Gebäudeautomation: Ständig unter Strom

Viessmann

Smarte Gebäude stehen neben mehr Komfort und Sicherheit auch für einen geringeren Energieverbrauch. Bei der Planung sollte man allerdings auch auf die Energieeffizienz und den Stand-by-Stromverbrauch der Komponenten sowie Sicherheitsaspekte achten.

Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Smart Home bietet mehr Komfort und Sicherheit und mit der Raum- und Gebäudeautomation können der Energieverbrauch und damit der Betriebskosten für Beleuchtung, Temperierung und Belüftung verringert werden.
■ Bei der Planung sollte man bewährte, einfach installierbare Systeme favorisieren und auch die Stand-by-Kosten beachten.
■ Smarte Technik sollte ferner störunempfindlich und manipulationssicher sein sowie aktuelle Sicherheitsstandards erfüllen. Dazu zählen unter anderem aktuelle Betriebsprogramme (Firmware) oder verschlüsselte Funkprotokolle.

Vieles spricht für die Automation von Gebäuden: gestiegene Sicherheitsbedürfnisse, die Alterung der Gesellschaft oder die Notwendigkeit, Energie zu sparen bzw. zunehmend auch, Energie zum günstigsten Zeitpunkt zu verbrauchen. Die Automation und Vernetzung der Haus- und Gerätetechnik bietet dafür passende Lösungen:

Smarte Schließsysteme steigern die Sicherheit und eine Rollladen-Steuerung übernimmt das Öffnen und Schließen auf Wunsch, nach Programm, zur energetischen Optimierung oder zur Anwesenheitssimulation. Eine bedarfsgerecht gesteuerte mechanische Belüftung verbessert die Raumluftqualität, spart Heizenergie und kann im Sommer zur Nachtauskühlung genutzt werden. Und mit den passenden Informationen kann die Wärmeerzeugung bei gleichem Komfort früher aus- und später eingeschaltet werden oder zur Speicherung überschüssiger Energie aktiviert werden.

Doch wie sieht es mit der Gesamtenergiebilanz und der Ökobilanz der smarten Gebäudetechnik aus und worauf sollte man bei der Planung achten?

Was kann Smart Home?

„Häuser mit IQ“ liegen im Trend, denn sie greifen aktuelle Entwicklungen auf, beispielsweise den demografischen Wandel und gestiegene Sicherheitsbedürfnisse. Insbesondere für ältere Menschen oder Menschen mit Handicap bietet das intelligente Haus mehr Komfort und Sicherheit: Ungenutzte Herdplatten oder Geräte, die Schäden verursachen können, werden rechtzeitig abgeschaltet, Fehlermeldungen an den örtlichen Installateur oder Notdienst weitergeleitet. Rauch-, Bewegungs- oder Glasbruchmelder schützen Immobilien und Bewohner. Leckageschutzsysteme können bei undichten Wasserleitungen den Schaden begrenzen und Kosten durch unbemerkte Wasserverluste vermeiden.

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Raum- und Gebäudeautomationssysteme verringern außerdem Betriebskosten durch bedarfs-, tages-, jahreszeit- oder bewegungsabhängiges Schalten oder Dimmen der Beleuchtung oder eine aufeinander abgestimmte Steuerung von Heizung, Lüftung und Sonnenschutz. Fenster werden bei geöffneten Heizkörperventilen oder eingeschalteter Klimaanlage selbstständig geschlossen bzw. bei geöffnetem Fenster die Heizung oder Kühlung unterbrochen. Die Sonnenschutz-Steuerung sorgt dafür, dass passive Solareinträge im Winter optimal genutzt und im Sommer minimiert werden.

Weitere Möglichkeiten der Vernetzung und mobilen Steuerung von Raum- und Gebäudeautomationssystemen eröffnet das Internet der Dinge (IoT) – eine Technologie, die reale physische Objekte mit dem Internet verknüpft. Damit lassen sich Geräte per Smartphone ortsunabhängig steuern oder Prozesse über „Wenn-dann“-Regeln automatisieren – etwa das Starten des Saugroboters, sobald man das Haus verlassen hat. Systembauteile, wie Rollladenantriebe, Sensoren an Luftfiltern oder Brandmelder, können selbstständig Servicetechniker verständigen, sobald Verschleißteile oder Verbrauchsmaterialien zu erneuern sind.

Mit smarten Strommessern, die den Verbrauch eingesteckter Geräte oder Stromkreise auch direkt an das Smartphone senden können, sehen Nutzer unmittelbar den Stromverbrauch im zeitlichen Vergleich und können darauf gezielt und bei Abweichungen zeitnah reagieren.

Auch für die Fernwartung und -kontrolle der Haustechnik bietet die Gebäudeautomation Vorteile. So können Fachbetriebe Betriebsdaten abrufen, werden über Störungen frühzeitig informiert, können diese oft schon aus der Ferne beseitigen oder erhalten Informationen über voraussichtlich erforderliche Ersatzteile.

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Wie funktioniert Smart Home?

Gebäudeautomationssysteme basieren auf einem vernetzten Zusammenspiel aus Sensoren, Aktoren, einem Datenübertragungssystem und einer zentralen Steuerung. Sensoren (Temperaturfühler, Bewegungsmelder etc.) geben per Datenleitung oder Funk digitale Signale direkt oder über eine Steuerzentrale an Aktoren (Antriebe, Schalter etc.) weiter. Daraufhin wird die programmierte Aktion (Lampe dimmen, Heizung drosseln, Sonnenschutz herunterfahren) ausgeführt. Die Aktionen können beispielsweise zeit-, temperatur-, wind-, regen-, anwesenheits-, ereignis-, App- oder sprachgesteuert erfolgen.

Sensoren und Aktoren können neu programmiert oder zugeordnet werden, sodass die Gebäudesteuerung flexibel an neue Anforderungen angepasst werden kann. Schnittstellen (Gateways) könne über entsprechende Protokolle dafür sorgen, dass die einzelnen Ebenen und Geräte eines offenen oder geöffneten Smart-Home-Systems miteinander kommunizieren können, auch wenn sie von unterschiedlichen Herstellern stammen.

Die Übertragung dieser Informationen und Daten erfolgt per Datenleitung, Funk, das Stromnetz oder kombiniert über entsprechende Bussysteme. Aktuell erhältliche Hausautomationssysteme lassen sich in offene und geschlossene Systeme unterteilen. Offene Systeme bieten eine große Geräteauswahl, ermöglichen Kombinationen unterschiedlicher Produkte und sind damit weniger von einem Hersteller abhängig. Auch wenn dieselben Standards verwendet werden, können Inkompatibilitäten auftreten.

Nutzer geschlossener Systeme können zwar zwischen perfekt aufeinander abgestimmten Geräten wählen, allerdings zumeist nur eines Herstellers. Bei Störungen und Problemen gibt es dafür nur einen Ansprechpartner.

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Kabel oder Funk?

Kabelgebundene Bussysteme übertragen Signale über spezielle Bus-Kabel, die in der Regel unter Putz verlegt werden. Die erforderlichen Schlitz- und Stemmarbeiten sind bei Neubauten in der Ausbauphase kein Problem. Bei Altbauten trifft das nur zu, wenn sie grundsaniert und ohnehin in den Rohbauzustand versetzt werden.

Zu den genormten, herstellerunabhängigen kabelgebundenen Bussystemen (Binary Unit System) gehören der KNX-, LON- oder der BACnet-Standard. Kabelgebundene Bussysteme sollten bereits in früher Projektphase geplant werden, da die Größe der Steigzone, des Wohnungs- bzw. Geschossverteilers, die Dimensionen der Leerrohre, die Anzahl und Art der Anschlusspunkte und die Anzahl und Typen der Kommunikationskabel bestimmt werden müssen.

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Funksysteme sind einfacher installierbar, in der Anschaffung meistens günstiger, flexibler und in der Altbaumodernisierung oder im Denkmalschutz optimal, weil Schlitz- und Stemmarbeiten entfallen. Zu den wichtigsten Funk-Standards zählen Bluetooth, DECT, EnOcean, WLAN, ZigBee oder Z-Wave, die sich vor allem in der Reichweite (ca. 10 bis 100 m) unterscheiden.

Nachteilig für die Energie- und Ökobilanz nahezu aller Funksysteme ist, dass regelmäßig Batterien oder entsprechende Akkus gewechselt werden müssen. Je nach Bauteil, Nutzungsprofil und Einsatzort wird ein Austausch alle sechs Monate bis zehn Jahre fällig.

Lediglich batterielose, nach dem Prinzip des „Energy Harvesting“ funktionierende Funksysteme sind praktisch wartungsfrei. Dabei werden kleinste Energiemengen aus der Umwelt „geerntet“, zum Beispiel durch Licht- oder Temperaturunterschiede, Luftströmungen, Vibrationen, Druck etc.

Eine weitere Alternative zur Nachrüstung ist die Powerline- oder Powernet-Technik, die zur Signalübertragung das vorhandene Stromnetz nutzt. Allerdings sind die dafür notwendigen Bauteile und Komponenten teuer und das Stromnetz sollte nicht zu alt oder gar marode sein. Darüber hinaus kann es durch Dimmer, Mehrfachsteckdosen, Elektrogeräte etc. zu Störeinflüssen kommen. Wichtige Powerline-Standards sind DigitalStrom und LCN.

Lokal oder Cloud?

Für die Smart-Home-Energie- und Ökobilanz im Betrieb relevant ist auch das Systemkonzept. Je nachdem, wie Steuerungs- und Sensordaten verarbeitet und gespeichert werden, unterscheidet man zwischen lokalen und cloudbasierten Gebäudeautomationssystemen. Weil letztere die Daten zunächst online an einen externen Server senden, dort verarbeiten und zurück an den lokalen Aktor senden, wird auf die Infrastruktur des Internet zurückgegriffen. Deshalb muss bei der Energiebilanzierung – zusätzlich zum Stand-by-Betrieb der einzelnen Geräte – der Stromverbrauch der Netzinfrastruktur (z. B. Rechenzentren) berücksichtigt werden.

Hinzu kommen Sicherheitsaspekte des cloudbasierten Smart Home: Was nämlich bei der Datenübertragung und -speicherung mit den Daten passiert, entzieht sich jeder Kontrolle. Ein typisches Szenario ist, dass das Nutzerverhalten der Bewohner ausgespäht und für Manipulationen genutzt wird.

Funktioniert das cloudbasierte Smart-Home-System nur mit Internetverbindung, können zudem Störungen der Internetverbindung Smart-Home-Funktionen beeinträchtigen. Deshalb sollte die App-Steuerung oder Ausführung programmierter Funktionen auch offline möglich sein.

Sparsamer beim Stromverbrauch und sicherer in Bezug auf die Daten- und Ausfallsicherheit sind lokale Insel-Systeme, bei denen die Sensordaten ausschließlich im hauseigenen Server oder Steuergerät gespeichert und verarbeitet werden. Das ist zwar mit einigen Funktions- und Komforteinbußen verbunden (kein Fernzugriff, keine Push-Nachrichten, keine Sprachsteuerung). Dafür verbrauchen lokale Systeme weniger Strom, sind vor Hackerangriffen sicherer und funktionieren in vollem Umfang auch offline.

Wie sieht die Energiebilanz aus?

Deutsche Telekom AG / Wolfram Scheible

Smarte Gebäudesteuerungen steigern nicht nur die Sicherheit und den Komfort, abhängig von den realisierten Funktionen können sie auch die Energiekosten senken. Einer Studie des Fraunhofer Instituts für Bauphysik zufolge [1] können mit einer intelligenten Haustechnik im Idealfall bis zu 40 % der Heizkosten pro Jahr gespart werden. Andere Studien geben mit einer vernetzten Heizungs-, Klima- und Lüftungsanlage Ersparnisse von bis zu 30 % an.

Weitere Emissions- und Energiespareffekte lassen sich auch mit einer flexiblen, am Nutzungsprofil der Bewohner orientierten Steuerung von Wärmepumpen und Blockheizkraftwerken und der Stromnutzung aus Windkraft und Sonnenenergie erzielen.

Die tatsächlich gesparten Kosten hängen von vielen Faktoren ab, etwa der Bausubstanz, der Lage des Objekts, dem Nutzungsprofil, der Regelung und Steuerung vor der Aufrüstung und auch der Motivation für die Realisierung von Smart-Home-Funktionen. Auch Qualitätskontrollen (Monitoring) und Rebound-Effekte können einen erheblichen Einfluss haben.

Ganz allgemein können Rückmeldefunktion, etwa von Smart Metern, das Energiesparen langfristig unterstützen. Sie zeigen den Energieverbrauch zeitnah an – und damit, wie sich verschiedene Geräteeinstellungen und Verhaltensmuster auf den Energieverbrauch und letztendlich die Energiekosten auswirken.

Die Vernetzung der Haus- und Gerätetechnik hat neben diesen Spareffekten allerdings auch einen Mehrverbrauch von Energie und Ressourcen zur Folge. Dieser entsteht laut einer im Auftrag des BUND durch das Borderstep Institut durchgeführten Studie [2] auf mehreren Ebenen:

Bei der Herstellung der smarten Geräte und der darin enthaltenen Mikroelektronik sowie der benötigten Batterien, durch den Strommehrverbrauch aufgrund der ständigen Empfangsbereitschaft im laufenden Betrieb, durch den für Internetdienste erforderlichen Strom cloudbasierter Lösungen sowie bei der Entsorgung und dem Recycling von Smart-Home-Produkten.

Smarte Geräte können zudem – bedingt durch eventuell mangelnde Updatefähigkeiten, Viren- und Kompatibilitätsprobleme, kurze Innovationszyklen oder Defekte an den smarten Bauteilen – schneller veralten als vergleichbare konventionelle Geräte, was die Energie- und Ökobilanz zusätzlich verschlechtert.

Stromverbrauch durch Stand-by

iStock / Geze

Ein Großteil des für den Betrieb erforderlichen Stromverbrauchs smarter Geräte resultiert aus deren kontinuierlicher Ansprechbarkeit im Stand-by-Modus. Das liegt daran, dass viele Kommunikationsstandards nur begrenzt Energie sparen können. Entsprechende Bauteile haben einen ständigen Leistungsbedarf, unabhängig davon, ob sie kommunizieren oder sich in Bereitschaft befinden.

Zwar arbeitet die Industrie an einer kontinuierlichen Minimierung des Stand-by-Verbrauchs, auch um die Vorgaben der Ökodesign-Richtlinie der EU zu erfüllen [3]. So darf seit 2019 die Leistungsaufnahme neuer vernetzter Geräte 2 W nicht überschreiten. In der Summe ist der Stand-by-Verbrauch aber dennoch hoch – auch weil die Anzahl smarter Geräte stetig steigt. Fünf Zimmer mit jeweils drei Geräten und nur 1 W Leistungsaufnahme summieren sich schon auf 130 kWh/a. Damit liegt nur der Stand-by-Verbrauch in einer Größenordnung von 5 % des Haushaltsstromverbrauchs. Wären alle Wohnungen in Deutschland so ausgestattet, würde der Stand-by-Verbrauch 9 % der Stromerzeugung aus Solarenergie im Jahr 2022 beanspruchen.

Viele Funktionen vernetzter Geräte basieren zudem auf Cloud-Diensten, etwa der Fernsteuerung von unterwegs, die nur über energieintensive Rechenzentren realisierbar sind und damit weitere Verbräuche verursachen. Herstellerangaben zu den durch die Gerätevernetzung bedingten Stromverbräuchen findet man praktisch keine, allerdings lassen sie sich über den Stand-by-Stromverbrauch abschätzen.

Da Alltagsprodukte zunehmend mit IoT-Schnittstellen ausgestattet werden, kann dies zu erheblichen Mehrverbräuchen von Energie und Ressourcen führen. Europaweit erwartet die BUND-Studie Mehrverbräuche von bis zu 70 TWh/a, pro Gerät bis zu 26 kWh/a. Auf der anderen Seite fallen die Preise für Photovoltaik sowie Speicherbatterien immer mehr und werden in Form von Balkonkraftwerken, Powerstationen oder E-Akkus fürs Smart Home für eine wachsende Zielgruppe attraktiv und erschwinglich.

Senkung des CO₂-Ausstoßes

BUND

Auch ein Studie des Öko-Instituts im Auftrag der Verbraucherzentrale NRW [4] macht einen Smart-Home-Strommehrverbrauch aus, der sich bei einer sehr aufwendigen Ausstattung pro Haushalt auf bis zu 560 kWh/a summieren kann. Allerdings kann der Studie zufolge die Smart-Home-Technik den CO₂-Ausstoß, den ein Haushalt durch seinen Energieverbrauch verursacht, auch verringern – und zwar durch Einsparungen beim Heizen. Das gilt selbst dann, wenn neben der energiesparenden Technik auch Geräte zur Verbesserung des Komforts und der Sicherheit zum Einsatz kommen.

Im Beispielfall eines von zwei Personen bewohnten Einfamilienhauses mit Öl-Heizung ließen sich – trotz des erhöhten Stromverbrauchs – in der Summe rund 10 % der CO₂-Emissionen vermeiden. Kommen zusätzlich Komfortanwendungen, wie smarte Lautsprecher, Saugroboter oder Sicherheitstechnik wie Kameras hinzu, steigt der Strombedarf. Dadurch vermindert sich der positive Effekt fürs Klima und der energiebezogene CO₂-Ausstoß kann dann nur noch um 7 % verringert werden.

In den verschiedenen Modellhaushalten der Studie kamen insgesamt zwischen 40 und 60 (!) Batterien zum Einsatz, je nach technischer Ausstattung. Bemängelt wurde von den Autoren der Studie neben diesem hohen Verbrauch von Einweg-Batterien auch eine mangelnde Kennzeichnung des Stromverbrauchs einzelner Smart-Home-Geräte. Empfohlen wird deshalb, so wenig smarte Geräte wie nötig und so wenig unterschiedliche Systeme wie möglich einzusetzen. Denn jedes System hat eine eigene Steuereinheit, was den Stromverbrauch erhöht.

Forschungsbedarf besteht der Studie zufolge in Bezug auf den Lebenszyklus von Smart-Home-Anwendungen, den langfristigen Ressourcenbedarf und die Entsorgung, durch die Vernetzung bedingte Umweltauswirkungen sowie eventuelle Rebound-Effekte, beispielsweise bedingt durch einen zusätzlichen Konsum aufgrund der Einsparungen.

BUND

Chancen und Herausforderungen

In Zukunft wird das intelligente Haus mithilfe zahlreicher Sensoren sehen, hören, riechen und fühlen können. Selbstlernende, KI-gestützte Steuerungssysteme werden die Gewohnheiten der Bewohner registrieren, daraus Schlüsse ziehen und das Zusammenspiel der Systemkomponenten optimieren. Eine Sprach- und Gestensteuerung wird für mehr Bedienungskomfort sorgen und Älteren den Zugang zur Gebäudeautomation erleichtern.

Betrachtet man Smart Home aus energetischer Sicht, fällt die Bilanz aktuell durchwachsen aus. Das liegt auch daran, dass nur ein kleiner Teil der Smart-Home-Anwendungen auf die Energieeinsparung abzielt. Im Fokus der Anbieter stehen vor allem Komfort und Sicherheit. Ein Smart Home braucht zwar weniger Heizenergie benötigt aber auch Strom, der ausschließlich zur Funktionserhaltung des Systems benötigt wird.

Bitkom

Funkgesteuerte Systembauteile oder smarte Geräte im Standby-Modus bedienen sich aus der Steckdose oder brauchen Batterien. Letztere müssen regelmäßig gewechselt und recycelt werden. Das mindert den Energiespareffekt, verschlechtert die Ökobilanz und generiert auch Wartungsaufwand. Bei der Entscheidung über das Für und Wider sollte man deshalb auch einfache Regelsysteme in Betracht ziehen, denn es muss nicht immer Smart Home sein. Häufig reichen auch ein Zeitschalter, ein Temperatur-, Regen- oder Windsensor. Sollen allerdings möglichst viele Haustechnik-Komponenten miteinander interagieren, kommt man um ein Gebäudeautomationssystem nicht herum. Dann sollte man ein bewährtes, einfach installierbares und bedienbares System favorisieren, die Stand-by-Kosten berücksichtigen und wichtige Grundregeln bei der Planung beachten (siehe Info-Kasten). Marian Behaneck

Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGA+E-Dossier Smart Home und Smart

Literatur

[1] Kersken, M.; Sinnesbichler, H.; Erhorn, H.: Analyse der Einsparpotenziale durch Smarthome‐ und intelligente Heizungsregelungen. Berlin: Ernst & Sohn, Bauphysik 5-2018, PDF-Download von www.ibp.fraunhofer.de

[2] Hintemann, R; Hinterholzer, S.: Smarte Rahmenbedingungen für Energie- und Ressourceneinsparungen bei vernetzten Haushaltsprodukten, Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit. Berlin: Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland, 2018, PDF-Download von www.bund.net

[3] Umweltbundesamt (Hrsg.): Ökodesign-Richtlinie, Standby- und Schein-Aus-(Off-Mode)-Verluste und Verluste im vernetzten Bereitschaftsbetrieb. Berlin: Eigenverlag, 2013

[4] Quack, D.; Liu, R; Gröger, J.: Smart Home – Energieverbrauch  und Einsparpotenzial  der intelligenten Geräte. Freiburg: Öko-Institut, 2019, PDF-Download von www.verbraucherzentrale.nrw

[5] Bitkom (Hrsg.): Das intelligente Zuhause. Berlin: Eigenverlag, 2022, PDF-Download von www.bitkom.org