Vom Smart Building zum smarten Quartier

In der Entwicklung nachhaltiger Quartiere steht der Begriff „Smart City“ für einen Wandel, der weit über die Optimierung einzelner Gebäude hinausgeht. Der Fokus zukünftiger Quartiere liegt nicht mehr allein auf Energieeffizienz, Klimaneutralität und der isolierten Optimierung einzelner Gebäude oder Gewerke, sondern zunehmend auf der Steigerung von Lebensqualität, Resilienz und Versorgungssicherheit sowie auf der flexiblen Anpassungsfähigkeit im Zusammenspiel der Gebäude auf Quartiersebene.

Obwohl diese Zielbilder in Strategien und Konzepten bereits verankert sind, bleibt ihre Umsetzung im realen Quartiersbetrieb bislang hinter den technischen Möglichkeiten zurück. Ursache hierfür ist weniger ein Mangel an verfügbaren Technologien als vielmehr eine unzureichende Vernetzung der bestehenden Systeme: Gebäude, Energieinfrastrukturen, Mobilitätsangebote und weitere urbane Komponenten agieren vielfach isoliert, Daten verbleiben in proprietären Systemlandschaften. Für unterschiedliche Prozesse und Use Cases kommen häufig separate Einzellösungen zum Einsatz. Ein sektorübergreifendes Zusammenspiel sowie Optimierungspotenziale bleiben dadurch weitgehend aus.

Zwar sind einzelne Gewerke sowie ihre Systeme und Prozesse für sich betrachtet häufig gut optimiert, und auch einzelne Gebäude erreichen in isolierter Betrachtung hohe Effizienzwerte. Diese Form der gewerks- und gebäudeisolierten Optimierung stößt auf Quartiersebene jedoch an ihre Grenzen, da Wechselwirkungen zwischen Gebäuden, Infrastrukturen und Sektoren unberücksichtigt bleiben. Eine ganzheitliche Optimierung über Gebäude- und Gewerkgrenzen hinweg findet bislang nur unzureichend statt.

Um diese Potenziale zu heben, sind offene und standardisierte Schnittstellen sowie interoperable Datenmodelle eine zentrale Voraussetzung. Sie bilden die Grundlage für einen integrierten Quartiersbetrieb und ermöglichen einen systemübergreifenden, koordinierten Informationsaustausch zwischen Gebäuden.

Beitrag des Smart-Building-Reallabors der Hochschule Mainz

Vor diesem Hintergrund verfolgt die Hochschule Mainz im Rahmen ihrer anwendungsorientierten Forschung das Ziel, den Übergang vom Smart Building hin zu einem smarten und nachhaltigen Quartier praxisnah zu untersuchen und aktiv umzusetzen. Ausgangspunkt hierfür ist das Smart-Building-Reallabor, in dem reale Hochschulgebäude schrittweise von klassischen Bestandsgebäuden zu nachhaltig intelligenten, digital vernetzten Systemen weiterentwickelt werden. Die Hochschulgebäude werden damit selbst zu Reallaboren, in denen neue technologische Ansätze unter realen Betriebsbedingungen erprobt und validiert werden.

Zentrales Ziel ist es, die einzelnen Hochschulgebäude nicht isoliert zu optimieren oder Interoperabilität ausschließlich im Zusammenspiel einzelner Gewerke zu betrachten, sondern das Zusammenwirken der Gebäude im Sinne eines integrierten Quartiersbetriebs zu untersuchen. Erforscht wird, wie Gebäude mit unterschiedlichen Building-Management-Systemen (BMS) miteinander interagieren, Daten austauschen und gemeinsam, auch im Zusammenspiel mit übergeordneten Infrastrukturen, auf energetische, betriebliche und nutzungsbedingte Anforderungen reagieren können.

Auf diese Weise soll eine belastbare, interoperable Datengrundlage für operative Prozesse sowie für das hochschulweite Nachhaltigkeitsdashboard geschaffen werden. Die gewonnenen Realdaten der Hochschulgebäude werden dazu systematisch aufbereitet, um sie für Forschungszwecke und als Datengrundlage zukünftiger Abschlussarbeiten nutzbar zu machen.

Ein besonderer Fokus liegt auf Herstellerneutralität und Interoperabilität. Im Smart-Building-Reallabor wird eine offene Smart-Building-Plattform entwickelt, die Sensoren, Systeme und Technologien vom Start-up über den Mittelstand bis hin zum Großkonzern interoperabel miteinander verbindet. Damit werden neue Use Cases (Anwendungsfälle) erprobt, die insbesondere die technische Betriebsführung sowie das Facility- und Assetmanagement gebäude- und quartiersübergreifend unterstützen.

Praxisorientierte Use Cases im Smart-Building- und Quartierskontext

Die Use Cases werden im Reallabor unter Betriebsbedingungen umgesetzt, evaluiert und auf Skalierbarkeit sowie Übertragbarkeit auf Quartiers- und Smart-City-Ebene geprüft. Ein zentraler Use Case ist das gewerke- und gebäudeübergreifende Energiemanagement. Hierbei wird untersucht, wie Verbrauchs-, Erzeugungs- und Zustandsdaten mehrerer Gebäude zusammengeführt werden können, um Lastprofile transparent abzuleiten, Lastspitzen frühzeitig zu erkennen und Flexibilitätspotenziale auf Quartiersebene nutzbar zu machen. Gebäude sollen dabei nicht nur effizient betrieben, sondern als aktive Komponenten eines vernetzten Energiesystems eingebunden werden.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der datengetriebenen Instandhaltung. Durch die Vernetzung von Sensorik, Anlagenzuständen und Betriebsdaten werden Wartung, Inspektion, Instandsetzung und Prüfung optimiert. Im Fokus steht der Übergang von intervall- oder rein zustandsorientierten hin zu bedarfs- und risikoorientierten Instandhaltungsstrategien.

Ergänzend werden digitale Zwillinge von Assets und Gebäuden als Grundlage weiterer Anwendungen erprobt. Standardisierte Datenmodelle ermöglichen die virtuelle Abbildung von Anlagen, Räumen und Gebäuden, so dass Betriebsdaten für Simulationen, Szenarioanalysen und datenbasierte Entscheidungsunterstützung herangezogen werden können. Dadurch lassen sich betriebliche Entscheidungen gebäudeübergreifend und im Quartierskontext fundieren.

Konzept Smart Building-Reallabor der Hochschule Mainz Bild: Smart Building-Reallabor Hochschule Mainz

Technologische Grundsätze

Ein zentraler Baustein der Plattform ist der Einsatz der Asset Administration Shell (AAS) der Industrial Digital Twin Association (IDTA). Die AAS kann als standardisiertes Datenmodell bzw. „digitaler Steckbrief“ eines technischen Assets verstanden werden. Sie legt in einem einheitlichen Format fest, welche Informationen, Eigenschaften und Schnittstellen ein Asset beschreibt und wie diese Daten strukturiert ausgetauscht werden können. Mithilfe der AAS werden technische Assets innerhalb der Plattform standardisiert und als digitale Zwillinge abgebildet. Dadurch lassen sich Offenheit und Interoperabilität nicht nur konzeptionell, sondern unter realen Betriebsbedingungen praxisnah erproben.

Mit zunehmender Vernetzung steigen zugleich die Anforderungen an Cybersecurity deutlich. Vor diesem Hintergrund adressiert das Smart-Building-Reallabor hohe Anforderungen an IT/OT-Security als integraler Bestandteil der Plattformarchitektur. Zur Stärkung von Datensouveränität und Compliance setzt die Hochschule Mainz bei der Bereitstellung der IT-Infrastruktur ausschließlich auf in Deutschland ansässige Anbieter und Services. Dadurch lassen sich hohe Anforderungen an Datensicherheit und Datenhoheit erfüllen und zugleich geringe Latenzen im Betrieb gewährleisten.

Fazit und Ausblick

Ein smarter, nachhaltiger Quartiersbetrieb entsteht erst, wenn Gebäude über offene Schnittstellen und interoperable Datenmodelle herstellerneutral vernetzt werden und damit gewerke- sowie gebäudeübergreifende Use Cases möglich werden. Das Smart-Building-Reallabor der Hochschule Mainz zeigt praxisnah, wie Bestandsgebäude schrittweise digitalisiert und als interoperable digitale Zwillinge in einer Smart-Building-Plattform abgebildet werden. Zudem steht die Skalierung auf einen großen Gebäudebestand und Infrastrukturen sowie die Überführung in einen stabilen Quartiersbetrieb im Fokus, bei gleichzeitiger konsequenter Verankerung von IT/OT-Security, Datensouveränität und Compliance als Grundvoraussetzung für sichere, verlässliche und nachhaltige smarte Quartiere sowie perspektivisch für Smart-City-Anwendungen.