verhalten der Gebäudenutzer erkennt, zur Aktorik, die die raumklimatischen Anforderungen über die Anlagentechnik einstellt, und zur Informationstechnik, die das Management des Gesamtsystems übernimmt. Gute Lösungen erfordern einen Systemansatz, der von der Bauphysik über die Anlagentechnik, von der Gebäudeautomation bis hin zur Arbeitsorganisation reicht.
Systemforschung für die nächste Gebäudegeneration
Es ist unabdingbar, die Anwendungsprozesse im Gebäude und ihre Wechselwirkungen mit den Gebäudeeigenschaften gemeinsam zu betrachten. Nur so können die Anforderungen an die Technologien erfasst und deren Rückwirkungen auf die Prozesse bereits in frühen Entwurfsphasen analysiert werden. Die Vorgehensweise bei der Entwicklung entsprechender Lösungen ist ausgesprochen komplex. Die Konstruktion und Errichtung von Gebäuden ist heute noch so stark wie kein anderer Bereich geprägt von der Trennung der Gewerke und dem Nebeneinander der verschiedenen Disziplinen. Man fühlt sich an die Situation in der Automobilbranche vor 40 Jahren erinnert. Damals wurde der Innovationsprozess von den Herstellern betrieben, die letztendlich als Systemintegratoren die Bereiche Maschinenbau und Informationstechnik zusammenführten. Die Bauindustrie hat diesen Prozess noch vor sich.
Mit dem Fraunhofer-inHaus-Zentrum für intelligente Raum- und Gebäudesysteme in Duisburg ist in den vergangenen Jahren eine europaweit einmalige Plattform entstanden, in der dieser wichtige Dialog von Fachleuten verschiedenener Disziplinen intensiv geführt wird, vom Anwender bis zum Wissenschaftler. Hier werden Methoden und Werkzeuge konzipiert, um gemeinsam mit den Gebäudenutzern Lösungen zu entwickeln. Prototypen werden in den Anwendungslabors in einem frühen Stadium im wahrsten Sinne des Wortes „begreifbar“ gemacht, um Vor- und Nachteile umfassend zu diskutieren und zu optimieren.
inHaus1
Innovation durch Systemintegration
Als das inHaus1 als Anwendungslabor nutzbares Wohngebäude 2001 in Duisburg eröffnet wurde, bestimmte die Konvergenz der Bereiche TV/Audio/PC die Diskussion um die zukünftige Technikausstattung von Wohngebäuden. Das Internet eröffnete die Möglichkeit, Wohnhäuser so daran anzubinden, dass Plattformen für Dienstleistungen entstehen. Die Kombination von Multimedia-Technik und Gebäudeautomation ermöglichte neue Funktionen und Bedienmöglichkeiten. Die Systemintegration basierte im Wesentlichen auf einer Art „Middleware“, mit der einerseits die unterschiedlichen Kommunikationssysteme im Haus mit einem Service-Gateway verbunden wurden, andererseits ließ sich auf dem Service-Gateway Anwendungssoftware für neuartige Funktionen im Gebäude laden.
Der Schwerpunkt lag damals auf dem Design von neuen Anwendungen, bei denen entweder manuelle Steuerungsvorgänge automatisiert wurden (Beispiel „intelligente Badewanne“) oder bei denen die Bedienung der Gebäudetechnik über das Internet erfolgte (Internet-Gateways, Service-Portale wie z.B. die TeleHome-Plattform der Deutschen Telekom). So entstanden Lösungen für Sicherheit, Energieeffizienz und Unterstützung von Personen sowie eine Fülle von unterschiedlicher Bedienkonzepten und Bedienmöglichkeiten bis hin zur Kombination von Gebäude und Fahrzeug: Die Haustür lässt sich vom Auto aus öffnen, die Mediathek im Fahrzeug vom Haus aus pflegen.
Handhabungs- und Akzeptanzfragen wurden in enger Zusammenarbeit mit Sozialfor
schern im inHaus1 Anwendungslabor diskutiert, mehr als 250 Architekten nahmen das Angebot zur Teilnahme an Weiterbildungsveranstaltungen wahr. Die inHaus1 Anlage ist damit eines der ältesten und erprobtesten
Living Labs in Europa und steht weiterhin für Produktentwicklungen zur Verfügung.
Assistenzfunktionen für Gebäude
Die Entwicklung von Assistenzfunktionen in Gebäuden hat gerade erst begonnen. Gesellschaftliche Entwicklungen wie demografischer Wandel und Energiewende machen den breiten Einsatz notwendig. Dabei geht es auch darum, wie kostengünstige, universal nutzbare Infrastrukturen in Neubauten, vor allem aber auch in Bestandsgebäuden installiert werden können. Es zeichnet sich ab, dass bei Neuentwicklungen von Bauteilen die Integration von Sensoren und Aktoren eine wichtige Rolle spielen werden. Die Auslegung von Assistenzfunktionen erfordert neben dem Know-How über die Anwendung auch ein grundlegendes Verständnis über bauphysikalische und anlagentechnische Zusammenhänge. Damit kommt der Organisation der interdisziplinären Zusammenarbeit eine Schlüsselrolle zu.
Assistenzfunktionen für das Wohnen im Alter
Ambient Assisted Living (AAL), d.h. die Unterstützung des Wohnens im Alter durch Heimvernetzung, erlebt aktuell einen Boom in Deutschland. Über die verschiedenen Forschungsprogramme wurden vom Bundesforschungsministerium bisher Projekte im Volu
men von 140 Mio. € gefördert. Die Themen
reichen von der Marktforschung, der Entwicklung von Dienstleistungen in Kombination mit der Heimvernetzung, der Technologieentwicklung bis zur Pilotierung von Lösungen. Konsequenterweise ist der altersgerechte (Um-)Bau von Immobilien eine wichtige Aufgabe. Bis heute beschränken sich die Maßnahmen weitgehend auf die Reduzierung und Vermeidung von Barrieren wie Stufen oder Schwellen. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich allerdings, dass in immer stärkerem Maße kognitive und motorische Einschränkungen das selbstständige Wohnen limitieren. Für die Betroffenen sind Maßnahmen notwendig, mit denen sich diese Defizite kompensieren lassen.
Die Konzeption und Entwicklung von entsprechenden Lösungen ist seit 2005 Thema von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im inHaus-Zentrum. Zunächst ging es darum, mit den Betreuern der Betroffenen Ansatzpunkte für eine umfassende Unterstützung zu finden. Hierzu wurden in der inHaus1 Anlage Workshops durchgeführt und der Unterstützungsbedarf in Alltagssituationen diskutiert. Die Arbeiten führten zur Definition einer Art Assistenz-Infrastruktur, bestehend aus Automatisierungsfunktionen für die Beleuchtung, Sicherheitsfunktionen für die Herdsteuerung und Bewegungsmeldern für das Verhaltens-Monitoring, die anschließend in realen Pflegeeinrichtungen installiert und getestet wurden. In der Kreativ-Werkstatt in Haus1 entstanden Lösungen wie das Familien-Terminal zum Austausch von Video-Botschaften, eine Art Skype-Konferenz aus dem Wohnzimmer, bis hin zur Entwicklung von Algorithmen zur Erkennung von Verhaltensauffälligkeiten, mit denen eine deutliche Verschlechterung der Selbstständigkeit von Personen erkannt werden kann. Der Bereich der Assistenzfunktionen für das Wohnen im Alter wird mittlerweile von drei Fraunhofer-Instituten (IMS, ISST und IAO) bearbeitet. In der inHaus2 Anlage entstand auf einer Fläche von 350 m² ein Care-Lab, das heute für die umfassende Entwicklung und Demonstration von Assistenzfunktionen genutzt wird.
Assistenzfunktionen zur Steigerung der Energieeffizienz
Ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld ist die Entwicklung von Assistenzfunktionen zur Steigerung der Energieeffizienz. Diverse Studien zeigen, dass insbesondere das Nutzerverhalten sowie schlecht auf die Gebäudeeigenschaften abgestimmte Anlagentechnik den Energieverbrauch maßgeblich beeinflussen. Die größten Effizienzsteigerungspoten-tiale in Wohngebäuden liegen heute in der bedarfsgerechten Raumtemperaturregelung, die Räume nur dann heizt, wenn diese benötigt werden. Des Weiteren gilt es, die gewünschten Raumtemperaturen möglichst exakt einzuhalten, um die Überhitzung von Räumen und den damit verbundenen Mehrbedarf an Heizenergie zu vermeiden. Ein weiterer wesentlicher Einflussfaktor ist das richtige Lüftungsverhalten. Bei nicht ausreichen
der Belüftung steigen C02- Gehalt und Feuchtigkeit an. Letzteres führt gerade bei schlecht gedämmten Gebäuden zu Taupunkt-Unterschreitungen an Wärmebrücken, die aufwendig zu sanierende Bauschäden bewirken. Bei zu starker Lüftung führt der damit verbundene Wärmeverlust zu einer Verbrauchserhöhung des Heizbedarfs. Das Fraunhofer-IMS entwickelt aktuell Assistenzfunktionen, die den Nutzer bei der energieeffizienten Wohnungslüftung unterstützen.
Ein wichtiges Element ist die Verbesserung der energetischen Qualität der Gebäudesubstanz. Das Fraunhofer-IBP untersucht, wie sich mit dem Aufbringen einer Innendämmung der Energieverbrauch signifikant senken lässt. Hierzu wurde auf einzelnen Flächen im Gebäude eine Dämmschicht aus Vakuum-Isolierpaneelen aufgebracht und der Wärmetransport durch sanierte und nicht sanierte Bauteile vermessen. Zur Qualitätssicherung sind die Vacupads mit Transponder-Drucksensoren ausgestattet, welche sich durch die geschlossenen Wandflächen auslesen lassen. Auf diese Weise lässt sich gut kontrollieren, ob die Dämmwirkung erhalten bleibt oder sich das Vakuum im Laufe der Zeit reduziert. Bei der Kombination von Innendämmung mit einer zeitgesteuerten Einzelraum-Temperaturregelung lassen sich Räume schneller aufheizen, die schneller steigenden Oberflächentemperaturen versprechen eine größere Behaglichkeit.
Nicht zuletzt führt der steigende Anteil an regenerativen Energien zu einem Paradigmenwechsel für die Energieversorgung von Gebäuden. Zukünftig sind in stärkerem Umfang Funktionen gefragt, mit denen der Energieverbrauch dem Angebot folgen kann. Verglichen mit der heutigen Betriebsführung von Gebäuden, bei denen vorausgesetzt wird, dass die Erzeugung dem Verbrauch folgt, dass also zu jedem Zeitpunkt eine ausreichende Energiemenge zur Verfügung steht, steigt die Komplexitätsanforderungen an das Energiemanagement. Eine intelligente Betriebsführungsstrategie reagiert auf die Voraussage des Energieangebots derart, dass z. B. die Wärmespeicherfähigkeit des Gebäudes für ein Lastmanagement genutzt wird, um für den Nutzer wahrnehmbare Einschränkungen im Komfort weitgehend zu vermeiden. Die Konstruktion von Gebäuden wird zukünftig auch diese Aspekte berücksichtigen müssen.
Die im inHaus-Zentrum kooperierenden Partner verfolgen die Strategie, den Einfluss von verschiedenen Maßnahmen zu ermitteln und diese später zu einer Gesamtlösung zu kombinieren, die später vor allem auch in Bestandsgebäuden eingesetzt werden kann.
Neue Konzepte für die Energieversorgung von Gebäuden
Ein großes Potential für die Steigerung der Energieeffizienz liegt auch darin, die elektrische Energie dezentral über Blockheizkraftwerke (BHKW) zu erzeugen. Mit ihnen lässt sich die Abwärme der elektrischen Energieerzeugung für die Gebäudeheizung und Brauchwassererwärmung sinnvoll nutzen, während Großkraftwerke diese zum überwiegenden Teil über Kühltürme an die Atmosphäre abgeben. Auch führt die dezentrale Erzeugung der Energie dort, wo sie gebraucht wird, zu einer Entlastung der Stromnetze. Ausgesprochen komplex wird es, wenn BHKW stromgeführt, d.h. zur Deckung von Spitzenlasten verwendet werden, das Haussystem andererseits aber auch in die Lage sein soll, preiswert zur Verfügung stehende elektrische Energie (z.B. bei einem vorhandenen Überschuss) für die Gebäudeheizung zu nutzen. Diese Ansätze führen zur Entwicklung von Contracting-Modellen für kleinere Liegenschaften, wie sie aktuell im inHaus-Zentrum erarbeitet werden. Das Fraunhofer-ISE hat hierzu Lastprofile von in Frage kommenden Gebäuden simuliert und das Fraunhofer-IMS setzt nun auf diese Lastprofile auf und steuert ein im inHaus installiertes BHKW entsprechend, wobei die sich einstellenden Betriebsparameter und Wirkungsgrade untersucht werden. So kann die Gesamtanordnung auf Preis- und Lastanforderungssignale der Energieversorger reagieren und die Energie im Gebäude wirtschaftlich zur Verfügung stellen.
Zusammenfassung und Ausblick
Zukunftstrends wie der Wunsch nach Energie- und CO2-Einsparung, multifunktionalen Bauteilsystemen, Lebenszykluskosten-Betrachtung und Nutzungsflexibilität bedingen eine hochgradig interdisziplinäre Vorgehensweise. Dabei geht es nicht mehr darum, einzelne Bereiche möglichst optimal zu gestalten, sondern die Gesamtlösung zu optimieren. Ein großer Innovationstreiber wird die Kombination der Materialentwicklung mit der Elektronik und Informationstechnik sein. Die Erfahrungen der letzten Jahre haben das Potential, aber auch die Herausforderungen in der Organisation der Zusammenarbeit bislang weitgehend getrennt agierender Bereiche gezeigt. Eine Schlüsselrolle kommt dabei der frühzeitigen Einbeziehung der Anwender in den Innovationsprozess zu. Deren Anforderungen und Aufgabenstellungen müssen in Technik-Lösungen übersetzt werden, wobei nicht jeder Übersetzungsvorgang wiederum die ursprüngliche Intention des Anwenders trifft. Hier übernehmen Living Labs wie das inHaus-Zentrum eine wichtige Aufgabe. Tendenziell geht die Entwicklung hin zur Optimierung von noch größeren und komplexeren Einheiten wie ganzen Städten, z. B. der CO2-emissionsfreien Stadt, wie sie im Nahen Osten oder in Asien heute im Gespräch sind. Ohne wirklich intelligente Gebäude mit ihren interdisziplinär erarbeiteten Anwendungslösungen als wichtige Bausteine lassen sich solche Visionen jedoch nicht realisieren.
