Welchen Stellenwert hat das "Internet der Dinge" in der Gebäudetechnik?

Jeder von uns hat sich längst an das Internet der Dinge gewöhnt: an die Paketverfolgung über das Internet, an smarte Fitnessarmbänder, an die Überwachung des Hauses per Smartphone-App oder an die Füllstandskontrolle und Nachbestellung von Druckerpatronen. Diese und andere Serviceleistungen basieren schon auf Grundprinzipien der Verknüpfung physischer Objekte mit einer virtuellen Repräsentation im Internet, was als Internet der Dinge (engl. Internet of Things, IoT) bezeichnet wird. Verschiedenen Prognosen zufolge soll es bis 2020 global zwischen 10 und 50 Mrd. Geräte geben, die Daten selbstständig sammeln und austauschen. Erwartet werden außerdem Umsätze durch IoT in Höhe von 500 Mrd. US-Dollar und mehr.

Auch die Gebäudetechnik-Branche erhofft sich durch eine Vernetzung erhebliche Wachstumsimpulse, weil vernetzte („intelligente“) Bauteile die technischen Möglichkeiten der Gebäudeautomation deutlich erweitern werden, um Gebäude sicherer, energieeffizienter und für Nutzer komfortabler zu machen.

Smart Home: Komfort, Sicherheit, Kostensenkung

Eine stabile Mobilfunkverbindung, eine intelligente Haustechnik und eine Smartphone-App vorausgesetzt, kann man heute nahezu alles am und im Haus von unterwegs prüfen und steuern: das Smart Home. Möglich machen das Raum- oder Gebäudeautomationssysteme. Sie dienen der Vernetzung smarter Geräte und Anlagen mit zentralen Kontroll- und Steuerungseinrichtungen, um Gebäudefunktionen zu automatisieren und zu optimieren sowie deren Bedienung und Überwachung zu vereinfachen.

Über eine fest installierte Steuerungseinheit mit berührungssensitivem LC-Display, ein mobiles Tablet oder Smartphone lässt sich das gesamte System der Gebäudeautomation vom Wohnzimmersofa oder von unterwegs steuern, kontrollieren und überwachen. Studien zufolge reduzieren Raum- und Gebäudeautomations-Systeme die Betriebskosten in Nichtwohngebäuden um bis zu 40 %, für Wohngebäude werden etwas niedrigere Werte angegeben.

Vernetzte Gebäudeautomation: Vorteile

Möglich machen das bedarfs-, tages-/jahreszeit- und bewegungsabhängige Schalt- und Dimm-Möglichkeiten der Beleuchtung oder eine aufeinander abgestimmte, nutzungs- und anwesenheitsorientierte Steuerung von Heizung, Lüftung, Klimatisierung und Sonnenschutz. Zusätzliche Optimierungspotenziale entstehen, wenn Energieverbrauchsdaten von Wärme-, Wasser-, Gas- und Stromzählern per Smart Metering im Gebäude zentral erfasst, online übermittelt und in Echtzeit ausgewertet werden, was Kunden günstigere Tarife und Versorgern eine höhere Versorgungssicherheit verspricht.

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Vorteile bietet die vernetzte Geräte- und Gebäudetechnik auch im Hinblick auf den demografischen Wandel. Für die ältere Generation oder Menschen mit Handicap bietet die Gebäudeautomation mehr Komfort und Sicherheit im Haus: Ungenutzte Herdplatten oder Geräte, die Schäden verursachen können, werden rechtzeitig abgeschaltet, Fehlermeldungen an den örtlichen Installateur oder Notdienst weitergeleitet. Rauch-, Bewegungs-, Wasser-, Gas oder Glasbruchmelder geben Alarmmeldungen auch online an Wachdienste weiter. Eine Fernüberwachung von Fenster- und Türkontakten, Bewegungsmeldern über gesicherte Internetverbindungen sowie eine Anwesenheitssimulation bieten Schutz vor Einbrüchen. Zu den weiteren Vorteilen zählen der Wertzuwachs und auch der Verkauf und Wiederverkauf smarter Immobilien gestaltet sich einfacher.

Intelligente Systeme in der Gebäudetechnik

Gerade für die Gebäudetechnik bietet die Vernetzung Vorteile, weil der Abgleich von Geräten, Anlagen, Umgebungsdaten und Nutzungsprofilen die Möglichkeiten erweitert. Zahlreiche proprietäre Lösungen aus verschiedenen Gebäudetechnik-Segmenten gibt es schon, etwa von Heizungs- oder Klimatechnikherstellern. Das funkbasierte Smart Home-System Vitocomfort 200 von Viessmann verspricht beispielsweise mehr Wohnkomfort und Energieeffizienz, indem es direkt mit der Heizungsregelung kommuniziert. Aus den tatsächlichen Wärmeanforderungen der Räume kann es die passende Vorlauftemperatur ermitteln und an den Wärmeerzeuger senden. Optionale Funksensoren erkennen offene Fenster und Türen im Gebäude.

Mit dem Online Controller und dem intelligent Tablet Controller bietet Daikin eine Smart Home-Lösung zur Steuerung eigener Produkte. Dabei lassen sich über verschiedene Web-Anwendungen und vom Anwender individuell definierbare Regeln Lüftungs- und Klimageräte steuern, beispielsweise ab welcher Außentemperatur sich das Klimagerät automatisch an- bzw. ausstellen soll.

Interdisziplinäre Ansätze zur Optimierung der Systeme

Herstellerübergreifende, interdisziplinäre Ansätze bieten in der Gebäudeautomation weitaus mehr Möglichkeiten: eine Optimierung der Anlagenbetriebsführung durch effiziente Echtzeit-Regelungssysteme etwa oder die Früherkennung von Betriebsstörungen und nicht zuletzt die energetische Optimierung komplexer Anlagen- und Gebäudetechnik. Systembauteile, wie Lüftungsfilter oder Brandmelder, können ihre Wartungsintervalle selbstständig kontrollieren und Servicetechniker herbeirufen, um Verschleißteile oder Verbrauchsmaterialien zu erneuern. Zunehmend intelligente Sensoren (Messfühler) und Aktoren (Antriebselemente) machen das möglich.

Dabei werden Heizungs- und Klimaanlagen, Thermostatventile, Pumpen, das Raumklima oder das Nutzerverhalten erfassende Multisensoren im Gebäude miteinander vernetzt. Das intelligente Haus wird mithilfe dezentraler Temperatur-, Rauch-, Gas-, Feuchtigkeits-, Licht-, Wind-, Bewegungs- und Drucksensoren sehen, hören, riechen und fühlen können. Selbstlernende Steuerungssysteme werden die Gewohnheiten der Bewohner registrieren, daraus ihre Schlüsse ziehen und das Zusammenspiel der Systemkomponenten optimieren. Sprach- und Gestensteuerungen werden für noch mehr Bedienungskomfort sorgen.

Auch TGA-Hersteller profitieren vom IoT: Sie können das Verhalten ihrer Kunden verfolgen, analysieren und damit Produkte, Dienstleistungen oder den Kundenservice verbessern. Das ergänzt, ersetzt jedoch nicht den Kundenservice durch Fachhandwerker, denn Kundennähe vor Ort wird auch im IoT-Zeitalter eine wichtige Rolle spielen.

Technik planen und nachrüsten

Für die Steuerung der Raum- und Gebäudefunktionen und die -Gerätekommunikation im IoT kommen kabelgebundene Bus-Systeme (Binary Unit System), Funksysteme oder Mischsysteme zum Einsatz. Zu den genormten, herstellerunabhängigen Bus-Systemen gehören der EIB-, KNX-, LON-, SMI- oder der BACnet-Standard. Bus-Systeme werden vor allem in Neubauten installiert, da man sie schon zu Projektbeginn im Gebäude einplanen muss.

Dabei bestimmt der Fachplaner die Größe der Steigzone, des Wohnungs- bzw. Geschossverteilers, die Dimensionen der Leerrohre, die Anzahl und Art der Anschluss-punkte und die Anzahl und Typen der Kommunikationskabel. Kabel oder Leerrohre, Installationskanäle und Anschlussdosen, Schalter, Sensoren und Bedienterminals müssen dabei so geschickt im Haus verteilt werden, dass eine flexible Gebäudenutzung über viele Jahre möglich ist.

Alternativen zu Bus-Systemen

Funksysteme

Inzwischen setzen aber immer mehr Hersteller, Planer und Anwender in der Gebäudeautomation auf Funksysteme, weil sie sich leichter installieren lassen und flexibler sind. In der Altbaumodernisierung oder bei historischer Bausubstanz sind sie oft alternativlos, weil man keine Wände im Gebäude aufstemmen muss. Zu den wichtigsten Funk-Standards zählen EnOcean, HomeMatic, KNX-RF, ZigBee, Z-Wave sowie DECT, Bluetooth und WLAN, die sich vor allem in der Reichweite unterscheiden.

Weitere Unterscheidungsmerkmale sind das aktuelle Marktangebot an passenden Systemkomponenten und Geräte, die Kompatibilität untereinander und die Kosten. Nachteilig nahezu bei allen Funksystemen ist, dass irgendwann – und häufig deutlich früher als vom Hersteller ausgewiesen – die Batterien gewechselt werden müssen. Lediglich batterielose Systeme (z. B. von EnOcean) sind wartungsfrei.

Powerline-Technik

Eine weitere Alternative, insbesondere für die Nachrüstung vorhandener Gebäude, ist die Powerline-Technik. Sie nutzt zur Signalübertragung das vorhandene 230-V-Installationsnetz und überlagert dabei die Netzspannung mit hochfrequenten Signalen.

Bei der Konzeption und Auswahl von Technik und Produkten sollte man auch auf Praxistauglichkeit und Sicherheit achten. Dazu zählen die Störunempfindlichkeit der Anlage gegenüber Schaltimpulsen, Störsignalen durch Mobilfunk, WLAN etc., die Manipulationssicherheit sicherheitsempfindlicher Bereiche (Zugangskontrolle, Fensterlüftung, Garagentorantrieb etc.), die Wartungshäufigkeit und anderes mehr.

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Problem: Konkurrierende Standards

Trotz zahlreicher Vorteile, wird die smarte Geräte- und Gebäudetechnik noch zögerlich angenommen. Das hat verschiedene Gründe: Fachplaner und ausführende Betriebe warten noch ab, denn der Markt ist noch immer in Bewegung. Hinzu kommt, dass smarte Geräte und Gebäude teurer sind. Die Mehrkosten, etwa für Bus-Systeme gegenüber konventioneller Installation, belaufen sich auf 5 bis 25 %, je nach eingesetzter Technik und Ausbaustufe. Inwiefern und wie schnell sich diese Mehrkosten neben der Energieeinsparung durch einen Zugewinn an Komfort und Sicherheit bezahlt machen, hängt vom Betrachter ab.

Hinzu kommt, dass zahlreiche Hersteller versuchen, eigene, proprietäre Standards zu etablieren. Die vielen konkurrierenden Standards, von denen nur wenige miteinander kompatibel sind, verunsichern Kunden, Planer und Fachhandwerker. Aber Besserung ist in Sicht: war man noch vor Kurzem gezwungen, alle Geräte von einem Hersteller zu erwerben oder Inkompatibilitäten in Kauf zu nehmen, liegt der Schwerpunkt heutiger Entwicklungen in der Interoperabilität, d. h. der Fähigkeit, mit möglichst vielen herstellerspezifischen Systemen kooperieren und Daten austauschen zu können.

Möglichkeiten des IoT erweitern

Inzwischen gibt es mehrere Hersteller, die sich zu Allianzen zusammengeschlossen haben, mit dem Ziel, die Möglichkeiten des Internets der Dinge zu erweitern. Schließlich liegt der Mehrwert des IoT gerade im intelligenten Zusammenspiel aller Komponenten möglichst vieler Gewerke und Bereiche. Dazu wurden und werden Schnittstellen zwischen den einzelnen Märkten definiert und die zu übermittelnden Inhalte standardisiert.

Allen voran ist die AllSeen Alliance zu nennen. Das ist die erste internationale Allianz, die für die Vernetzung von Geräten ein Open-Source-Standardisierungsverfahren namens AllJoyn für die Kommunikation von Endgeräten eingeführt hat. Mitglieder sind zum Beispiel Cisco Systems, LG, Microsoft und die EnOcean Alliance.

International aufgestellt ist auch OneM2M, eine Initiative zur Entwicklung globaler Standards für die Verknüpfung von Maschinen, Geräten und dem Internet der Dinge. Auf europäischer Ebene agiert die OpenIoT-Allianz mit dem Ziel, eine offene und kostenfrei verfügbare Infrastruktur (Open Source Middleware) zu entwickeln.

Der deutschen EEBus-Initiative gehören inzwischen fast 60 Unternehmen und Verbände aus der Energie-, Haushaltsgeräte-, Telekommunikations-, Elektronik-, Automobil- und Heizungsbranche. Der EEBus bildet die Schnittstelle zwischen hausinterner Kommunikation per Powerline, per Funk oder drahtgebunden und dem Datenaustausch mit dem Energieversorger. Welche der verschiedenen Allianzen sich im Markt durchsetzen wird, ist keineswegs ausgemacht. Mittelfristig wird es wohl auf eine parallele Koexistenz internationaler, nationaler und gewerkspezifischer Standards hinauslaufen.

Mehr Fokus auf Sicherheit

Immer wieder in der Kritik steht der Aspekt der Sicherheit: Probleme können vor allem unzureichend verschlüsselte Funkprotokolle, eine veraltete Hardware mit überholten Sicherheitsstandards oder unsichere Internetzugänge verursachen. Die Technik muss deshalb störunempfindlich und vor allem manipulationssicher sein. Sie darf es Hackern oder technisch versierten Einbrechern nicht ermöglichen, sich mit wenigen Kunstgriffen einen Zugriff zur Gebäudetechnik zu verschaffen.

Untersuchungen zufolge wies und weist noch immer so manche smarte Haussteuerung eklatante Sicherheitslücken auf und kann so zum Einfallstor für Manipulationen oder Einbrüche werden. Die Anlagensicherheit muss deshalb bei der Auswahl und Einrichtung von Raum- und Gebäudeautomationssystemen eine zentrale Rolle haben.

Mehr Fokus auf Datenschutz

Da das Internet der Dinge auch Nutzer- und Nutzungsdaten erfasst, speichert und untereinander austauscht, ist es für Unternehmen, Organisationen oder Behörden ebenso von Interesse, wie für Datendiebe oder Einbrecher. Positiv betrachtet können Unternehmen das Verhalten ihrer Kunden durch das IoT analysieren und so ihre Produkte oder Dienstleistungen optimieren oder den Kundenservice verbessern.

Nutzer- und Nutzungsdaten können aber auch dazu genutzt werden, die Privatsphäre auszuspähen. Über das Internet gesteuerte Schließsysteme, Fenster oder Rollläden sind zudem ein ideales Einfallstor für Manipulationen und Einbrüche. Angriffsflächen für Datenmissbrauch und Manipulationen bieten vor allem Funksysteme und die inzwischen unüberschaubaren Steuerungs-Apps, die für diverse Anwendungen offeriert werden – von der Kontrolle einzelner Geräte über das Energiemonitoring von Anlagen bis zur umfassenden Gebäudesteuerung. Was mit den Nutzer- und Nutzungsdaten von Apps letztlich passiert, ist nicht transparent oder versteckt sich häufig hinter kleingedruckten Nutzungsbedingungen, die keiner liest. Kurzum: Der Datenschutz im Smart Home darf auf keinen Fall vernachlässigt werden.

Ausblick: Internet der Dinge setzt Kooperationen voraus

IoT ist zweifellos ein Wachstumsmarkt, auch wenn viele Prognosen sicherlich übertrieben sind. Aktuell gehen seriöse Marktuntersuchungen von deutlich weniger als einer Milliarde verbundener IoT-Geräte weltweit aus. Unstrittig ist, dass das Internet der Dinge unsere reale Welt nachhaltig verändern wird. Neue Produkte, Dienstleistungen, Unternehmen, Märkte und Branchen werden entstehen.

Auch Unternehmen der Sanitär-, Heizungs-, Lüftungs-, und Klimatechnik, der Regelungs-, Solar- oder Elektrotechnik müssen sich auf grundlegende Veränderungen einstellen. Das gilt insbesondere für Fachplaner und Fachhandwerker, denn die Planung und Realisierung smarter Haus- und Gebäudetechnik setzt ein anderes Denken und eine frühzeitige interdisziplinäre Kooperation voraus.

Systeme, Gewerke, Anlagen und Anwendungen, die bisher nichts gemein hatten, müssen zum Vorteil der Nutzer miteinander verknüpft werden. Aktuell bestimmen allerdings vor allem Sicherheitsanforderungen die Wahl des passenden IoT-Systems und nicht die eigentlich zentrale Frage, was man mit den IoT-Sensordaten machen und wie man sie im Detail nutzen will.

Dieser Beitrag von Marian Behaneck ist zuerst erschienen in TGA-Fachplaner/08-2016.