Digitaler Zwilling senkt Energiebedarf

D ie digitale Transformation hat mittlerweile in beinahe allen Wirtschaftsbereichen Einzug gehalten. Wertschöpfungsketten und Geschäftsmodelle werden umfassend umgestaltet. Dass auch die Bau- und Immobilienwirtschaft endgültig von diesem Trend erfasst wurde, deutet eine Meldung der Fachhochschule Aachen an: Dort begann im Wintersemester 2018/2019 der neue Vollzeit-Studiengang „Smart Building Engineer“ mit dem Abschluss Bachelor of Engineering (www.fh-aachen.de/sbe/). Finanziert wird der Studiengang durch eine eigens gegründete Stiftung „Smart Building“. Für fünf Jahre wird der Studiengang mit zwei Stiftungsprofessuren inklusive Ausstattung und Personal monetär unterstützt.

Neben Fächern wie Baukonstruktion, Architektur und Umgang mit Simulationswerkzeugen ist das Building Information Modeling (BIM, deutsch: die Bauwerksdatenmodellierung) ein wichtiges Studienobjekt. Dahinter stecken die optimierte Planung, Ausführung und Bewirtschaftung von Bauwerken per Computersoftware. Profis rund um die Immobilie können Gebäude damit gemeinsam effizienter planen, bauen und betreiben.

Zwar haben viele Vertreter der Baubranche realisiert, dass damit ein Quantensprung bei der Digitalisierung von Immobilien möglich wird, doch in Deutschland verzögert sich die Umsetzung von BIM noch: Erst ab dem Jahr 2020 soll es zumindest für Infrastrukturprojekte in unserem Land Pflicht werden.

Der Energy-Comfort-Optimizer

Ganz anders bei unseren Nachbarn in den Niederlanden: BIM ist hier bei öffentlichen Ausschreibungen längst obligatorisch, jedes große Bauprojekt wird in BIM realisiert, so dass die Branche hier bereits umfassend im Thema ist.

So konnte das niederländische Technologieunternehmen Priva als Vorreiter und Anbieter im Bereich Gebäudeautomation frühzeitig erkennen, dass die Investition in Building Information Modeling durch Softwareeinsatz viele Bereiche der Immobilienwirtschaft revolutionieren wird.

Das Unternehmen, das zu den Stiftungsmitgliedern des eingangs erwähnten Studiengangs in Aachen gehört, startete vor 60 Jahren im südholländischen De Lier unweit von Den Haag. Priva ist heute als Anbieter in der Automatisierung von Gewächshäusern weltweit tätig. Im Bereich Automation von Gewerbeimmobilien entwickelt das Unternehmen als Spezialist für Klimatisierung, Energieeinsparung und nachhaltigem Einsatz natürlicher Ressourcen seit Jahren cloudbasierte Lösungen. Die zum Einsatz kommende, selbstlernende Software optimiert die Klimatisierung und den Energieverbrauch in Gebäuden automatisch. Auf der Basis von Künstlicher Intelligenz (KI) haben die Entwickler bei Priva inzwischen ihr Know-how in einer integrierten Applikation zusammengefasst, die kostengünstig, nachhaltig und ressourcenschonend, das Beste aus der Gebäudeausstattungs-„Hardware“ herausholt. Dieser sogenannte Energy-Comfort-Optimizer – kurz „ECO“ – arbeitet als Softwaretool, das als Ergänzung zu installierten Gebäudeautomationssystemen beliebiger Hersteller implementiert werden kann. Ohne menschliches Zutun und rund um die Uhr optimiert es die Klimabedingungen und den Energieverbrauch in Gebäuden basierend auf historischen Daten und Echtzeitdaten beispielsweise zu Wetteränderungen oder zu Energiepreisentwicklungen.

Beispielprojekt Rathaus von Berg en Dal

Bereits bei mehr als 14 Projekten konnte der „ECO“ zum Einsatz kommen und im Detail erprobt werden. Ein anschauliches Beispiel ist das Rathaus der niederländischen Gemeinde Berg en Dal (Berg und Tal) (Bild 1), die zwischen Nijmegen und der niederrheinisch-deutschen Grenze bei Kleve liegt.

Hintergrund ist, dass niederländische Gemeinden hochmotiviert sind, im Bereich Nachhaltigkeit eine Vorbildfunktion zu übernehmen. Der verantwortliche Gebäudemanager von Berg en Dal, Hans de Raef, arbeitet laufend an neuen Lösungen, um – an internationalen Klimazielen orientiert – CO₂-Emissionen zu reduzieren und Energie einzusparen. Darüber hinaus sieht er es als seine Pflicht an sicherzustellen, dass die Arbeitsbedingungen von 250 im Rathaus tätigen Menschen trotz individueller Raumklima-Erwartungen laufend optimiert werden. Nachdem Priva ihm vorab deutliche Einsparungen garantierte, gab die Gemeinde „grünes Licht“: „ECO“ wurde zum ersten Mal in einem Rathaus eingesetzt.

Im Anschluss arbeitete der Gebäudemanager der Gemeinde mit dem Projektleiter des Priva-Partnerunternehmens zusammen, das als MSR-Spezialist beauftragt wurde, das „ECO“-System auf das bestehende Gebäudeleitsystem aufzusetzen. Die im Gebäudekomplex installierten Controller wurden mit dem Priva-Cloud-Connector verbunden. Bei dieser Implementierung wurden u.a. die verschiedenen Klimazonen des Rathauses definiert.

Ab diesem Zeitpunkt übernahm die Software im laufenden Betrieb aus der Cloud heraus die komplette Steuerung des Raumklimas. Alles funktionierte reibungslos, abgesehen von einigen Tagen in der ersten Woche, in denen – bewirkt durch Anlernprozesse – leichte Temperaturschwankungen auftraten. Die Rathausmitarbeiter bemerkten es nicht – Gebäude­manager Hans de Raef hatte eine „warme Pullover-Woche“ organisiert.

Deutlich zeigten sich allerdings die Einsparwirkungen der neuen „Automatisierungs-Intelligenz“: Bereits im ersten Jahr wurden signifikante Einsparungsdaten aufgezeichnet: Der Stromverbrauch sank um 35 %, der Gasverbrauch um 45,9 % – die CO₂-Emissionen gingen um 17,3 t zurück.

Hauptfaktor dieser Einsparungen ist die Fähigkeit von Priva-„ECO“, die Anlagenregelung 24 h „strategisch“ vorausplanen zu können und dabei beispielsweise die Einflüsse des Wetters oder die vorgesehene Nutzungsart des Gebäudes zu berücksichtigen.

Einen Einblick in die Wirkungsweise von „ECO“ bietet die grafische Darstellung der historischen Daten (Bild 4) über den sehr schwankenden früheren Energieeinsatz: Im Laufe eines Tages sprang dieser zwischen hohen und niedrigen Werten (von ca. 70 bis zu 0 kW) hin und her. Ergebnis des Energy-Comfort-Optimizers ist, dass der Ener­gie­ein­satz kontinuierlich, ohne große Schwankungen verläuft und wesentlich niedrigere Maximalwerte erreicht (ca. 40 kW).

Der Zwilling in der Cloud

Die „ECO“-Software arbeitet in der Cloud mit einem digitalen Zwilling – einem Online-Spiegelbild des Rathauses. Dieser bildet neben der Gebäudestruktur alle aktuellen Zustände der verwendeten technischen Gebäudeausstattung ab.

Technologische Basis der Software sind Algorithmen aus der Entwicklungsabteilung von Priva, die mit der KI von Microsoft-„Azure“ kombiniert werden, um zu lernen, wie ein Gebäude jeweils auf Einflüsse von außen sowie auf geänderte Bedingungen reagiert. Auf dieser Basis verarbeitet „ECO“ eine Vielzahl von Daten, um das gewünschte Raumklima mit einem Minimum an Energie zu erreichen. Dazu gehören die Daten zur Gebäudenutzung, der Belegungsrate von Gebäudebereichen, zu internen Wärmelasten von Mensch und elektrischen Anlagen, inneren und äußeren Kühllasten, Details der herrschenden Wetterbedingungen, der Wettervorhersage für die nächsten 24 h, der gemessenen und gewünschten Raumkonditionen überall im Gebäude sowie Energiepreisen und Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen.

All diese Daten werden in den digitalen Zwilling des Rathauses eingespeist. Dadurch wird es möglich, mithilfe von KI in Sekundenbruchteilen eine Vielzahl von Szenarien durchzuspielen, um die optimalen Werte zu ermitteln, auf deren Basis anschließend die installierte Gebäudetechnik gesteuert wird.

Im Fall des Rathauses handelt es sich dabei vor allem um vier Hochleistungskessel, zwei Luft-/Luft-Wärmepumpen und Sonnenkollektoren.

Im Endergebnis prognostiziert „ECO“ rund um die Uhr und 24 h im Voraus den Energiebedarf innerhalb des Gebäudes und nutzt die verschiedenen Energiequellen dabei so effizient wie möglich. Dabei werden sogar aktuelle Daten zu Angebot und Nachfrage auf dem Markt für Gas und elektrischen Strom ermittelt, um bei der Steuerung berücksichtigt zu werden.