Bedarfsgerechte Heizungssteuerung mit digitalen Thermostaten
Heizung und Warmwasser sind für den überwiegenden Teil des Energieverbrauchs in einem Gebäude verantwortlich. Wer effizient handelt, kann also einen beträchtlichen Fortschritt bei seinen Energieeinsparungen machen. Doch manchmal scheitern die Ambitionen schon an den einfachsten Dingen. Zum Beispiel wenn Heizkörper laufen, obwohl sie es gar nicht müssten, weil sie nicht entsprechend heruntergeregelt werden. Oder wenn sie den Raum auf eine viel zu hohe Temperatur erwärmen.
Die Digitalisierung bietet sich in diesen Fällen als Problemlöser an. So lassen sich digitale Thermostate per Software steuern. Über eine App kann man so von unterwegs die Temperatur reduzieren, wenn man das vergessen hat, oder einen Raum vorwärmen, bevor man nach Hause kommt.
Die interessanteste Funktion aus Effizienzsicht bietet die Möglichkeit, Heizpläne zu erstellen. Mit ihnen lässt sich für jeden Tag definieren, welcher Raum zu welcher Zeit auf welche Temperatur gebracht werden soll. So müssen Nutzer nicht selbst daran denken, die Heizkörper herunterzudrehen, wenn sie das Haus verlassen. Stattdessen regeln die digitalen Thermostate automatisch den Heizwasserdurchfluss – gemäß den festgelegten Plänen. Viele der verfügbaren Produkte bieten Vorlagen an, die sich an die eigenen Bedürfnisse anpassen lassen.
Die Montage gestaltet sich relativ einfach: Das alte Thermostat ab- und das digitale anschrauben. Die Hersteller helfen mit Adaptern aus, falls ein Modell nicht auf das vorhandene Ventil passen sollte. Ist ein Thermostat installiert, kommuniziert es in der Regel mit einer Steuerungszentrale, die wiederum über den Router mit dem Internet verbunden ist. Mancher Anbieter spart sich die zentrale Station, in diesen Fällen übt der Router diese Funktion aus.
Mittlerweile gibt es eine große Zahl von digitalen Thermostaten von Herstellern wie zum Beispiel AVM, Bosch, Danfoss oder Somfy. Die Preise für ein einzelnes Gerät liegen zwischen 40 und etwas über 100 Euro. Hinzu können noch Kosten für Fensterkontakte kommen. Manche Hersteller bieten die Möglichkeit, dass die Thermostate mit einem Sensor am Fenster kommunizieren. Wird es geöffnet, wird die Raumtemperatur automatisch gesenkt.
Nutzen hängt von Heizverhalten ab
Sowohl ökonomisch als auch ökologisch ergibt die Installation der Thermostate allerdings nur Sinn, wenn sie in allen Räumen verbaut sind und man somit die Heizungsautomatisierung für das gesamte Gebäude nutzen kann. Die Stiftung Warentest hat ausgerechnet, was dabei an Gesamtkosten zusammenkommt. Für einen Modellhaushalt mit sechs Heizkörpern sind demnach zwischen 264 und 710 Euro zu zahlen.
Ob sich die Anschaffung für einen Privathaushalt rentiert, hängt vom Heizverhalten ab. Wer sich zuvor nicht oder kaum darum gekümmert hat, die Beheizung zu drosseln, wenn sich zum Beispiel niemand im Raum befindet, kann Energie durch die digitalen Thermostate sparen. Wer schon vorher sein Gebäude bewusst gewärmt hat, für den wird die Technik nur wenig zählbaren Nutzen bringen.
In Nichtwohngebäuden können programmierbare Thermostate dagegen interessanter sein. Dort ist die Zahl der Räume größer, die planmäßig beheizt werden kann. Und die Menschen, die sich etwa aus beruflichen Gründen im Gebäude aufhalten, werden das bewusste Heizen wohl weniger im Blick haben als in ihrem Privathaushalt. Zudem lassen sich digitale Thermostate theoretisch auch in eine Gebäudeautomatisierung einbinden. Wer das plant, sollte darauf achten, ob die Anbieter Standards wie etwa das Funkprotokoll Zigbee für die Kommunikation ihrer Thermostate nutzen.
Digitale Thermostate unterstützen bedarfsgerechte Heizungssteuerung
Was eine Heizungsteuerung mithilfe der digitalen Technik bringen kann, zeigt beispielhaft ein Projekt an den Berufsbildenden Schulen II in Leer. Im Versuchszeitraum von Oktober bis Januar wurden die Heizenergieverbräuche von zwei baulich vergleichbaren Gebäudeteilen untersucht. Der südöstliche Schultrakt wurde konventionell beheizt, im nordwestlich gelegenen Teil wurde eine digitale Einzelraumsteuerung von Homematic IP installiert.
Bei diesem System erfassen Wandthermostate die Raumtemperatur und übermitteln sie automatisch an die Heizkörperthermostate – damit nur geheizt wird, wenn es auch notwendig ist. Die Steuerung auf Basis von Heizprofilen erfolgt über eine zentrale Station. Zum Portfolio gehören Fenstersensoren. Ihr Einsatz war in diesem Projekt besonders relevant, da es während der Corona-Pandemie durchgeführt wurde und somit regelmäßiges Lüften in den Schulräumen unabdingbar war.
Das Ergebnis: Der Energieverbrauch des Gebäudeteils mit Einzelraumregelung fiel 31 Prozent geringer aus als beim konventionell beheizten Schultrakt. Laut Anbieter war der Effizienzgewinn sogar noch größer, wenn man die thermischen Bedingungen der beiden Gebäudeteile betrachtet. Der Schultrakt mit den digitalen Thermostaten konnte durch seine Nordwestlage kaum von der natürlichen Aufheizung durch Sonneneinstrahlung profitieren – im Gegensatz zum konventionell beheizten Südosttrakt, der von morgens bis zum frühen Nachmittag von der Sonne beschienen wurde. „Rechnet man den Solarertrag mit ein, wird der Vorteil durch die intelligente Einzelraumregelung noch deutlicher. Dadurch ergibt sich sogar ein Energieersparnispotenzial von rund 40 Prozent“, heißt es in einem Blogbeitrag auf der Internetseite von Homematic IP.
Noch einen Schritt weiter in Richtung Gebäudeautomatisierung ist das IT-Beratungsunternehmen Viadee gegangen. Da viele seiner Angestellten im Homeoffice arbeiten, werden die vorhandenen Kapazitäten in den Büros nicht mehr voll genutzt, die Räumlichkeiten stehen teilweise leer. Um sie nur dann zu beheizen, wenn es notwendig ist, installierte die Firma in ihren Büros insgesamt 220 digitale Thermostate. Mit der zentralen Steuerung wurden eine Standardtemperatur für alle Räume sowie automatische Absenkzeiten festgelegt, zum Beispiel zum Feierabend und an Wochenenden.
Über die offene Schnittstelle der Steuerungssoftware verknüpften die IT-Experten die Thermostate außerdem mit einem Raumbuchungssystem, das das Unternehmen selbst entwickelt hat. Mit ihm kann jeder Mitarbeitende einen Arbeitsplatz oder einen Besprechungsraum selbstständig reservieren. Die Kombination aus Buchungssoftware und digitalen Thermostaten ermöglicht eine bedarfsgerechte Heizungssteuerung. Räume werden nur dann auf Temperatur gebracht, wenn sie reserviert sind. Andernfalls arbeitet die Heizung im Sparmodus.
Was den Nutzen der digitalen Thermostate betrifft, kann das Anwenderunternehmen bemerkenswerte Zahlen vorweisen. Laut Markus Pepping, Managing Consultant bei Viadee, konnten die Heizkosten um fast 60 Prozent reduziert werden. Die Anschaffung der digitalen Thermostate hat sich ihm zufolge schon im ersten Jahr amortisiert.
Die digitale Technik kann noch mehr. EQ-3, der Anbieter der Homematic-Technik, wirbt damit, dass sich die hauseigenen Thermostate auch für den dynamisch-adaptiven Abgleich einsetzen lassen. Als Beleg dient eine Studie, die das Fraunhofer Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik durchgeführt hat. Die Experten haben untersucht, ob die Thermostate HmIP-eTRV-2, HmIP-eTRV-C-2 und HmIP-eTRV-Evo von Homematic gleichmäßige, bedarfsgerechte Durchflüsse an Heizkörpern herstellen können.
Mit positivem Ergebnis: Der Versuch habe gezeigt, dass mit den Produkten ein dynamischer und ein adaptiver Abgleich an einzelnen Heizkörpern durchgeführt werden können - „mit dem Vorteil, dass durch die integrierten Regelalgorithmen der Abgleich an Heizkörpern automatisiert erfolgt“, heißt es im zusammenfassenden Bericht.
Der dynamisch-adaptive Abgleich ersetzt zwar nicht den förderfähigen hydraulischen Abgleich nach Verfahren B. Aber er könne diesen vereinfachen, da etwa auf den Einbau voreinstellbarer Ventile verzichtet werden kann, so die offizielle Aussage bei EQ-3. Die Nutzer profitieren dabei von der selbstlernenden Funktion der Homematic-Geräte, dank der der Durchfluss der einzelnen Heizkörper laufend an die jeweiligen Erfordernisse angepasst wird – abhängig vom aktuellen Raumwärmebedarf sowie von den variierenden hydraulischen Verhältnissen.
Sensoren registrieren die Anwesenheit von Menschen
Lernfähigkeit spielt auch bei anderen Angeboten eine wichtige Rolle – etwa bei denen des Herstellers Vilisto. Er hat Thermostate entwickelt, in die drei Sensoren verbaut sind, die Schall, Licht und Bewegung registrieren. Mit ihnen und einer künstlichen Intelligenz (KI), die im Hintergrund arbeitet, kann das System erkennen, ob sich Personen in einem Raum befinden oder nicht. Die Idee dahinter: Statt auf Basis von vorab definierten Plänen orientieren sich die Thermostate bei der Beheizung eines Raums an der tatsächlichen Anwesenheit von Menschen.
Dazu werden die Daten aus den Thermostaten über ein im Gebäude installiertes Gateway gesammelt und verschlüsselt an die Online-Plattform von Vilisto übergeben. Dort verarbeitet die KI die Informationen dann für eine optimale Beheizung der Räume. „Zwei Wochen braucht das System, um trainiert zu werden“, berichtet Leonie Andersen, Senior Account Managerin bei Vilisto, gegenüber dem Gebäude-Energieberater. Danach kümmern sich die intelligenten Algorithmen um die Einstellung der Thermostate. Doch auch nach dieser Trainingszeit lernt das System weiter und registriert beispielsweise Änderungen im Nutzungsverhalten, die wiederum eine Anpassung der Heizzeiten zur Folge haben.
Laut Andersen beginnen die typischen Vilisto-Projekte bei 100 Thermostaten pro Gebäude. Erst in einer solchen Größenordnung kann die Technologie ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen digitalen Thermostaten ausspielen. Denn in diesen Fällen für jeden einzelnen Raum ein individuelles Heizprofil zu definieren, stellt einen hohen Aufwand dar. Bei dem Vilisto-System dagegen legt ein verantwortlicher Mitarbeiter – etwa ein Gebäudemanager – einmal eine Maximaltemperatur für das Gebäude fest. Um den Rest kümmert sich die KI.
Der Einsatz eines solchen Systems ergibt ebenfalls keinen Sinn, wenn die Nutzungszeiten des Gebäude stark variieren. Soll heißen: Sind alle Räume zu einer festen Zeit – zum Beispiel von 8 bis 17 Uhr – ständig belegt, braucht es keine KI für einen perfekten Heizplan. „Aber in Fällen, in denen es eine gewisse Dynamik gibt, lohnt sich ein selbstlernendes, intelligentes System, das sich an das Nutzungsverhalten anpassen kann, zum Beispiel an Gleit- oder Teilzeit, Homeoffice-Tätigkeiten oder eine unregelmäßige Nutzung von Meeting-Räumen“, sagt Andersen.
Preise für die Technik von Vilisto möchte sie nicht nennen, erklärt aber, dass sie sich aus einer Einmalzahlung für Hardware und Installation sowie laufenden Kosten zusammensetzen. Zu letzteren zählen unter anderem Gebühren für die Datenübertragung sowie Zahlungen für Dienstleistungen. So bietet Vilisto zum Beispiel seinen Kunden nach einer Heizperiode einen witterungsbedingten Einsparnachweis an.
Laut Andersen amortisiert sich die Investition in die Vilisto-Technik im Durchschnitt innerhalb von ein bis fünf Jahren. Dabei eigne sich das System vor allem für Bestandsgebäude. Neubauten seien in der Regel schon so energieeffizient, dass sich der Einsatz der Technologie kaum rechne. Im Schnitt liegen die Einsparungen, die sich mit den smarten Thermostaten erreichen lassen, Andersen zufolge zwischen 20 und 30 Prozent. „Das ist natürlich von vielen verschiedenen Faktoren abhängig“, sagt die Account Managerin. „Also: Wie alt ist das Gebäude? Welche Effizienzmaßnahmen wurden vorher schon umgesetzt? Wie hoch waren die Verbräuche vorher? Welche Einstellungen hat der Nutzer vorgenommen?“ Bei einer definierten Maximaltemperatur von 26 Grad sei die Einsparung natürlich geringer als bei einer Begrenzung auf 21 Grad.
Um den Nutzen konkret zu machen, weist Vilisto einige Beispielprojekte vor. So hat etwa der ACE Auto Club in seinem Hauptsitz in Stuttgart 260 Vilisto-Thermostate installiert. Im ersten Betriebsjahr konnte das Unternehmen seinen Energiebedarf um 100.000 Kilowattstunden reduzieren. Das sei eine Einsparung von 23,4 Prozent im Vergleich zum Vorjahr, heißt es in einer Mitteilung. Damit habe der ACE seine Energiekosten um 12.000 Euro pro Jahr senken können.
Thermostate liefern Daten für den hydraulischen Abgleich
Vilisto ist in einem noch deutlich größeren Projekt involviert. In 50 öffentlichen Gebäuden der Stadt Hamburg werden die intelligenten Thermostate installiert. Dazu gehören Büro- und Verwaltungsgebäude, Feuer- und Rettungswachen, Kultureinrichtungen und Hochschulimmobilien. Insgesamt geht es um etwa 10.000 Heizkörper. Parallel dazu wird an diesen ein hydraulischer Abgleich durchgeführt.
Erste Ergebnisse gibt es bereits. Im Archäologischen Museum Hamburg, in dem die Technik als erstes installiert wurde, konnte man laut Andersen eine Energieeinsparung von 29,5 Prozent verbuchen. Beim Rathaus Harburg hat man ein Einsparergebnis von 22,8 Prozent erzielt.
Ein Vorgehen wie in Hamburg sieht Andersen als vorbildlich: „Wir empfehlen immer, die Installation der Thermostate mit einem hydraulischen Abgleich zu kombinieren.“ Sei das aber nicht möglich, dann liefere der Einsatz der Technik eine gute Basis, um den hydraulischen Abgleich später umzusetzen. Denn die Thermostate stellen nicht nur Informationen bereit, damit eine KI die optimale Beheizung festlegen kann. Sie bieten auch einen Überblick über die wichtigen Daten. Nutzer können in der Software auf die hinterlegten Grundrisse des Gebäudes zugreifen und unter anderem die Temperaturverläufe für jedes einzelne Thermostat einsehen. „Das gibt Aufschluss darüber, ob ein Gebäude hydraulisch abgeglichen werden sollte, weil man zum Beispiel sieht, dass im oberen Stockwerk die Regeltemperatur nicht erreicht wird“, erklärt Andersen.
Die KI für eine vorausschauende Heizkörpersteuerung zu nutzen, ist das Ziel des Schweizer Startups Viboo. Es bietet einen Service an, der mithilfe von selbstlernenden Algorithmen den Wärmebedarf von einzelnen Räumen prognostiziert und die digitalen Thermostate entsprechend regelt. Grundlage für die Berechnung sind Wettervorhersagen und die thermischen Eigenschaften des Gebäudes. Auch die Belegung der Räume wird in die Berechnung mit einbezogen. „Zurzeit per direkter Eingabe der Heizpläne durch das Facility Management“, erklärt Felix Bünning, Mitgründer und CEO von Viboo, gegenüber dem Gebäude-Energieberater. In Kürze werde es aber eine neue Funktion geben, bei der die Belegung automatisch durch Analyse der Luftfeuchtigkeit erkannt wird.
Auch Viboo fokussiert sich auf Nichtwohngebäude. Diese sollten mindestens 50 Thermostate haben, so Bünning. In Ausnahmefällen übernehme man aber auch kleinere Projekte als Pilot für größere Roll-outs. „Wir sparen in der Regel mit unserem Produkt 20 bis 40 Prozent Energie ein“, sagt der CEO. „Je schlechter das Gebäude allerdings isoliert ist, desto mehr absolute Einsparungen gibt es. Das System lohnt sich also besonders für ältere Gebäude.“
Viboo stellt den Service bereit. Zurzeit lässt sich dieser lediglich mit den digitalen Thermostaten von Danfoss und Netatmo nutzen. Ziel sei es jedoch, sich zu einer hardware-unabhängigen Plattform zu entwickeln, sodass auch die Nutzer anderer Thermostate von der KI des Startups profitieren können.
Die Kosten für den Cloud-Service liegen bei einem Schweizer Franken pro Thermostat und Monat. Hinzu kommen die Investitionen in die Thermostate und deren Installation. „Insgesamt liegen wir je nach Projekt in der Regel bei circa 150 Schweizer Franken pro Thermostat“, berichtet Bünning. „Die Payback-Zeit liegt im Durchschnitt bei drei Jahren.“ Wer in Deutschland den Service von Viboo nutzen möchte, muss sich allerdings noch etwas gedulden. Erst ab Sommer wird das Unternehmen mit seinem Angebot auch auf dem deutschen Markt vertreten sein.
