Gateway des LoRaWAN-Netzes in Frankfurt/Main. Foto: Mainova

Studie „Funk­pro­to­kolle im Umfeld von Smart Buildings“ aktualisiert

von | 29. April 2021

Das Münchener IGT – Institut für Gebäu­de­tech­no­logie gibt monatlich Tipps heraus, mit denen Mietern, Verwaltern und TGA-Verant­wort­lichen die Steuerung der Haus­technik leicht gemacht werden soll. Im April nun geht es um die Anpassung von Funk­pro­to­kollen im Umfeld von Smart Buildings.

Im Oktober 2020 hatten wir über unsere Vergleichs­studie zu Smart Building Funk­pro­to­kollen berichtet. Inzwi­schen haben sich ein paar wenige Aktua­li­sie­rungen ergeben, sodass wir diese Studie angepasst haben.

Im Grunde haben sich dabei „nur“ die Ergeb­nisse von zwei Proto­kollen verändert – im Detail LoRa und Thread. Dies erscheint uns aber wichtig genug, die Aktua­li­sierung zu kommunizieren.

Im Umfeld der Raum­au­to­mation kommen zunehmend funk­ba­sierte Über­tra­gungs­pro­to­kolle zum Einsatz. Dabei steht eine Vielzahl an Proto­kollen zur Auswahl und es drängt sich die Frage nach einem Eignungs­ver­gleich auf. D.h. wie gut oder schlecht ist ein Funk­pro­tokoll im Vergleich zu den anderen?

Anwen­dungs­fälle (use cases) in modernen Gebäuden

Dabei ist es für den Vergleich ausge­sprochen wichtig, die Anwen­dungs­fälle vorab zu klären, welche für die funk­ba­sierten Proto­kolle einge­setzt werden. Nur so lassen sich die Anfor­de­rungen fest­schreiben, gegen die die Eigen­schaften der Proto­kolle verglichen werden.

Grundlage für die Eignungs­be­wertung von funk­ba­sierten Über­tra­gungs­pro­to­kollen sind die abzu­de­ckenden Anwen­dungs­fälle (use cases). Denn erst, wenn man festlegt, was zu auto­ma­ti­sieren ist, kann bewertet werden, wie ange­messen oder nicht die möglichen Proto­kolle sind.

Im Bereich der klas­si­schen Raum- und Anla­gen­au­to­mation sind das u.a. die Folgenden:

  • Die Raum­tem­pe­ratur wird raum­in­di­vi­duell unter Berück­sich­tigung von Präsenz sowie Fens­ter­zu­ständen geregelt.
  • Die Lüftung und Kühlung wird raum­in­di­vi­duell unter Berück­sich­tigung von Luft­tem­pe­ratur, Luft­qua­lität (CO2 und/​oder VOC) und Luft­feuchte geregelt.
  • Die Beleuchtung wird raum­in­di­vi­duell gedimmt. Taster zur Bedienung steuern je nach Bedarf einzelne Leuchten oder komplette Licht­szenen für mehrere Leuchten. Zusätzlich kann für die Beleuch­tungs­stärke die Präsenz bzw. die vorhandene Tages­licht­hel­ligkeit berück­sichtigt werden.
  • Die Rollläden/​Jalousien fahren in Abhän­gigkeit der Raum­tem­pe­ratur (sommer­licher Wärmeschutz).
  • Die Position von Tastern für die Beleuchtung und Verschattung ist orts­ver­än­derlich, um diese bei Verän­de­rungen von z.B. Trenn­wänden oder Möbeln entspre­chend anpassen zu können. Zudem sind einige Taster auch als Hand­sender verfügbar.
  • Die Wärme­ver­sorgung der Heiz­kreise bzw. Kälte­ver­sorgung der Kälte­kreise erfolgt bedarfs­ab­hängig und unter Berück­sich­tigung zukünf­tiger Lasten (inklusive Aspekte für Vorlauf­tem­pe­ra­turen und Dreh­zahl­re­ge­lungen der Pumpen).
  • Bei mehreren Wärme- bzw. Kälte­er­zeugern werden diese gemäß einer last­ori­en­tierten Prio­ri­tä­ten­steuerung betrieben.
  • In Bezug auf die Wärme­rück­ge­winnung bei Lüftungs­an­lagen werden Verei­sungen und Über­hit­zungen erkannt bzw. vermieden.
  • Fehler­mel­dungen, Betriebs­stunden und Ener­gie­ver­bräuche werden proto­kol­liert und ausgewertet.

In Bezug auf weitere Mehr­wert­dienste entwi­ckeln sich derzeit Anwen­dungs­fälle wie u.a.:

  • Sowohl Bespre­chungs­räume als auch Arbeits­plätze in Groß­raum­büros können per Smart­phone dynamisch gebucht und wieder frei­ge­geben werden. Dabei kann ein vorzei­tiges Ende von Bespre­chungen bzw. Nicht­be­le­gungen von Arbeits­plätzen erkannt werden, welches wiederum zu einer entspre­chenden Freigabe führt.
  • Sensoren zur Erkennung der Anwe­senheit von Personen ermög­lichen Nutzungs­ana­lysen von Bespre­chungs­räumen, Erkennung von Ressourcenauslastung/​Nutzung, dem Aufzeichnen von No-​shows in Bespre­chungs­räumen, der Verwaltung von Raum­aus­las­tungen sowie der Verwaltung von z.B. Catering- Dienste.
  • Durch die Analyse von Auslas­tungs­mustern können Mitar­beitern bestimmte Arbeits­plätze zuge­wiesen werden. Die unge­nutzten Gebäu­de­be­reiche können anschließend in einen Ener­gie­spar­modus versetzt werden. Kosten für Heizung, Kühlung und Elek­tri­zität werden dadurch verringert.
  • Die Belegung im Gebäude kann graphisch über „Heat Maps” oder „Moving Trails” angezeigt werden. So kann ermittelt werden, wie viele Personen sich wo aufhalten. Das Verständnis dazu hilft bei der Flächen­planung (z.B. Raum­größen, Position von Bespre­chungs­zonen etc.).
  • Mitar­beiter und Gäste können durch das Gebäude navigiert werden. Das kann genutzt werden, um schneller zu einem gewünschten Bespre­chungsraum etc. zu finden, was bei wech­selnden Stand­orten hilfreich ist.
  • Die Kanti­nen­aus­lastung (d.h. voraus­sicht­liche Wartezeit bei der Essens­ausgabe) wird erfasst und kann vom Arbeits­platz aus einge­sehen werden.
  • Die Nutzungs­in­ten­sität von Toiletten wird erfasst, um die Reini­gungs­in­ter­valle anzupassen.
  • Aufzüge, Kaffee­ma­schinen etc. melden Ihre Nutzungs­daten bzw. Betriebs­zu­stände, um Service­inter­valle anzupassen.
  • Sensor­daten in der Gebäu­de­technik (wie Pumpen, Kehr­ma­schinen, Heizungs­an­lagen und Aufzüge) über­wachen das Verhalten und melden Unre­gel­mä­ßig­keiten. Dadurch wird die Genau­igkeit bei der Fehler­suche verbessert und Störungs­wahr­schein­lich­keiten können vorher­gesagt werden.

Entschei­dungs­kri­terien für die Eignungs­be­ur­teilung von funk­ba­sierten Übertragungsprotokollen

Auf Basis der aufge­führten Anwen­dungs­fälle lassen sich Kriterien für die funk­ba­sierten Über­tra­gungs­pro­to­kolle ableiten. Im Folgenden wird verwendet:

  • Eignung des Frequenz­bandes (K.O. – Kriterium): Auf Basis der Anwen­dungs­fälle ergibt sich die Forderung nach kleinen Daten­pa­keten (10 bis 100 Bytes), Latenz­zeiten im Bereich von 0,1 Sekunde bis 1 Sekunde und anwen­dungs­ty­pisch erfor­der­lichen Reich­weiten (ca. 10 m bis 100 m). Dabei ist die Eignung des Frequenz­bandes ein K.O.-Kriterium – denn wenn bereits die grund­le­genden Über­tra­gungs­kri­terien nicht oder nur einge­schränkt erfüllt werden, kann sich für die ganz­zeit­liche Bewertung eines Über­tra­gungs­pro­to­kolls kein posi­ti­veres Gesamtbild ergeben.
  • Herstel­ler­ab­hän­gigkeit: Im Interesse des Nutzers sollte möglichst keine Herstel­ler­ab­hän­gigkeit gegeben sein. Somit sollte das Über­tra­gungs­pro­tokoll stan­dar­di­siert sein und Produkte/​Komponenten von unter­schied­lichen Herstellern inter­ope­rabel sein.
  • Infra­struktur: Idea­ler­weise muss keine eigene Infra­struktur aufgebaut werden. Das ist dann der Fall, wenn die Übertragungs-​Reichweite des Funk­si­gnals sehr hoch ist. Diese Variante hat insbe­sondere dann Vorteile, wenn eine geringe Dichte an Sensoren instal­liert wird. Im Gegenzug muss eine Infra­struktur wie z.B. kabel­seitig vernetzte Antennen bzw. Gateways aufgebaut oder die Bildung von vermaschter Kommu­ni­kation unter­stützt werden.
  • Inte­gra­ti­ons­fä­higkeit: Idea­ler­weise ist eine breite Unter­stützung des Proto­kolls von markt­üb­lichen Controller-​Herstellern sowie Verfüg­barkeit entspre­chender Gateways von mehreren Herstellern gegeben und nach­weis­liche Praxis-​Referenzprojekte liegen vor.
  • Markt­ver­füg­bares Angebot von konkreten Kompo­nenten: Die für die aufge­führten Anwen­dungs­fälle erfor­der­lichen Sensoren sollten alle als bestellbare Kompo­nente verfügbar sein.
  • Mess- und Prüf­mög­lich­keiten: Zur Fehler­analyse sollten Mess- und Prüf­geräte samt Doku­men­tation zur Anwendung/​Bedienung verfügbar sein.
  • Span­nungs­ver­sorgung: Der Vorteil funk­ba­sierter Sensoren liegt darin, diese orts­ver­än­derlich posi­tio­nieren zu können. Dazu ist eine externe kabel­ge­bundene Span­nungs­ver­sorgung hinderlich. Idea­ler­weise sind Sensoren eigen­ener­gie­ver­sorgt; im Falle von Batte­rie­be­trieb ist zumindest ein geringer Eigen­ener­gie­ver­brauch wichtig.
  • Verschlüs­selung: Daten­si­cherheit und Inte­grität sollten durch die Unter­stützung von Verschlüs­selung gewähr­leistet werden.

Fazit

Der Grad an Auto­mation in Gebäuden nimmt stetig zu. Dabei entwi­ckeln sich ergänzend zur bishe­rigen Raum- und Anla­gen­au­to­mation neuartige Mehr­wert­dienste. Diese wiederum sind auf möglichst viele Daten aus dem Gebäude ange­wiesen, welche sich besonders einfach über funk­ba­sierte Über­tra­gungs­pro­to­kolle bereit­stellen lassen. Dazu steht eine Vielzahl an Proto­kollen zur Verfügung. Welche davon mehr oder weniger geeignet sind, lässt sich nur im Vergleich mit den erfor­der­lichen Anwen­dungs­fällen (den „use cases“) ermitteln.

In dieser Beziehung hat sich ergeben, dass die soge­nannten „Wide Area Networks“ für die aktuellen und zukünf­tigen Anwen­dungen in Smart Buildings unge­eignet sind. Diese Proto­kolle haben dann Vorteile, wenn es um die Anbindung von Kompo­nenten im öffent­lichen Bereich geht – also dort, wo keine eigene Infra­struktur aufgebaut werden kann. In modernen Gebäuden hingegen ist der Aufbau von eigener Infra­struktur bzw. Einführung von Mesh-​Netzwerken kein großes Problem und hinsichtlich der Sens­or­dichte auch sinnvoll.

Unter den damit noch verblei­benden verfüg­baren Proto­kollen ergeben sich weitere Abstu­fungen. Eine besondere Bedeutung erhält das Kriterium, Kompo­nenten (insbe­sondere Sensoren) in die Systeme der Gebäu­de­au­to­mation (d.h. Controller bzw. DDC-​Systeme) einbinden zu können. Eine entspre­chende Unter­stützung für das jeweilige Protokoll durch Hersteller von Controllern hat damit eine hohe Priorität. Parallel ist es zwingend erfor­derlich, eine hohe Auswahl an Kompo­nenten kommer­ziell beziehen zu können. Letztlich hat ein eigen­ener­gie­ver­sor­gender Betrieb, d.h. der Betrieb von Kompo­nenten ohne externe Span­nungs­ver­sorgung bzw. Batterie, deutliche Vorteile.

Unter diesen Gesichts­punkten konnten für die Proto­kolle “EnOcean“ und „Z‑Wave“ eine jeweils hohe Eignung für die Anwendung in „Smart Buildings“ ermittelt werden. Innerhalb dieser beiden Proto­kolle erreichte dabei „EnOcean“ einen Mittelwert von 1,9 Punkten gefolgt von Z‑Wave mit 1,5 Punkten.

Ausführ­liches Whitepaper

Eine ausführ­li­chere Beschreibung (Steck­briefe der unter­suchten Proto­kolle; genauere Beschreibung der Herleitung der Kriterien sowie Durch­führung der Bewertung) ist in einem umfang­reichen 44-​seitigen White­paper beschreiben und hier kostenlos verfügbar.

Frank Urbansky

Freier Jour­na­list und Fach­au­tor, unter anderem für die Fach­ma­ga­zine und Portale Brenn­stoff­spie­gel, Uniti; DW Die Woh­nungs­wirt­schaft und Immo­bi­li­en­wirt­schaft; Haufe-Lexware; Energie&Management; IVV, Huss Medien; Motor­tech­ni­sche Zeit­schrift und Sprin­ger­Pro­fes­sio­nal; Sprin­ger Fachverlag; SHK Profi und tab, Bau­ver­lag; stadt+werk, k21

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