Neuland

Kluge Gebäude – Zufriedene Nutzer

Wissenschaftler des KIT wollen im Projekt ValMoNul die Automation von Gebäuden mit den individuellen Bedürfnissenderer Nutzer in Einklang bringen.

Fahrzeuge parken selbstständig ein, der Kühlschrank bestellt automatisch Lebensmittelnachschub – das Internet der Dinge hält immer stärkeren Einzug in unser Leben. Auch Zweckgebäude wie Bürokomplexe, Fertigungshallen oder Krankenhäuser werden zunehmend von der Digitalisierung geprägt und zu sogenannten Smart Buildings umgerüstet. Häufig empfinden Gebäudenutzer diese Automation jedoch als Eingriff in die individuelle Gestaltung ihres räumlichen Umfeldes. Dies betrifft beispielsweise einen Klassiker des Büroalltags: Die Klimatisierung von Räumen. Zu kalt, zu warm, zu stickig – ein zentral gesteuertes Raumklima führt nicht selten zu chronischem Unmut.

„Werden die Bedürfnisse der Nutzer missachtet, hat dies nicht nur negative Folgen für die Energieeffizienz der Gebäude, sondern auch für die Produktivität und das Wohlbefinden der Mitarbeiter. Unser Ziel ist es, die Senkung des Energiebedarfs mit einer Komfortsteigerung für die Gebäudenutzer in Einklang zu bringen“, so Prof. Andreas Wagner, Professor für Bauphysik und Technischen Ausbau sowie Prodekan für Forschung der Fakultät für Architektur am KIT.

Seit Juni 2015 forscht das KIT im Verbundprojekt ValMoNul – ein Akronym für „Validierung und Modellierung von Nutzerinteraktionen sowie deren algorithmischer Implementierung in der Gebäudeautomation“. Das Projekt wird in enger Kooperation mit den Lehrstühlen für Energieeffizientes Bauen (E3D) und Gebäude- und Raumklimatechnik (EBC) der RWTH Aachen, dem Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) und dem Industriepartner ABB bearbeitet.

Wir müssen einen integralen architektonischen Ansatz finden, der Raumgestaltung, technische Gebäudeausrüstung und die individuellen Bedürfnisse der Nutzer in Einklang bringt.

Prof. Andreas Wagner

Automatisierungskonzepte und Regelungsstrategien, etwa für Raumklima und Beleuchtung, werden bereits in vielen Gebäuden eingesetzt. Allerdings weichen die prognostizierten Bedarfswerte häufig stark von der Realität ab. „Grund dafür ist mitunter, dass man sich am Verhalten eines Durchschnittsnutzers orientiert, welches in keinster Weise das Verhalten aller Nutzer widerspiegelt“, erklärt PD Dr. Marcel Schweiker. Er ist akademischer Mitarbeiter im Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau am KIT und dort als Verbundleiter des Projekts ValMoNul verantwortlich für Komfort- und Nutzerverhaltensforschung.

Mit der ABB AG – einem weltweit führenden Anbieter von Produkten im Bereich Gebäudeautomation – konnte ein Partner für das Projekt gewonnen werden, welcher die Ergebnisse aus Industriesicht bewertet und so eine möglichst hohe Verwertbarkeit sicherstellt. Die Algorithmen, die nach Auswertung der am KIT durchgeführten Experimente zum Nutzerverhalten aufgestellt werden, sollen frühestmöglich eine Prüfung auf Marktfähigkeit durchlaufen. „Wir implementieren die Algorithmen direkt auf Controllern von ABB mit dem Ziel, diese irgendwann auch an den Markt zu bringen. Dabei ist es uns wichtig, ein System zu entwickeln, das über einen gewissen Zeitraum die Bedürfnisse der Nutzer kennenlernt und korrekt interpretieren kann, sodass diese sich langfristig wohlfühlen“, sagt Dirk John, der das Projekt mit initiiert hat und es seitens ABB als globaler Produktmanager Digitalisierung im Bereich Smart Buildings begleitet.

Für die Akzeptanz von künstlicher Intelligenz in Gebäuden ist es entscheidend, den Nutzer nicht in seinen Freiheiten zu beschränken und ein Gefühl von Fremdbestimmung zu vermeiden. Neben der Individualität der Nutzer darf auch die Individualität der jeweiligen Gebäude nicht außer Acht gelassen werden. Ziel ist ein Ergebnis, das sich auf andere Gebäude übertragen lässt und gleichzeitig über so viele Stellschrauben wie möglich verfügt.

Um eine solche Lösung zu erarbeiten, wollen sich die Partner künftig noch tiefgehender mit multiplen Einflussfaktoren beschäftigen, wie etwa dem Zusammenspiel von visuellen, thermischen, olfaktorischen und auditiven Einflüssen. „Dazu ist es uns wichtig, in Zukunft auch weiterhin Psychologen sowie Partner aus dem Facility-Management mit einzubinden. Nur wenn wir den Menschen interdisziplinär betrachten, können uns intelligente Systeme in Zukunft optimal unterstützen“, betont PD Dr. Schweiker.

Bild: A Lot Of People / Shutterstock, bearbeitet von DER PUNKT

Kann die Temperatur kontrolliert werden, haben die visuelle und thermische Zufriedenheit das gleiche Gewicht auf die Gesamtzufriedenheit. Wenn nur die Lichtverhältnisse kontrolliert werden können, aber nicht die Temperatur, ist der Einfluss der thermischen Zufriedenheit drei Mal so hoch, wie der, der visuellen Zufriedenheit.

Bild: PD Dr. Marcel Schweiker / KIT

PD Dr. Marcel Schweiker, Prof. Andreas Wagner und Dr. Dirk John in einem der Räume des LOBSTER, wo Komfort und Nutzerverhalten unter kontrollierten Bedingungen untersucht werden können.

DER TESTSTAND LOBSTER

2013 wurde am KIT ein Raumklima-Teststand errichtet, um Komfort und Nutzerverhalten unter kontrollierten Bedingungen untersuchen zu können. LOBSTER steht für Laboratory for Occupant Behaviour, Satisfaction, Thermal Comfort and Environment Research. Der Teststand bietet realitätsnahe Versuchsbedingungen und ist mit umfangreicher Technik ausgestattet, wie etwa Raumklimasensoren und körperbezogenen Sensoren sowie einer eigenen meteorologischen Station auf dem Dach. Mithilfe von zwei identischen, momentan als Büros ausgestatteten Testräumen, sind sowohl vergleichende Studien als auch eine Verdoppelung der Probandenzahl bei minimalem Mehraufwand möglich.

Professor Andreas Wagner

Andreas Wagner, geboren 1959, war nach Abschluss des Maschinenbaustudiums an der Universität Karlsruhe knapp 10 Jahre in der Solarforschung am Fraunhofer ISE in Freiburg tätig. Seit 1995 leitet er als Professor an der Fakultät für Architektur des KIT das Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau. Neben der Lehre im Bachelor- und Masterstudium mit besonderem Fokus auf Energieoptimiertes Bauen, Lichtplanung und simulationsbasierte Planungswerkzeuge sind die Forschungsschwerpunkte des Fachgebiets Konzepte und Performance-Analyse für energieeffiziente Gebäude sowie Komfort und Nutzerverhalten in Bürogebäuden. Herr Wagner leitet eine Gruppe von 10 bis 15 wissenschaftlichen Mitarbeitern und hat bislang über 45 Promotionen betreut. Er ist Autor von mehr als 150 Publikationen und wirkt als Mitglied in wissenschaftlichen Beiräten verschiedener internationaler Konferenzen mit. Prof. Wagner war von 2000 bis 2004 sowie von 2012 bis 2015 Dekan der Fakultät; weiterhin ist er Mitglied des Lenkungsausschusses und Sprecher für den Bereich 'Effiziente Energienutzung' im KIT Zentrum Energie.

Marcel Schweiker

Marcel Schweiker studierte Architektur an der Universität Kassel und der Universidad de Europea de Madrid in Spanien. Im Anschluss verbrachter er 4 Jahre an der Tokyo City University in Japan und promovierte dort im Bereich Umweltinformationswissenschaften. Seit 2010 ist er am Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Entwerfen und Bautechnik, Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau in Lehre und Forschung tätig. Im Jahr 2017 habilitierte er sich. Marcel Schweiker forscht seit seiner Promotion interdisziplinär im Bereich Nutzerverhalten und –zufriedenheit. Er war verantwortlicher Projektleiter für den Bau des Raumklimateststandes LOBSTER, und leitet je eine Arbeitsgruppe (sub-tasks) im Rahmen des IEA EBC Annex 69 und des IEA EBC Annex 79 der Internationalen Energieagentur (IEA).

Dr. Dirk John

Dirk John studierte Elektro- und Informationstechnik und promovierte in industrieller Informationstechnik am KIT. Nach der Promotion 2001 arbeitete er am ABB Forschungszentrum Deutschland in Ladenburg und beschäftigte sich mit Informations- und Kommunikationstechnologien vor allem n der Industrie-, später auch der Gebäudeautomatisierung. 2005 übernahm er eine Forschungsgruppe, die sich vor allem mit Themen beschäftigte, wie Informationen aus Feldgeräten effizient und effektiv nutzbar gemacht werden können. Von 2014 bis 2016 bekam er zudem die Leitung des globalen Forschungsprogramms für Gebäudeautomatisierung in der ABB Forschung. Im Rahmen dieses Programms wurde u.a. auch die Kooperation mit dem Kit gestartet. Seit 2017 ist Herr John als Globaler Produktmanager im ABB-Geschäftsbereich „Smart Buildings“ zuständig für Digitalisierung.

Bilder: Bernd Seeland / KIT