Seestadt Aspern

Smarte Gebäude für CO₂-neutrale Städte

Die Seestadt Aspern, ein neues Wiener Stadtviertel, dient als Testlabor für die digitalisierte und treibhausgasneutrale Stadt der Zukunft. 2016 wurde sie mit dem World Smart City Award ausgezeichnet. In der ersten Phase des Forschungsprojekts Aspern Smart City Research (ASCR) bis 2019 wurden u. a. Technologien für nachhaltige Energie- und Gebäudetechnik, Gebäudeautomation und die Digitalisierung der Infrastruktur getestet. Smarte Gebäude sollen mit Netzen und Nutzern kommunizieren und künftig am Energiemarkt teilnehmen.

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Smartes Wohnhaus mit Holzfassade, Ansicht von der ruhigen Wohnstraße Bild: Vogel AV
Smartes Wohnhaus mit Holzfassade, Ansicht von der ruhigen Wohnstraße Bild: Vogel AV

Bis 2050 soll Europa als erster Kontinent klimaneutral sein, so EU-Präsidentin Ursula von der Leyens Plan, der Mitte März Gesetz werden soll. Europas größter Energieverbraucher ist der Gebäudesektor. Darauf entfallen lt. EU-Factsheet vom Januar 2019 etwa 40 % des Energieverbrauchs und 36 % der CO2-Emissionen. Eine wichtige Rolle beim Ausstieg aus fossilen Energien im Bestand wie im Neubau bei gleichzeitig ungebrochenem Zuzug in die Städte spielt neben der Revolutionierung von Energiesystemen, Architektur und Gebäudetechnik die Digitalisierung sowohl des Bauwesens als auch des Gebäudemanagements. Am realen Objekt geforscht wird zu diesen Themen seit 2013 in der Seestadt Aspern im Wiener Nordosten, einem der größten Stadtentwicklungsgebiete Europas, in einem Land, das bereits bis 2040 klimaneutral sein will.

Nachhaltiges Neubauviertel in Wien

Laut Prognose der Stadt Wien wird die Wiener Bevölkerung in den nächsten 30 Jahren von 1,9 Mio. auf rd. 2,2 Mio. Menschen wachsen. Bis 2028 entsteht im 22. Gemeindebezirk ein nachhaltiger Stadtteil mit Wohnungen für mehr als 20.000 von ihnen; bis 2019 zogen bereits ca. 9.000 Menschen dorthin. Die Seestadt Aspern ist keine Schlafstadt auf der grünen Wiese, die im Nachhinein mit Infrastruktur umgeben wird. Die U-Bahn war vor den Häusern da und die Straßenbahn soll folgen. Parallel zu gemischten Wohnformen – Eigentum, Miete, Wohnheim – entstehen Bildungseinrichtungen, Unternehmens- und Forschungsstandorte. Die Zahl der Arbeitsplätze soll potenziell der der Anwohner gleichkommen. Statt Shoppingcenter gibt es Einzelhandel und Gastronomie in den Erdgeschossen der Wohnstraßen. Privater Autoverkehr wird begrenzt, dafür gibt es Rad- und Gehwege und seit Juni 2019 werden zwei autonom fahrende E-Shuttles getestet.

Smartes Reallabor für 100 % Erneuerbare

Das Forschungsprojekt Aspern Smart City Research (ASCR), angelegt auf zehn Jahre, wird u. a. aus Österreichs Klimaenergiefonds gefördert. Es wird in öffentlich-privater Partnerschaft durchgeführt von der Stadt Wien, den städtischen Versorgern Wien Energie und Wiener Netze, der Wirtschaftsagentur Wien, dem Projektentwickler Wien 3420 und Siemens Österreich. Erforscht werden u. a. die Integration von Energienetzen, die Schaffung virtueller Kraftwerke und einer Ladeinfrastruktur für Elektromobilität und die künftige Beschaffenheit effizienter Gebäude. Smarte Gebäude sollen nicht mehr Energie verbrauchen als sie selbst bereitstellen und mit smarten Netzen kommunizieren, die Energie verteilen. Smarte Apps sollen auch die Nutzung smart machen.

Forschung und Entwicklung an verschiedenen Gebäudearten

Während es den Wiener Netzbetreibern eher um die Netzentwicklung und die Reduzierung von Stromausfällen geht, untersucht Siemens als Teil des Forschungsverbunds u. a. nachhaltige Energie- und Gebäudetechnik, Gebäudeautomation und die Digitalisierung der Infrastruktur – all das am „lebenden Objekt“.

In der Projektphase 1, die von 2013 bis 2019 lief, stand etwa die Optimierung dreier neu errichteter Gebäude im Fokus. Ziel war die Reduzierung von klimaschädlichen Emissionen bei gleichzeitiger Senkung der Unterhaltskosten und Erhöhung des Nutzungskomforts. Der ÖPP-Vertrag mit der Stadt Wien umfasst Garantien zur Begrenzung des Gebäudeenergieverbrauchs. Für Gebäude als Energielieferanten ergaben sich außerdem Fragen hinsichtlich ihrer Beteiligung am Energiemarkt, ihrer Eignung als Energiespeicher sowie zum Netzmanagement bei der Integration von Großabnehmern wie Wärmepumpen.

Die Gebäude – ein Schulkomplex, ein Wohnhaus, das im sozialen Wohnungsbau errichtet wurde und ein Studentenwohnheim – liefern zum einen aufgrund ihrer Nutzungsart unterschiedliche Daten. Zum anderen unterscheidet sich ihre technische Ausrüstung in einigen Punkten.

Auf allen drei Gebäudedächern sind Photovoltaik-Paneele installiert, auf Schule und Wohnhaus Solarthermie. Letzteres verfügt außerdem über eine PV/Solarthermie-Hybridanlage. Zur Basisausrüstung gehören außerdem Fußbodenheizung und Wohnungsstationen.

Das Studentenwohnheim bezieht Wärme für die Heizung und Heißwasserbereitung aus dem Wiener Fernwärmenetz. Die Schule wird über zwei Grundwasserwärmepumpen versorgt und das Wohngebäude mit vier Grundwasser-, zwei Sole/Wasser- und einer Luft/Luft-Wärmepumpe, die die Abwärme aus der Tiefgarage nutzt – Heißwasserspeicher jeweils inklusive. Für das Wohnhaus wird zudem Wärme im Untergrund gespeichert. Die Wohneinheiten haben eigene Wärmezähler, aber das Gebäude ist trotz lokaler Wärmeerzeugung pro forma mit einem Fernwärmezähler versehen, über den die Verbrauchsabrechnung zum Preis der Fernwärme erfolgt.

Die Gebäude verfügen über Smartmeter und Gebäude-Energie-Managementsysteme, die alle Komponenten der Gebäudetechnik vernetzen. Zur Einrichtung eines smarten Stromnetzes werden diverse Gebäudeautomationsdaten gesammelt und mit aktuellen Wetterdaten und -prognosen verknüpft. Auf der Grundlage dieser Daten können die Systeme über den Recherchezeitraum hinweg optimiert werden.

Zu den Smart Building Technologien, die Siemens fortlaufend weiterentwickelt, gehören Software und Algorithmen sowie Hardware in Form von Smartmetern, IoT-, Sensor- und Netzüberwachungstechnik, außerdem diverse Apps für den Nutzerdialog. Ein Eco-Button erlaubt den Mietern des Wohnhauses das Ein- und Ausschalten von Küchen-Kleingeräten und WLAN; Flächenheizung und Lüftung können per Smartphone oder lokalem Schalter bedient werden. Die selbstoptimierende Gebäudeleittechnik soll Netzbetreibern auf Basis von Livedaten und Wettervorhersagen verlässliche Verbrauchsprognosen für die nächsten 24Stunden liefern.

Im Reallabor wurden und werden Fragen zur Netzintegration von High Capacity E-Ladestationen untersucht, die in allen drei Gebäuden untergebracht sind. Die Stromladepunkte oder auch -riegel sollen in der Lage sein, die E-Flotte effektiv zu laden und Netzspitzen abzufangen.

Neben dem Energiemanagement smarter Gebäude wird an lokalen Niederspannungsnetzen (Microgrids) zur Energieverteilung von den Transformatoren bis zu den einzelnen Gebäuden und Wohnungen und zur Verwaltung und Nutzung der Riesenmengen erfasster Daten geforscht. Dabei sind laut Gerd Pollhammer, Leiter Siemens Infrastructure Österreich und Zentral- und Osteuropa, nicht private Nutzungsdaten, sondern vielmehr die Summe der Verhaltensweisen aller Nutzer interessant. Zudem lieferten Parkhausetagen und Bürogebäude ohnehin mehr Daten als Wohngebäude, so Pollhammer. Der Wiener Netzbetreiber erhalte aus Datenschutzgründen lediglich begrenzte statistische Daten von den Smartmetern der Nutzer.

Ergebnisse der Phase 1

In der ersten Forschungsphase bis 2019 wurden 70 Fragen beantwortet, 15 Prototypen im Bereich smarter Gebäude und Netzinfrastruktur entwickelt und 11 Patente zu technologischen Innovationen eingereicht.

Im Hinblick auf die Klimaeffizienz ergaben sich nach Angaben von Siemens bis April 2019 etwa durch die Nutzung von Abwärme im Schulkomplex Energiekosteneinsparungen von 10.000 €/a. Der Energiemix vor Ort rechne sich in Kombination mit Niedertemperaturheizung, sagt Georg Pammer, bei Siemens Infrastructure Managing Director ASCR. Die lokale Wärmeerzeugung des Wohnhauses vermeide 70 bis 80 % der CO2-Emissionen, die eine konventionelle Gaszentralheizung mit Warmwasserbereitung verursacht hätte. Im Vergleich mit Fernwärme, deren Anbieter bereits selbst einen Teil erneuerbarer Energien nutzt, habe die Ersparnis noch immer 20 % und mehr betragen. Die Nutzer von Apps zur Steuerung von Haushaltsgeräten, WLAN und Heizung verbrauchten im Durchschnitt etwa 10 % weniger Energie als Kontrollgruppen. „Die Wahrnehmung zur Energienutzung hat sich auf jeden Fall geändert“, sagt Peter Papik, der 2015 eine 50-m²-Wohnung im Haus bezog. Energie und Geld spare er aber kaum, vielleicht 1 bis 2 % im Vergleich zu vorher. Hingezogen sei er des Komforts und der Nähe zum See wegen. Sein Auto nutze er weiter, auch wenn er damit nur auf Umwegen ins Viertel kommt, denn die Hauptstraße sei dem Bus vorbehalten.

Parallel arbeitet Siemens an der Weiterentwicklung digitaler Zwillinge, die die Gebäudeeffizienz über den gesamten Lebenszyklus optimieren helfen. Der Schulkomplex mit 14.000 m² wurde in der ersten Projektphase per 3D-Scan komplett als IFC-3D-Modell digitalisiert, das Wohnhaus und das Studentenwohnheim mit insgesamt 42.000 m² sollen folgen. Die Automationssysteme der drei Gebäude liefern heute mit über 5.600 Data Points rd. 260 MB Daten/Tag (95 GB/Jahr). Zudem unterstütze die Digitalisierung das Auffinden fehlerhafter Geräte und Anlagen, so Pammer.

Ausblick ASCR Phase 2

Die zweite Programmphase, die bis 2023 läuft, dient weiterer Recherche der intelligenten Vernetzung von Gebäuden und Energienetzen und ihrer Teilnahme am Energiemarkt. Erforscht werden sollen z. B. die Wärmegewinnung aus der Müllverbrennung sowie Lösungen zur Raumkühlung, die bei fortschreitendem Klimawandel eine wachsende Rolle spielen wird. So wird auch die Kühlung per Fußbodenheizung getestet, um künftig den Betrieb ineffizienter privater Klimaanlagen zu vermeiden. Ein Technologiezentrum und ein Multifunktionsgebäude ergänzen künftig das Spektrum der Living Labs, an denen Siemens Anwendungfälle testet, effizientes digitales Bauen und Sensortechnik erprobt, Lifecycledaten erfasst und vorausschauendes Facility Management entwickelt.

Besser mit digitalem Gebäudezwilling

 

 

Der digitale Zwilling eines Gebäudes ist eine virtuelle Reproduktion der physischen Struktur eines realen oder geplanten Objekts. Der Gebäudezwilling ermöglicht einen übergreifenden Datenaustausch. Er besteht aus Modellen des Gebäudes und bietet die Möglichkeiten, alle zu erwartenden Ereignisse zu simulieren und mit unterschiedlichen Parametern zu erforschen, d. h. bereits vor dem Bau dient er als Prototyp für Tests.

Real-Time-Gebäudevisualisierung

Für den Bau des digitalen Zwillings werden Daten aus dem Building Information Modeling (BIM) genutzt. Der digitale Zwilling verknüpft diese mit den Sensordaten des Internet of Things (IoT). Er kombiniert also räumliche, d. h. statische Daten wie Gebäudepläne und Möbelstandorte mit zeitlich variablen, d. h. dynamischen Daten zu Raumnutzungen, individuellem Nutzerverhalten und Präferenzen sowie externen Einflüssen wie Wetter, Tageslichteinfall und mehr. Der Gebäudezwilling bietet als maschinenlesbares und dynamisches Modell weit bessere Möglichkeiten als ein CAD-Modell. Substanzveränderungen und Aktivitäten im Gebäude lassen sich in Echtzeit abbilden und nachverfolgen. Neben dem Datenaustausch zwischen Investoren, Planern und Facility Management ermöglicht er etwa die Simulation von Evakuierungsszenarien in Notfällen wie z. B. bei Brand. Mit digitalen Produkt-Zwillingen lassen sich etwa Rauchklappen optimieren, mit digitalen Performance-Zwillingen lässt sich der Gebäudeunterhalt simulieren und optimieren.

Statische und dynamische Daten

Der digitale Zwilling ist Kernaspekt der Siemensforschung und der Gebäudeoptimierung. Siemens vergleicht digitale Gebäudezwillinge mit Googles maschinenlesbarem Erdmodell. Wie dieses ermöglichen sie Ansichten in 2D, 3D und als Walk-through. Um seiner Funktion zu entsprechen, muss der Zwilling ständig auf aktuellem Stand gehalten werden. Das reale Gebäude und sein digitaler Zwilling befinden sich über den Gesamtlebenszyklus des Gebäudes hinweg in Kommunikation.

In der Planungs- und Bauphase, aber auch bei späteren Umbauten sowie beim Gebäudeunterhalt (80 % der Gebäudekosten über den Lebenszyklus entstehen nicht beim Bau) ist ein fortlaufender Abgleich von Planung und Realität sowie die Erfassung in qualitativ hochwertigen Dokumentationen notwendig, auf die alle Partner zugreifen können. Für das Forschungsprojekt Aspern können per Building Twin Platform App alle Aktualisierungen in der Cloud vorgenommen werden. Zudem nahm Siemens während der Bauphasen zahlreiche 3D-Scans vor und verglich die Daten der dabei generierten High-Quality-Modelle mit den As-Built-Data der Bauvertragspartner. Dabei wurden z. T. signifikante Unterschiede festgestellt und korrigiert.

Der digitale Zwilling benötigt außerdem konstanteLivedatenströme, um Nutzungen modellieren zu können. Die Echtzeitdaten werden von IoT-Sensoren und Detektoren erfasst. Sensoren erfassen etwa per Infrarot, wie viele Menschen sich in einem Raum aufhalten oder auch die Anzahl und Nutzung von Mobiltelefonen. Zählfühler, Videokameras, Temperaturfühler oder auch ein Sensorboden zeigen, wie und wie lange Räume genutzt werden. Aus den Daten von CO2-Sensoren kann auf die Anzahl von Personen in einem Raum geschlossen und die Lüftung daraufhin kalibriert werden.

Dipl.-Ing. Silke Schilling

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Artikel Smarte Gebäude für CO₂-neutrale Städte
Seite 12 bis 15
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