Basis für die neuen Anwendungsmöglichkeiten sind die Rohdaten von wartungsfreien Sensoren, die als Augen und Ohren die benötigten Informationen liefern. Zusammen mit Cloud-basierenden IoT-Systemen können sie künftig digitalisierte Gebäude auch mit der Umgebung vernetzen und machen somit einen wichtigen Schritt in Richtung Smart City. Sensoren dienen in der Gebäudeautomation als Sinnesorgane, die wichtige Informationen liefern, um Heizung, Kühlung, Licht oder andere Gewerke in einem Gebäude intelligent zu steuern. Dadurch tragen sie wesentlich dazu bei, Energie einzusparen und gleichzeitig die Sicherheit sowie das Wohlbefinden von Bewohnern oder Mitarbeitern zu verbessern. Aktuell vernetzt sich diese klassische Automation mit dem Internet der Dinge. Im Zuge dieser Entwicklung bilden Sensoren über Echtzeit-Rohdaten die genaue Nutzung eines Gebäudes virtuell ab, wie zum Beispiel Multimedia, Personenströme, sanitäre Einrichtungen, elektronische Geräte, der Aufzug oder der zum Gebäude gehörige Parkraum. Diese Informationen bilden die Basis für neue Services im Facility Management, um den Ressourceneinsatz von Raum, Personen und Gegenständen zu optimieren.

Eck-Daten

IoT-Anwendungen sorgen dafür, dass die Digitalisierung von Gebäuden rasch voranschreitet. Bereits heute sind viele smarte Geräte miteinander verbunden. In Zukunft sollen Cloud-basierende IoT-Systeme es den Gebäuden sogar ermöglichen, sich mit der äußeren Umgebung zu vernetzen. Grundlage hierfür sind jedoch energieautarke und wartungsfreie Sensoren, die als Augen und Ohren der smarten Gebäude dienen und umfangreiche Informationen in Echtzeit erfassen und sammeln. Welche Möglichkeiten des Energy Harvesting bereits heute zur Anwendung kommen, deren Funktionsweise und wie smarte Gebäude dabei helfen können, Kosten einzusparen, erläutert Enocean im vorliegenden Beitrag.

Die erforderliche Technologie für diese umfassende Digitalisierung sowohl für Bestandsgebäude als auch für Neubauten sind drahtlose Sensoren, die über Funk mit Gateways kommunizieren. Sie erfassen die Rohdaten und liefern diese an IoT-Plattformen wie IBM Watson, Microsoft Azure, Amazon Cloud, Google Cloud oder Apple Icloud zum Speichern, Verarbeiten und Auswerten. Der besondere Vorteil: Funksensoren lassen sich flexibel an verschiedenen Messpunkten, an Möbeln oder Gegenständen platzieren. Dadurch gewinnen sie exakte Informationen für eine effiziente Auswertung, sodass Gebäudebetreiber mithilfe geeigneter Applikationen und Dashboards einen 360-Grad-Blick in Echtzeit auf das Gebäude und dessen Nutzung, aber auch auf die Historie erhalten. In einem weiteren Schritt lässt sich die Intelligenz vom Gebäude auf die Umgebung ausweiten. Das gilt vor allem beim Einsatz batterieloser Funksensoren, die wartungsfrei arbeiten.

Umgebung als Energiequelle

Batterielose Funksensoren nutzen Licht, Bewegung oder Temperaturunterschiede in der unmittelbaren Umgebung als Energiequelle. Bei dieser Form von Energy Harvesting ernten Energiewandler kleinste Energiemengen für den Betrieb und die Funkkommunikation von Sensoren, Schaltern oder auch Aktoren. Für jede Umgebungsenergie gibt es einen entsprechend angepassten Wandler. Ein elektrodynamischer Energiegenerator gewinnt aus Bewegung Energie, beispielsweise durch das Drücken eines Schalters. Innenlicht lässt sich über kleine Solarzellen bereits ab 50 Lux für elektrische Spannung nutzen. Die Königsdisziplin ist die Energieernte aus Temperaturdifferenzen. Hier kann die Kombination aus einem Thermowandler und einem Spannungsverstärker bereits Temperaturunterschiede von zwei Grad Celsius in nutzbaren Strom umsetzen.

Zusätzlich verwendet die batterielose Technologie Module mit einem geringen Energiebedarf und führt alle Aktionen der Sensoren und Aktoren sehr schnell aus. Es sind immer nur die Baugruppen aktiv, die gerade für eine Messung oder die Datenübertragung notwendig sind. Die Sendeleistung beträgt bis zu 10 MW. Dennoch hat die eingesetzte Funkübertragung nur einen Energiebedarf von etwa 50 µW pro Einzeltelegramm aufgrund sehr kurzer Telegramme von nur etwa 1 ms. Das entspricht ungefähr dem Energieaufwand, der für das Heben von einem Gramm Gewicht um 5 mm erforderlich ist. Ein integrierter Langzeitenergiespeicher sorgt bei Bedarf für einen ausreichend großen Energievorrat, der auch tagelange Perioden mit fehlender Umgebungsenergie überbrückt.

Bild 1: Mit solar-versorgten Sensormodulen hat Enocean Aktivitäts-Tracker entwickelt, mit denen sich direkt einfache Heatmaps der Personenaktivitäten genieren lassen.

Bild 1: Mit solarversorgten Sensormodulen hat Enocean Aktivitäts-Tracker entwickelt, mit denen sich direkt einfache Heatmaps der Personenaktivitäten genieren lassen. Enocean

Im Internet der Dinge liefern energieautarke Sensoren zahlreiche Parameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, Lichtstärke, Anwesenheit, Personenaktivität und Gerätebeschleunigung oder geöffnete beziehungsweise geschlossene Türen, Fenster und Schränke. Mithilfe dieser Daten lassen sich detaillierte Nutzungsmuster des Gebäudes, des Personals und des Inventars erstellen. Diese Muster liefern Echtzeitinformationen über den tatsächlichen Bedarf und ermöglichen entsprechende Maßnahmen für effizientere, energiesparende und situationsabhängige Services. Die Anwendungsfelder energieautarker Sensoren vernetzt mit IoT-Systemen für das Nutzungsmanagement von Gebäuden bis hin zur Smart City sind vielfältig.

Nutzungsmanagement von Räumen

Gebäudefläche ist eine extrem teure Ressource. Häufig jedoch sind viele Flächen wie Büroarbeitsbereiche, Hotelräume, Konferenzräume, Kantinen, Flure und Stauräume nur zu 54 Prozent genutzt (Quelle: Steelcase). Dies schafft unnötige laufende Kosten in Millionenhöhe für Heizung, Beleuchtung und Wartung. Mithilfe von drahtlosen, wartungsfreien Sensoren, die sich auch während des Betriebs nachrüsten lassen, können Facility Manager den tatsächlichen Bedarf ermitteln und entsprechende Maßnahmen zur optimierten Nutzung umsetzen. Sind Unternehmensstandorte beispielsweise nur teilweile ausgelastet, kann das Zusammenlegen mehrerer Standorte eine Kostensenkung herbeiführen. Und wenn das Gebäudesystem analysiert hat, dass kein Mitarbeiter vor 8 Uhr das Gebäude betritt, lassen sich die Heizzeiten dementsprechend anpassen.

Zu den digitalen Helfern gehören beispielsweise Aktivitätssensoren an der Raumdecke zur anonymen Personenzählung oder Präsenzsensoren an einzelnen Sitzplätzen, Türkontakte, Strommesser oder Vibrationssensoren zur Nutzungserfassung von elektronischen Geräten wie Druckern, Kopierern, Seifenspendern, Kaffeemaschinen, Wasserkochern oder Lüftungsgeräten. Zyklisch sendende sogenannte Funkbaken dienen der Ortserkennung von mobilen Geräten und Einrichtungsgegenständen.

Mit solarversorgten Sensormodulen (Bild 1) hat Enocean Aktivitäts-Tracker entwickelt, mit denen sich direkt einfache Heatmaps der Personenaktivitäten genieren lassen. Das IoT-Unternehmen Thing-it hat einen Algorithmus entwickelt, der aus den Nutzungs- und Aktivitätsprofilen des Enocean-Sensors sogar ableitet, wie viele Leute sich in einem Raum aufhalten. Der Algorithmus berechnet darauf basierend die Auslastung der Räume. Weniger gut ausgelastete Orte wie zum Beispiel ein abgelegener Besprechungsraum können aufgewertet, die Größe angepasst oder eine völlig neue Verwendung des Raums angedacht werden. Oder vielleicht macht auch die Einführung eines Hotdesking-Konzepts Sinn. Zeigt sich, dass viele Schreibtische oft unbesetzt sind, lässt sich auf diese Weise die Flächennutzung mit einem sensorbasierenden Managementsystem wesentlich verbessern.

Nutzungsabhängige Wartung von Sanitäranlagen

Bild 2: Sensoren liefern die Daten für die nutzungsabhängige Wartung und Reinigung der sanitären Anlagen in Bürogebäuden.

Bild 2: Sensoren liefern die Daten für die nutzungsabhängige Wartung und Reinigung der sanitären Anlagen in Bürogebäuden. Enocean

Ein weiteres Beispiel ist die nutzungsabhängige Wartung und Reinigung von sanitären Anlagen in Bürogebäuden. Dabei liefern Sensoren Daten darüber, wie häufig es zur Nutzung der sanitären Anlagen kommt oder ob der Vorrat in den Toilettenpapier-, Handtuch- und Seifenspendern zur Neige geht (Bild 2). Facility Manager können dadurch ihr Personal anhand des aktuellen Bedarfs organisieren und benötigtes Material immer rechtzeitig nachführen. Gleichzeitig wissen sie sicher, dass die benötigten Services tatsächlich durchgeführt wurden. Das sorgt für mehr Transparenz und letztendlich eine gesteigerte Nutzerzufriedenheit.

Umgebung zum Wohlfühlen

37 Prozent der Arbeitnehmer sind nicht im Büro anwesend (Quelle: Steelcase). Gleichzeitig sind die Mitarbeiter das wichtigste und teuerste Gut einer Firma. T-Systems und Microsoft haben in einer Studie herausgefunden, dass sich mit zufriedenen Mitarbeitern jährliche Kosten von bis zu 300 €/m² einsparen lassen. Mehr Mitarbeiterzufriedenheit schafft also eine hohe Attraktivität für Firmen als Mieter einer Bürofläche. Eine Wohlfühlatmosphäre am Arbeitsplatz verbessert nachweislich die Produktivität und fördert die Mitarbeiterbindung. Integrierte Sensoren in Büromöbeln erlauben es, die Einrichtung bedarfsgerecht, bunt und individuell zu gestalten und gleichzeitig mit beispielsweise modernen Multimedia sowie intelligenter Licht- und Heizungssteuerung auszustatten (Bild 3). Durch die versteckten Sensoren nimmt der Mitarbeiter nicht die IoT-Technik wahr, sondern vor allem das Ergebnis, den Wohlfühlfaktor.

Gebäudeüberwachung für Versicherungen

Ereignisse wie Wasserleckagen, Brandschäden oder Einbruch verursachen Versicherungsgesellschaften jährlich Kosten in Milliardenhöhe. Allein durch Leitungswasserschäden entstanden Gebäudeversicherern deutschlandweit im Jahr 2015 Kosten in Höhe von 2,3 Milliarden Euro (Quelle: Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft, GDV). Dies spiegelt sich auch in den stetig steigenden Versicherungsprämien wider. Sensoren können bei Eintritt des Ereignisses ein Signal an Ventile schicken, die sofort das Wasser abstellen. Zudem warnen sie die Personen im Gebäude und alarmieren den Eigentümer beziehungsweise die Versicherungsgesellschaft. Dadurch lassen sich sofort Gegenmaßnahmen ergreifen und schwerwiegendere Folgen vermeiden.

Verkaufsflächen, Gastronomie und Parkplatzmanagement

Bei Verkaufs- und Handelsflächen korrelieren die Kundenströme mit Personalbedarf, Verkaufszahlen und Standortattraktivität. Eine intelligente Datenanalyse ermöglicht eine bedarfsgerechte Ressourcenverteilung des Verkaufspersonals und gibt zudem Hinweise auf verkaufsschwache Plätze, die es attraktiver zu gestalten gilt. Aktivitäts- und Präsenzmelder liefern hierzu detaillierte Informationen über Parameter wie Bewegungsprofile, Personenanzahl und Tischbelegung. Eine Ruftaste am Restauranttisch oder an speziellen Verkaufsständen, die es ermöglicht Personal bedarfsgerecht anzufordern, könnte die Kundenzufriedenheit zusätzlich erhöhen.

Bild 3: Integrierte Sensoren in Büromöbeln erlauben es, die Einrichtung bedarfsgerecht, bunt und individuell zu gestalten und gleichzeitig mit beispielsweise modernen Multimedia sowie intelligenter Licht- und Heizungssteuerung auszustatten.

Bild 3: Integrierte Sensoren in Büromöbeln erlauben es, die Einrichtung bedarfsgerecht, bunt und individuell zu gestalten und gleichzeitig mit beispielsweise modernen Multimedia sowie intelligenter Licht- und Heizungssteuerung auszustatten. Enocean

Ein erster Schritt aus der Immobilie heraus in die Umgebung ist das sensorbasierende Erfassen von verfügbarem Parkraum. Sensoren an Durchfahrtspunkten zählen die ein- und ausfahrenden Autos. Drucksensoren, eingebaut im Boden, erkennen, ob Parkplätze belegt sind. Die zielgerichtete Parkplatzsuche könnte den Verkehrsfluss in Städten erheblich verbessern und beispielsweise Pendlern einen schnelleren Weg zur Arbeit ermöglichen. In Parkhäusern kann die funkbasierende Datenerfassung dazu dienen, die Belüftung je nach der tatsächlichen Belegung zu steuern und so zusätzlich Energie in Gebäuden einzusparen. Nach dem gleichen Prinzip liefern Sensoren Daten zum Straßenzustand oder zur aktuellen Verkehrsdichte, die eine optimierte und angepasste Ampelschaltung ermöglichen. Bei der Pflege von Grünflächen messen Sensoren die Feuchte und Temperatur von Luft und Boden. Dadurch lässt sich vorhersagen und entsprechend bedarfsgerecht planen, wann Schnittarbeiten oder das Bewässern der Anlagen notwendig sind.

Brücke zwischen intelligenten Gebäuden und der Smart City

Daten von hochflexiblen, wartungsfreien Sensoren ermöglichen noch zahlreiche weitere Anwendungsszenarien in Richtung einer intelligent vernetzten Stadt. Batterielose Notfallknöpfe in und außerhalb von Gebäuden können dabei unterstützen, schneller Hilfe zu rufen. So lässt sich beispielsweise ein Funknotruf an eine Zentralstelle oder auf das Smartphone einer zuständigen Person schicken, die dann umgehend reagieren kann. Solarbetriebene Sensoren, an oder nahe bei Straßenlaternen oder Schildern montiert, erfassen sowohl die Verkehrsdichte als auch aktuelle Wetterdaten. Sie dienen dann als Basis für ein Alarmsystem, das vor Unfall, Stau oder Straßenglätte warnt. Ebenso können die Gebäude in der Umgebung die Prognosen von Wetterdaten auswerten, um die tatsächlich benötigte Energie für Heizung und Belüftung frühzeitig zu bestimmen. Über Sensoren an Müllcontainern kann die Verwaltung die Leerungszyklen und Fahrtrouten bedarfsabhängig steuern. Ähnliches gilt für Lager- und Logistikprozesse. Der Lastwagen macht sich nur dann auf den Weg, wenn sich die Lager leeren. Zudem lässt sich über Tracking-Sensoren die Position der Güter lückenlos nachverfolgen.

Bei allen Beispielen zeigt sich: Die Eigenschaften batterieloser Funksensoren beantworten eine drängende Frage intelligent vernetzter Städte. Wie lassen sich Millionen verteilter Sensoren mit Energie versorgen? Sensoren, die sich autark aus der Umgebungsenergie versorgen, können die Lücke zwischen intelligenten Gebäuden und der Außenwelt schließen. Zusammen mit interoperablen Systemen, wie sie beispielsweise die Enocean Alliance definiert, und offenen Schnittstellen sind IoT-Projekte für Gebäudebetreiber wie für Städteverwaltungen eine zukunftssichere Investition, da die Systeme und Lösungen jederzeit erweiterbar und vernetzbar mit Lösungen verschiedener Hersteller sind.