Gebäudeklima Zoneneinteilungssysteme in intelligenten Gebäuden – Teil I

Ein Gastbeitrag von Mark Beecham*

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Die Arbeit in einem Büro kann Spaß machen und produktiv sein. Aber wenn die Temperatur nicht stimmt, kann das die Leistungen hemmen zu und höheren Fehlzeiten führen. Wie kann man mit Heizungs-, Lüftungs- und Kühlungssystemen alle Beteiligten zufriedenzustellen?

In einem Smart Building sammeln Zoneneinteilungssysteme mithilfe von Hunderten von Sensoren detaillierte Daten über die Bedingungen in jedem Raum.
In einem Smart Building sammeln Zoneneinteilungssysteme mithilfe von Hunderten von Sensoren detaillierte Daten über die Bedingungen in jedem Raum.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Neue Technologien für intelligente Gebäude – sogenannte Zoneneinteilungssystemen – versprechen Lösungen für umfassende Heizungs-, Lüftungs- und Kühlungssysteme (kurz: HLK) in Gebäuden. Diese Systeme ermöglichen die Steuerung verschiedener Lufteinstellungen, einschließlich Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2, Belüftung und Luftreinigung, in verschiedenen Bereichen desselben Gebäudes, je nach Vorliebe der Nutzer oder des Betreibers.

Durch den Einsatz mehrerer Thermostate, aktiver Entlüftungsöffnungen und aktiver Kanalklappen erlauben Zoneneinteilungssysteme den Nutzern die Schaffung granulärer Temperaturzonen und die Steuerung der HLK-Einstellungen individuell für jeden einzelnen Raum. Die Zoneneinteilungssysteme sorgen nicht nur für höhere Zufriedenheit bei den Benutzern, sondern ermöglichen auch erhebliche Energieeinsparungen, wodurch die Kosten gesenkt und die Kohlenstoffemissionen verringert werden.

Auswirkungen der Temperatur auf die Produktivität

Ein etwas zu kaltes oder zu warmes Büro mag zwar als unbedeutende Unannehmlichkeit erscheinen, doch haben Studien gezeigt, dass die Raumtemperatur die Produktivität von Mitarbeitenden in Büros erheblich beeinflusst. Eine 2006 durchgeführte Studie der Technischen Universität Helsinki und des Berkeley Lab kam zu dem Schluss, dass die Leistungsfähigkeit in Büros bei Temperaturen zwischen 21 und 22°C zunimmt und bei Temperaturen über 23 bis 24°C abnimmt, wobei die höchste Produktivität bei 22°C erreicht wird. Außerdem ergab die Studie, dass die Leistung der Arbeitnehmenden bei einer Temperatur von 30°C um fast neun Prozent abnimmt.

Eine andere Studie, die sich mit Fabrikarbeitern in Indien befasste, ergab, dass die Produktion pro Grad Celsius Temperaturanstieg um etwa zwei Prozent zurückging . Auch die finanziellen Auswirkungen sind enorm: Untersuchungen in Australien haben gezeigt, dass Fehlzeiten und Leistungseinbußen aufgrund hoher Temperaturen das Land jährlich rund 6,2 Milliarden Dollar kosten .

Eine andere aktuelle Studie, die allerdings nur eine kleine Stichprobe umfasste, ergab, dass die Produktivität um 50 Prozent sank und sich die Zahl der Fehler verdoppelte, wenn die Temperatur im Büro nur um fünf Grad sank.

Gesetzgeber in verschiedenen Ländern haben auch Vorschriften für die Temperatur am Arbeitsplatz erlassen, die Arbeitgeber einhalten müssen. Im Vereinigten Königreich beispielsweise gibt es keine spezifischen Temperaturgrenzwerte, aber das Gesetz schreibt „angemessene“ und „angenehme“ Bedingungen vor. Nach Angaben der britischen Regierung bedeutet das ein Minimum von 16°C. Ähnliche Vorschriften gibt es auf der ganzen Welt . Sie können Temperaturgrenzen, Arbeitszeitgrenzen, die Häufigkeit und Dauer von Pausen und vieles mehr festlegen.

Die Temperatur ist nur eine Dimension von Zoneneinteilungssystemen. Andere HLK-Bedingungen, wie der CO2-Gehalt, stehen in Zusammenhang mit dem Wohlbefinden der Gebäudenutzer. Laut einer Studie der Harvard School of Public Health aus dem Jahr 2016 kann sich ein hoher CO2-Gehalt in einem Gebäude negativ auf das Denken und das Treffen von Entscheidungen auswirken. Das beeinträchtigt die Leistung der Mitarbeitenden und hat einen negativ Effekt auf den Nettoprofit eines Unternehmens.

Der Optimierungskreislauf

In einem Smart Building sammeln Zoneneinteilungssysteme mithilfe von Hunderten von Sensoren detaillierte Daten über die Bedingungen in jedem Raum. Wireless-Prozessoren und Backend-Gateways übertragen diese Daten dann in die Cloud, wo KI-Algorithmen sie als Grundlage für dynamische Entscheidungen verwenden.

Diese Entscheidungen werden dann an intelligente HLK-Steuerungen weitergeleitet, die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftstrom in den verschiedenen Zonen automatisch feinabstimmen. Das Ergebnis ist die Vermeidung von zu starker Kühlung, zu starker Lüftung und Überhitzung – die Mitarbeitenden fühlen sich wohler, und der Energieverbrauch wird insgesamt gesenkt.

Während herkömmliche HLK-Systeme nur eine begrenzte Anzahl von HLK-Sensoren verwenden, typischerweise einige Thermostate pro Etage, nutzen Zoneneinteilungssysteme Hunderte von Sensoren, um detaillierte und dynamische Daten zu erfassen. Bei einer so großen Anzahl an Sensoren ist es zu teuer, für jeden einzelnen ein Kabel zu verlegen. Kabelgebundene Verbindungen sind zudem unflexibel. Eine Neuplatzierung von Sensoren an optimalen Standorten ist damit schwierig oder unmöglich. Diese Flexibilität ist wichtig, zumal moderne Büros oft über Trennwände verfügen, die regelmäßig verschoben werden dürften.

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Die Lösung diese Problems liegt im Einsatz drahtloser Sensoren, die billiger sind als kabelgebundene Alternativen. Je nach Verwendungszweck werden sie über das Stromnetz oder mit Batterien betrieben.

Zoneneinteilung und Belegung

Die Nachteile des im obigen Diagramm dargestellten Optimierungszyklus sind Langsamkeit und hoher Energieverbrauch. Wir alle wissen, wie lange es dauert und wie teuer es ist, wenn eine Klimaanlage einen Raum nur um ein paar Grad abkühlt.

Um dies zu verbessern, können Datensätze über die Belegung von Räumen die Energieeffizienz von intelligenten HLK-Systemen erhöhen. Ein überfüllter Konferenzraum kann sich beispielsweise schnell erwärmen, während ein Großraumbüro mit hoher Raumhöhe schnell abkühlen kann, da warme Luft aufsteigt und die Menschen sich näher am Boden befinden. Durch die Erfassung von Belegungs- und Personenflussdaten kann ein Cloud-basierter Algorithmus schnellere Entscheidungen an die HLK-Steuerung weiterleiten.

Wenn ein Besprechungsraum überfüllt ist, löst der Algorithmus sofort eine schnellere Kühlung und Belüftung aus, bevor die Raumtemperatur ansteigt, was zu einer konstanten Temperatur von 21°C im gesamten Gebäude führt.

Bildergalerie

Umso mehr Informationen einem System zur Verfügung stehen, umso besser kann es sich an Veränderungen in seiner Umgebung anpassen. Das wiederum kann zu erheblichen Energieeinsparungen führen. Wenn man bedenkt, dass Gebäude fast 40 Prozent der weltweiten Energie verbrauchen, wirken sich diese Einsparungen direkt auf die ökologische Nachhaltigkeit aus.

Die Auswirkungen von Covid-19

Durch flexible Arbeitszeitregelungen aufgrund von Covid-19 können Schreibtische und Konferenzräume 50 bis 60 Prozent der Zeit unbelegt sein, wobei möglicherweise unnötig Heiz- und Kühlenergie für Personen verbraucht werden, die nicht anwesend sind.

Bei belegungsabhängigen Zoneneinteilungssystemen werden Sensoren strategisch überall im Gebäude platziert, um die Klimaanlagen bei der Erkennung von Bewegungen zu aktivieren und die Temperatur mithilfe des HLK-Steuerungssystems anzupassen. Wenn die Benutzer einen Bereich verlassen, schaltet das System in einen Stand-by-Zustand mit minimaler Kühlung, Heizung und Belüftung, wodurch die Energieverschwendung reduziert wird.

Infolge der Pandemie haben neue Vorschriften, die eine sauberere Luft in Gebäuden vorschreiben, zu beschleunigten Aufrüstungszyklen geführt, um die Reinigungs- und Belüftungsfunktionen von HLK-Anlagen zu verbessern. Die meisten Hersteller nehmen diese Vorgaben als Gelegenheit war, ihre HLK-Systemtechnologien mit intelligenten Funktionen aufzurüsten, was das exponentielle Wachstum auf dem HLK-Markt erklärt. Zwar haben Versorgungsengpässe dieses Wachstum eingeschränkt, doch es wird sich voraussichtlich mittelfristig wieder beschleunigen.

Mit Zoneneinteilungssystemen bereit für die Zukunft

Da die Klimakrise die Temperaturen in die Höhe treibt und extreme Hitzewellen immer häufiger auftreten, besteht ein wachsender Bedarf an effizienteren HLK-Systemen. Drahtlose und intelligente HLK-Systeme bieten erhebliche Vorteile für Umwelt, Betrieb und Produktivität, wobei Zoneneinteilungssysteme der Schlüssel zum Erreichen dieser Vorteile sind.

In Teil II dieser Serie wird beschrieben, wie KI und Edge Computing die Fähigkeit intelligenter HLK-Systeme zur Steuerung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit in Gebäuden weiter verbessern.

* Mark Beecham ist Senior Product Marketing Manager bei Silicon Labs.

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