Mit universell einsetzbarer „Digital Twin“-Technologie gegen Energie- und Umweltkrisen

Seit dem Jahr 2021 ist Klimaschutz und damit die Notwendigkeit zur Optimierung von Klimatisierungs-Technik das beherrschende Szenario für die Branche. Hintergrund ist das Klimaschutzgesetz (KSG) mit seinem engen Terminplan und seinen fordernden Zwischenzielen bis 2045. Expertenwissen und Technologien aus dem Bereich der technischen Gebäudeausrüstung werden eine wichtige Rolle übernehmen müssen, um wie gefordert den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur auf deutlich unter 2°C und möglichst auf 1,5°C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen.

Wesentlich verschärft wurde die Situation durch die aktuelle Energiekrise ab der ersten Jahreshälfte 2022. Der akute Druck zur Optimierung von Klimatisierungs-Systemen und zur Verbesserung von deren Steuerungen zwang im Herbst 2022 zu zwei Energiesparverordnungen mit konkreten kurz- und mittelfristigen Maßnahmen.

Auf den Punkt gebracht: Es ist eine Situation eingetreten, in der jede eingesparte Kilowattstunde Energie hilft.

Nachhaltige Lösung mit „Digital Twins“ statt Notprogramm

In dieser Lage besteht die Gefahr, die Suche nach Lösungen auf Akutprogramme zu begrenzen und dabei langfristig nachhaltig wirkende Ansätze auszublenden, die dennoch schnell „in Stellung gebracht“ werden können - zum Beispiel die Verwendung von „Digital Twins“:

Seit Jahren weisen Fachleute darauf hin, dass die Nutzung der „Digital Twin“-Technologie eine wichtige Option zur Ressourcen-sparenden Steuerung von Klimatisierungstechnik darstellt. Der sogenannte „Digital Twin“ - der digitale Zwilling – eines Gebäudes wird vor allem im Rahmen der computergestützten, vernetzten Planung, Realisierung und Nutzung von Gebäuden – des BIM (Building Information Modeling) konstruiert. Er ist so etwas wie eine digitale Kopie eines Gebäudes mit seinen Klima-Installationen und physischen Bestandteilen wie Böden, Wänden, Fassaden usw. - Anhand des damit verfügbaren „virtuellen“ Gebäudes kann die Funktionsweise der Klimatisierungs-Technik und -Steuerung eines Gebäudes durchgespielt und als informationstechnische Grundlage der Optimierung der Anlagen-Leistung genutzt werden.

Bewährte Softwarelösung setzt an GLT an.

In der Folge dieses Beitrags wird es darum gehen, dass „Digital Twin“-Technologie keineswegs nur im Rahmen der Planung von neu entstehenden Gebäuden einsetzbar ist. Am Beispiel des Ansatzes von ecoBuilding - entwickelt vom Priva Lab for Innovation – wird gezeigt, wie die Konstruktion des digitalen Zwillings eines Gebäudes auch bei bereits bestehenden Gewerbeimmobilien genutzt werden kann, um kurzfristig eine sich selbst optimierende Klima- und Energiesteuerung zu implementieren.

Grundsätzlich können Gebäude – Größenordnung: ab 2.000 qm bis über 50.000 qm Nutzfläche - die über Gebäudeleittechnik (GLT) verfügen, mit ecoBuilding ausgestattet werden, um „Digital Twin“-Technologie zu nutzen. Dazu wird auf das jeweilige Gebäude-Managementsystem per BACnet, Modbus oder XML zugegriffen.
Bereits in vielen Installationen bewährtes Konzept dieser Cloud-gestützten Lösung ist es, ein sich selbst steuerndes, Ressourcen-Einsatz optimierendes System zu realisieren, das sich automatisch u.a. auf sich ändernde Umwelt- und Energiemarkt-Bedingungen einstellt. Dazu nutzt es automatisiert historische Daten sowie Echtzeit- und Ein-Tages-Prognosedaten zu Energiepreisen und Wettervorhersagen. Auf dieser Grundlage steuert das System intelligent, um den Energieverbrauch zu optimieren und gleichzeitig Kosteneffizienz zu gewährleisten - gleichzeitig sorgt es für ein angenehmes Raumklima in Immobilien.

Implementierung in drei Schritten

Implementiert wird ecoBuilding in drei wesentlichen Schritten:
Zunächst erfolgt eine zügige Erfassung der Ausgangslage, indem das Gebäudemanagement-System eines Bauwerks und der Betrieb der installierten Anlagen einem „quick scan“ unterworfen werden. Auf der Basis der dabei ermittelten Informationslage lassen sich bereits erste Verbesserungsvorschläge sowie ein Aktionsplan entwerfen, der festhält, wie eine optimierte und Energie einsparende Klimainstallation zu erreichen ist. Es zeichnet sich ab, ob Investitionen in die Anlage notwendig sind und mit welchen Amortisations-Zeiträumen zu kalkulieren ist.

Im Anschluss an diesen quick scan erfolgt die Erstellung des digitalen Zwillings des Gebäudes, der alle vorhandenen Energiedaten, die Leistungswerte der Klimasysteme und des Gebäudemanagement-Systems berücksichtigt. Mittels des digitalen Zwillings liegt ein Modell vor, anhand dessen die Funktionsweise der Anlagen detailliert bewertet werden kann. Erfahrungsgemäß arbeiten 70 % der Gebäudeinstallationen nicht optimal. Häufig liegen Funktions-Einschränkungen oder sogar verborgene Defekte vor, die in dieser Phase behoben werden können.

Auf die ersten beiden Schritte aufbauend erfolgt anschließend die Implementierung der Steuerungsfunktion von ecoBuilding. Auf dessen Basis werden die Klimasysteme des Gebäudes automatisiert 24 Stunden vorausschauend reguliert. Dabei werden im Einzelnen Heizung, Kühlung, Luftbehandlung usw. gesteuert. Mit Blick auf die Nutzung von Energieträgern gibt es die Möglichkeit, für eine möglichst kosteneffiziente Steuerung laufend die Entwicklung der Energiepreise einzurechnen. Arbeitet die Anlage mit  
Energiepuffern - mit Batterien oder thermischen Speichern – werden diese ebenfalls von ecoBuilding berücksichtigt, um optimale Ladungs- und Entladungs-Vorgänge sicherzustellen. Hat das Software-gestützte System die automatische Steuerung auf diese Weise übernommen, können CO2-Emissionen und Energieverbrauch bis zu 40 % reduziert werden (siehe Beispiel de Goudse).

Fazit: „Digital Twin“-Technologie mit Einsatz in einer Vielzahl von Szenarien

Die Möglichkeiten, auf der Basis dieser beschriebenen „Digital Twin“-Technologie akute und langfristige Herausforderungen zu bewältigen, sind vielfältig:

Da ecoBuilding in die Gebäudeleittechnik bereits bestehender, älterer Gebäude implementiert werden kann, ist es möglich, zügig die Funktion vorhandener Anlagen zu optimieren, um kurzfristig möglichst viele unnötig verbrauchte Kilowattstunden einzusparen.

Auch im Falle modernster Systeme, bei denen die Energie z.B. über BHKW oder Photovoltaik eigenproduziert wird, optimiert die „Digital Twin“-Technologie von ecoBuilding den Energieeinsatz unter Berücksichtigung der Leistungsausbeute dieser Systeme.

Weiterhin kann der digitale Zwilling eines Gebäudes auf der Basis von ecoBuilding genutzt werden, um die Auswirkung von Nachhaltigkeits-Maßnahmen durchzuspielen. Es können unterschiedlichste Szenarien simuliert werden, um detailliert beispielsweise die Auswirkung der Nutzung von Dreifachverglasung, einer neuen Luftaufbereitungsanlage oder des Einbaus einer Wärmepumpe durchzurechnen.

Über Planungen von Modernisierungs- und Renovierungsprojekten hinaus, können die bewährten Algorithmen und Rechenmodelle hinter ecoBuilding auch für die Planung neuer Gebäude genutzt werden, etwa um deren bauliche Ausstattung, Ausrüstung mit Klimaanlagen und einem Gebäudemanagement-System möglichst verbrauchsgerecht zu konzipieren.