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Die privaten Haushalte verbrauchten 2007 durch ihr Konsumverhalten knapp 1/3 (2202 PJ) der zur Verfügung stehenden Endenergie (Primärenergie abzüglich Verlust).^[1] Dieser Energieverbrauch war und ist abhängig von sozialen, ökonomischen und geographischen Faktoren wie z. B. der Anzahl der Haushaltsmitglieder, der Zusammensetzung der Konsumausgaben und der geographischen Position des Haushalts, sowie der daraus resultierenden Abhängigkeit vom Wetter. Ein großer Teil der konsumierten Energie entfällt auf die Raumwärme und die Erwärmung von Wasser. Elektronische Geräte stellen die drittgrößte Verbrauchergruppe dar. Sie arbeiten zwar zunehmend energieeffizienter und sparen somit im Vergleich zu älteren Geräten einen Teil der Energie bei gleicher Funktionalität ein, sind jedoch immer häufiger durch die zunehmende Ausstattung der Haushalte anzutreffen. So stieg ihr Energieverbrauch absolut betrachtet kontinuierlich im Zeitraum von 1993 bis 2003 an.^[2]

Dieser Trend wird sich heutigen Schätzungen zufolge fortsetzen, so dass im Hinblick auf den Klimawandel und die steigenden Energiekosten gegenwärtig weitere Möglichkeiten erforscht werden, Energie einzusparen. Eine Möglichkeit der Energieeinsparung besteht in der Kopplung der verschiedenen elektronischen Gräte in einem Haushalt, um diese selbstständig unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Informationen der anderen vernetzten elektronischen Geräte Entscheidungen über ihren Energiekonsum treffen zu lassen, ohne dabei die Mitglieder des Haushalts zu beeinflussen. Die so vernetzten Haushalte bzw. Häuser werden als Smart Homes (clevere/intelligente Häuser) bezeichnet. Erste Entwicklungen diesbezüglich gab es bereits in den 1990er Jahren. Damals verfolgte man allerdings noch primär das Ziel, dass Leben der Bewohner angenehmer zu gestalten, in dem diese von einfachen, sich wiederholenden Tätigkeiten befreit wurden und die im Haus vorhandene Technik diese übernahm.

Heutzutage sollen Smart Homes nicht nur die Wohn- und Lebensqualität erhöhen, sondern auch Energieeinsparpotenziale nutzen und so helfen, die Energiekosten eines Haushalts zu reduzieren. Daher werden die elektronischen Geräte heute möglichst energieeffizient betrieben und sollen in Zukunft zur Senkung des Energiebedarfs miteinander vernetzt werden, worauf im Folgenden näher eingegangen wird.

In diesem Abschnitt werden die elektronischen Geräte in 4 Generationen eingeteilt. So wird der unterschiedliche Vernetzungsgrad bestehender und zukünftiger Systeme aufgezeigt:

• Generation null umfasst Geräte, welche keinerlei Vernetzung beherrschen und nur auf ihre Primäraufgabe hin optimiert sind.
• Die erste Generation umfasst Geräte, die ferngesteuert und überwacht werden können. Sie können über eine spezielle Verbindungsinfrastruktur angesprochen und zentral verwaltet werden, arbeiten jedoch strikt von anderen elektronischen Geräten anderer Bereiche (Domänen) getrennt, z. B. Rollladensteuerung, Heizungssteuerung oder Wäschepflege. Ein Integrationsproblem mit weiteren Geräten stellen hier die proprietären Lösungen dar, da kein ganzheitlicher Ansatz bei der Entwicklung durch die Hersteller verfolgt wird und so eine Kommunikation der Geräte über Herstellergrenzen hinweg von vorn herein nicht möglich ist. Diese Geräte sind bereits am Markt verfügbar, doch hindern neben den primären Anschaffungskosten der Geräte auch Kosten für evtl. Umbauten an Gebäuden (Einbau von Kommunikationsinfrastruktur) die rasche Einführung. Die Herstellerabhängigkeit begrenzt zudem die Ausbaufähigkeit des Systems für die gesamte Nutzungsdauer.
• Den aktuellen Stand der Technik stellen Geräte der zweiten Generation dar. Sie weisen eine gewisse Domänenkonnektivität auf und sind mit einer zentralen Einheit verbunden. Als Anwendungsbereich sei exemplarisch der Heizungsbereich genannt, in dem sich automatische Thermostatventile für Heizkörper umgebungstemperaturabhängig selbst regulieren oder in einem Gesamtheizungssystem ferngesteuert werden können. Die Integrationsgrenzen liegen auch hier in dem spezifischen Kommunikationsprotokoll, was verhindert, dass ein beliebiges Eingabegerät für eine beliebige Aktion verwendet werden kann. Durch die Nutzung eines Eingabegerätes können verschiedene Funktionen zentral gesteuert werden, was die Komplexität des Gesamtsystems jedoch stark erhöht und somit fehleranfälliger macht.
• Geräte der dritten Generation orientieren sich verstärkt an der Kombination der verschiedenen Herstellerlösungen, um so Insellösungen zu beseitigen. Sie sind allerdings noch nicht am Markt verfügbar.^[3]

Im Rahmen dieser Fallstudie werden Konzepte zur Realisierung des Energieeinsparpotenzials durch den Einsatz vernetzter Haustechnik aufgezeigt. Dabei erfolgt eine Analyse des Energiebedarfs anhand eines durchschnittlichen Haushaltes. Im Anschluss werden autonome und benutzerabhängige Konzepte zur Energieeinsparung vorgestellt. Im Detail werden dort die verschiedenen Komponenten der Vernetzung betrachtet und deren Nutzen erläutert. In einem Schritt werden auch die eventuellen Einsparpotenziale aufgezeigt. Außerdem wird nicht nur die Technik an sich betrachtet, sondern auch die Interaktion mit dem Benutzer erläutert. Anschließend erfolgt eine allgemeine Bewertung dieser Konzepte. Abschließend gibt das Fazit einen zusammenfassenden Überblick über die zu realisierenden Energieeinsparpotenziale durch den Einsatz vernetzter Haustechnik und einen kleinen Ausblick auf die zukünftige Entwicklung.

Ziel des Dokumentes ist das Aufzeigen von Energieeinsparmöglichkeiten durch den Einsatz vernetzter Geräte, die untereinander kommunizieren können und sich selbst durch die ausgetauschten Informationen oder durch eine zentrale Steuerungseinheit in einen energiesparenden Betriebszustand versetzten. Folgend werden Automatismen in der Heizkontrolle, der situationsbedingten Steuerung der Beleuchtung, sowie intelligente Geräte zur Energieeinsparung im Bereich der Elektrizität vorgestellt. Das Dokument erläutert zudem notwendige Änderungen an Gebäuden bzw. an der Energiedistribution. So wird zum Beispiel der Einsatz von Blockheizkraftwerken und Kraft-Wärmekopplung diskutiert, um die Einsparpotenziale nutzbar machen zu können.

Das folgende Kapitel beschäftigt sich mit den Grundlagen des Begriffes "Smart Home" und definiert die Begriffe "Smart Home" sowie "intelligente Geräte". Des Weiteren wird die Abgrenzung zu einem Passivhaus verdeutlicht.

Der Begriff "Smart Home" bzw. "Intelligente Häuser" wurde in den 1990er Jahren geprägt, nachdem bei einfachen Wohnhäusern durch den Einsatz von Elektronik bestimmte Aufgaben automatisiert abgearbeitet wurden. Damals stand der Wohnkomfort im Vordergrund der Innovationen. Um die Häuser aber wirklich intelligent (kommunikativ bzw. sich selbst steuernd) zu gestalten, begann daraufhin die Vernetzung der verschiedenen Geräte im Haushalt. Um dies zu Realisieren, wurde der KNX-Kommunikationsstandard geschaffen, der aus den Standards EIB, BatiBUS und EHS hervorging. Dieser Standard trennt die Steuerfunktionen und die Energieverteilung elektronischer Installationen voneinander. Alle Geräte sind über einen Bus miteinander verbunden und können Daten miteinander austauschen.^[4] Heutzutage ist ein Smart Home ein Haus, in dem Technologie eine allgegenwärtige Rolle spielt. Sie erstreckt sich über sechs Anwendungsfelder und vernetzt intelligente Geräte, die über ein internes Netzwerk (z.B. Bus) miteinander kommunizieren und Informationen austauschen, wodurch sie sich gegenseitig beeinflussen können. Bereich eins umfasst den Komfort, der durch den Einsatz der Technologie gesteigert werden soll. Darunter fällt zum Beispiel die Fernsteuerung von Haushaltsgeräten oder das automatische Herauf- und Herunterfahren von Rollläden. Bereich zwei umfasst die Sicherheit und beinhaltet Geräte zum Überwachen des Hauses und Informieren des Eigentümers bei bestimmten Vorfällen. Bereich drei deckt die Kommunikation ab und stellt moderne Dienste wie zum Beispiel E-Mail oder Instant Messaging bereit. Der Gesundheitssektor ist in Bereich vier angesiedelt und beinhaltet Funktionen wie Fernüberwachung von Patienten oder Unterstützung im Falle von Therapien. Im Bereich fünf befindet sich das Infotainment, welches beispielsweise mittels Video-on-Demand und interaktiven Programmen den passiven Konsum von Informationen und Unterhaltung ersetzten möchte. Der sechste Bereich dient der Verbrauchserfassung und -optimierung und stellt Möglichkeiten zur Analyse und Optimierung des Verbrauchs knapper Ressourcen bereit. Dieser Bereich steht im weiteren Verlauf des Dokumentes verstärkt im Vordergrund.^[5]

Als "intelligente Geräte" werden im Haushalt Geräte bezeichnet, die durch Elektronik befähigt werden, ihre Kernaufgaben in Abhängigkeit von Entscheidungen auszuführen. Die Entscheidungen werden anhand vorher konfigurierter Regeln unter Berücksichtigung externer Informationen getroffen. Diese Informationen können vom Benutzer eingegeben oder mittels Kommunikationsschnittstellen von anderen intelligenten Geräten bezogen werden. Durch die Kombination von speziell für diesen Zweck entwickelter Software und dem KNX-Standard ist es möglich, den Nutzen der Elektronik eines konventionellen Gerätes zu übersteigen, da sich die Geräte entsprechend der Vorgaben von außen selbstständig steuern können. Dies ermöglicht es, dass sich die Geräte gegenseitig beeinflussen und sich den Vorgaben des Benutzers entsprechend im Verbund optimal verhalten.^[6] Heutzutage ist es durch intelligente Geräte möglich, beispielsweise Rollläden automatisiert zu bestimmten Tageszeiten oder Außentemperaturen runter- oder hochfahren zu lassen. Die Konfiguration und Fernsteuerung der Geräte im Haus erfolgt über sogenannte "Control Panels" (zu Deutsch: Bedieneinheiten). Die Software mit der sie betrieben werden zählt zur Kategorie "Middleware“. Diese bietet die Schnittstelle zum Internet und ermöglicht das Überwachen, Verwalten und Bedienen der Geräte sowohl zu Hause, als auch über das Internet. Ein Beispiel für diese Software ist die unter dem Namen "Jini" bekannte Java-Erweiterung, die es Geräten im Verbund ermöglicht, selbst zu beschreiben wie untereinander kommuniziert werden soll.^[7]

Ein "Passivhaus" ist ein Haus, welches durch bauliche Maßnahmen eine gute Wärmedämmung aufweist und so den Energiebedarf für Raumwärme nahezu auf Null reduziert. In einem Passivhaus wird die Wärme im Gebäude gehalten, was durch eine spezielle Dämmung in den Wänden und eine Ausrichtung des Hauses nach Süden hin realisiert wird, so dass Heizkörper nicht mehr oder nur in geringem Umfang benötigt werden. Auch sensible Stellen wie Fenster und Türen werden durch Dreifachverglasung und Extrabeschichtungen gedämmt. Um die Energiekosten niedrig zu halten und eine hohe Luftqualität sicherzustellen, ist eine kontrollierte Wohnungslüftung vorhanden.

Grundsätzlich schließen sich die Begriffe Passivhaus und Smart Home nicht gegenseitig aus. Jedoch liegt der Fokus je nach verwendetem Begriff in einem anderen Bereich. Bei einem Passivhaus stehen der möglichst niedrige Primärenergieverbrauch und der möglichst niedrige Wärmeenergieverlust durch passive Techniken im Vordergrund.

Der Begriff Smart Home zielt hingegen auf die Nutzung aktiver Komponenten ab. Wird in einem Passivhaus durch den Einsatz von Vernetzung ein Zusatznutzen realisiert, so kann man auch dort von einem Smart Home sprechen. Umgekehrt können auch bei einem Smart Home Techniken des Passivhaus-Baus verwendet werden, um energetische Optimierungen durchzuführen.^[8]

Der Energiebedarf eines Haushaltes spiegelt sich im Energiebedarf für das Wohnen wieder. Dieser umfasst den Energiebedarf für die Raumwärme, Warmwasser, sonstige Prozesswärme, mechanische Energie und die Beleuchtung. Die nachstehende Grafik verdeutlicht den Energieverbrauch der einzelnen Bereiche für das Jahr 2006. Deutlich zu sehen ist der starke Energieverbrauch im Bereich Raumwärme, der knapp drei Viertel der Gesamtenergie der privaten Haushalte in Anspruch nimmt. Der Bereich Warmwasser, der den zweitgrößten Bereich bildet, benötigt rund 11,9% der gesamten Energie. Die Bereiche mechanische Energie, der Unterhaltungs-, Informations- und Kommunikationsgeräte umfasst, und sonstige Prozesswärme, der Komponenten zum Kochen und Waschen beinhaltet, verbrauchen 7,9% bzw. 4,6% der Gesamtenergie. Der Bereich Beleuchtung macht nur einen Teil von 1,5% am Gesamtenergieverbrauch der privaten Haushalte aus.

Die Energiepreise stiegen im Zeitraum 1995 bis 2007 um knapp 67%, was insbesondere auf die Preise für Haushaltsenergie niederschlug, die allein in den Jahren 2000 bis 2007 insgesamt um 47,9% stiegen. Als starke Preistreiber sind hier vor allem Gas mit 62,2% und Fernwärme mit 63,5% Verteuerung zu nennen. Somit stiegen die Ausgaben der Haushalte für Energie absolut betrachtet von 86 (1995) auf 130 (2007) Euro, was einem Anteil an den Konsumausgaben von 3,7% auf 4,7% entspricht.

Während der temperaturbereinigte Energieverbrauch für das Wohnen im Zeitraum von 1995 bis 2000 noch um 7,8% anstieg, verringerte er sich in den Jahren 2000 bis 2006 um 6,6%, was besonders auf den Rückgang des Energieverbrauchs in der Raumwärme von 11,2% zurückzuführen ist. Dieser Rückgang fußt vor allem auf Verhaltensänderungen durch die gestiegenen Energiepreise und dem technischen Fortschritt. Im Energieverbrauch gestiegen sind allerdings die Bereiche "mechanische Energie" und "sonstige Prozesswärme", was durch eine steigende Ausstattung der Haushalte mit neuen elektronischen Geräten oder Zweitgeräten (Kaffeeautomat, Kühlschrank, Mikrowelle, Wäschetrockner, Fernseher, PC, etc.) begründet ist. Nahezu konstant geblieben im Verbrauch ist über diesen Zeitraum hinweg nur der Bereich Beleuchtung.

Die Verbrauchsentwicklung bei Energieträgern stellt sich unterschiedlich dar. Der Bedarf an Kohle, Fernwärme und Mineralöl ist temperaturbereinigt im Vergleich der Jahre 1995 und 2006 rückläufig, die Nachfrage nach Strom hingegen, zurückzuführen auf die steigende Ausstattung der Haushalte mit elektronischen Geräten, steigend.^[9]

Die Raumwärme machte im Jahr 2006 mit 74% den größten Anteil am Endenergieverbrauch der privaten Haushalte aus. Der Energieverbrauch im Bereich Raumwärme unterliegt witterungsbedingten Schwankungen, die mittels Temperaturbereinigung rechnerisch geglättet werden können. Im Zeitraum 1995 bis 2006 ging dieser Verbrauch um 14,4% zurück, was zum einen auf Verbesserungen an Gebäuden (Isolation, Dämmung, etc.) und der Heizungstechnik zurückzuführen ist und zum anderen das veränderte Nutzerverhalten (Einsparung durch Absenkung der Raumtemperatur) widerspiegelt, da die Energiekosten im gleichen Zeitraum stark anstiegen. Im Zeitraum 2000 bis 2006 konnte der Energiebedarf pro Quadratmeter Wohnfläche somit um 16% reduziert werden. Der Energieverbrauch ging demnach seit 2000 um 11,2% zurück. Die tatsächlichen Einsparungen wurden allerdings durch den Trend gebremst, zu kleineren Haushalten (1 bis 2 Personenhaushalte) mit zunehmender Gesamtwohnfläche zu tendieren. Diese haben in den Jahren 1995 bis 2006 um 13,8% zugenommen. Zudem ist die Anzahl an Haushalten insgesamt im gleichen Zeitraum um 6,4% gestiegen, was aus der Zunahme an kleineren Haushalten resultiert, wohingegen die Anzahl an größeren Haushalten gesunken ist. Dies führt dazu, dass die Wohnfläche pro Kopf in kleineren Haushalten durchschnittlich größer als in größeren Haushalten ist, was den Pro-Kopf-Energieverbrauch in Einpersonenhaushalten für Raumwärme auf 60% über den Durchschnittswert hebt. Durch diesen Trend zu kleineren Haushalten ist ein steigender Bedarf an Heizenergie begründet.^[10]

Die Analyse des Energiebedarfs eines durchschnittlichen Haushalts (siehe Abb. 1) zeigt, dass die Aufbereitung von Warmwasser nach der Raumwärme mit 11,9% den zweitgrößten Anteil an der Endenergie erfordert. Im Jahr 2007 gab es deutschlandweit 6,1 Mio. Ölfeuerungsanlagen und 8,1 Mio. Gasfeuerungsanlagen. Während der Überprüfung dieser Anlagen wurde festgestellt, dass 20,3% der Ölfeuerungsanlagen und 9,6% der Gasfeuerungsanlagen älter als 24 Jahre sind. Diese müssten zur Steigerung der Energieeffizienz auf Grund der erheblichen Weiterentwicklung der Anlagen in den letzten Jahren durch modernere ausgetauscht werden, um Einsparpotenziale nutzen zu können.^[11]

Warmwasser wird in der Küche zum Zubereiten von Speisen und zum Spülen verwendet. Im Badezimmer wird es beim Baden, Duschen und am Waschbecken verbraucht. Im Folgenden werden Systeme vorgestellt, die zur Wassererwärmung verwendet werden können:^[12]

Durchlauferhitzer
Ein Durchlauferhitzer ist ein Röhrensystem, welches das Erhitzen des Wassers in wenigen Sekunden direkt vor Ort ermöglicht. Er kann elektrisch oder auch mit Gas betrieben werden. Zur Warmwassererzeugung werden sowohl das Röhrensystem als auch das durchlaufende Wasser erhitzt. Vorteil des Durchlauferhitzers ist z.B. der kurze Leitungsweg, bei dem direkt warmes Wasser aus dem Wasserhahn fließt. Ein Nachteil des Durchlauferhitzers ist z.B., dass sie nur unter erhöhtem Aufwand nachinstalliert werden können und somit schon bei der Planung des Bades berücksichtigt werden müssen.^[13]

Zentraler Warmwasserspeicher
Ein zentraler Warmwasserspeicher speichert eine bestimmte Menge erhitztes Wasser. Dieses Wasser steht dann den angeschlossenen Teilnehmern zur Verfügung. Ist der Warmwasserspeicher aufgebraucht, steht bis zum erneuten Befüllen und Heizen kein Warmwasser mehr zur Verfügung. Diese Art der Warmwasserspeicherung wird teilweise mit einer Zirkulationsleitung verknüpft. Diese stellt sicher, dass sich immer warmes Wasser im Kreislauf befindet und dieses an jeder Entnahmestelle sofort entnommen werden kann. Allerdings ist diese Methode sehr energieineffizient, wenn die Leitungsrohre nicht gut isoliert sind, da es dann zu einer hohen Wärmeabstrahlung und folglich zu hohen Energieverlusten kommen kann.^[14]

Dezentraler Warmwasserspeicher

Bei der dezentralen Warmwasserspeicherung wird ein Heizkessel zusammen mit mehreren Boilern verwendet. Diese Art der Warmwasserspeicherung eignet sich meistens nur bei Mehrfamilienhäusern. Dabei wird Warmwasser aus dem Heizkessel in die Speicher der einzelnen Räume transportiert und dann in einem Boiler noch mal extra erhitzt. Der Schwachpunkt dieser Methode ist allerdings die Dämmung der kleineren Speicher, die gegenüber einem großen Speicher oftmals schlechter isoliert und es so schneller zum Abkühlen des zwischengespeicherten Wassers kommt.^[15][14]

Die Kategorie sonstige Prozesswärme, die oftmals auch als "weiße Ware" bezeichnet wird, beinhaltet Elektrohaushaltsgeräte wie z.B. Waschmaschinen, Geschirrspüler, Gefrier-Kühl-Kombinationen und Elektrobacköfen. Ihr Energiekonsum ist laut Daten der UGR in den Jahren 1995 bis 2004 um 17% gestiegen und machte 2006 einen Anteil von 4,6% des Endenergieverbrauchs der privaten Haushalte aus. Um die durch die EU vorgegebenen Energiesparziele zu erreichen, hatte sie 1992 die "Richtlinie 92/75/EWG über die Angabe des Verbrauchs an Energie und anderer Ressourcen durch die Haushaltsgeräte mittels einheitlicher Etiketten und Produktinformationen" erlassen. Sie gilt für Kühl- und Gefriergeräte und entsprechende Kombinationsgeräte, Geschirrspüler, Backöfen, Warmwasserbereiter, Lichtquellen und Klimageräte. Gekennzeichnet werden diese Produkte mit einem einheitlichen Label, welches energie- und umweltrelevante Informationen der unterschiedlichen Produktgruppen aufzeigt. Die Maße und die dargestellten Informationen sind von der EU vorgeschrieben. Neben den Informationen zum Energieverbrauch, gibt das EU Label auch Auskunft über die primären Leistungen der Geräte wie z.B. die Trockenwirkung bei Wäschetrocknern oder die Waschleistung und Geräuschentwicklung bei Waschmaschinen. Zusätzlich dient das Label so den Verbrauchern als Beurteilungsgrundlage eines Produktes, da es in der Regel durch unabhängige Institute wie dem VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut verteilt wird, die einen höheren Stellenwert bei Handelshäusern und Behörden als die herstellereigenen Prüfstellen haben.^[16][17]

Geräte der Kategorie mechanische Energie verbrauchen rund 7,9% des Energiebedarfs eines privaten Haushalts. Zu ihnen gehören Fernseher, Computer, HiFi-Anlagen und weitere Geräte des Unterhaltungs-, Informations- und Kommunikationsbereichs. Um zu erkennen, wie viel Energie ein Gerät sowohl im primären Betrieb als auch im Stand-By-Betrieb verbraucht, helfen neben dem Blick in die technische Spezifikation bzw. das Handbuch des Herstellers auch Kennzeichen verschiedener Organisationen, die diese an Hersteller bzw. Geräte vergeben, die energieeffizient arbeiten. Zu den bekanntesten zählen die folgenden:^[18]

Abb. 3: Blauer Engel	Blauer Engel - Zeichnet Produkte und Dienstleistungen aus, die in ihrer ganzheitlichen Betrachtung (Herstellung und Betrieb) besonders umweltfreundlich sind.[19]		Abb. 4: Energy Star	Energy Star - Zeichnet Produkte aus, die einen besonders niedrigen Energieverbrauch aufweisen.[20]
Abb. 5: GEEA	GEEA-Energielabel - Zeichnete Produkte aus, die einen besonders niedrigen Stand-By-Energieverbrauch aufweisen. Die Aktivitäten dieser Organisation wurden eingestellt.[21]		Abb. 6: TCO	TCO - Zeichnet Produkte aus, die sich durch einen niedrigen Energieverbrauch und umweltfreundlicher Herstellung und Wiederverwendbarkeit hervorheben.[22]

Neben der Beleuchtung durch Tageslicht gibt es verschiedene Lichtquellen, die unterschiedliche Techniken zur Lichterzeugung verwenden und dadurch einen unterschiedlich hohen Energiebedarf verursachen. Diese werden im Folgenden erläutert:

Glühbirnen dürfen durch ein von der EU verabschiedetes Gesetz ab 2012 nicht mehr verkauft werden.^[23] Dies wird mit der Ineffizienz bei der Lichterzeugung begründet. Glühbirnen erzeugen das Licht per Temperaturstrahlung, indem elektrischer Strom durch einen Wolframdraht fließt und ihn so bei Temperaturen um 2500°C zum Glühen bringt. Durch die hohen Temperaturen gehen ca. 95% der zugeführten Energie als Wärme verloren und nur 5% werden tatsächlich als Licht wiedergegeben. Das Glühen verleiht dem emittierten Licht aber einen hohen Rotanteil, so dass angeleuchtete Farben sehr naturgetreu wiedergegeben werden und die Bewohner das Licht als angenehm "warm" empfinden.

Energiesparlampen sind kleine, gebogene Leuchtstoffröhren und werden auch als Kompaktleuchtstofflampen oder Gasentladungslampen bezeichnet. Ihre Röhre ist mit einem Gas (meist Argon) gefüllt und von innen mit Quecksilber beschichtet, was dazu führt, dass Energiesparlampen als Sondermüll entsorgt werden müssen. Durch physikalische Vorgänge kommt es unter Einsatz von elektrischem Strom zu einem Leuchten. Die für Energiesparlampen notwendige Elektronik zur Modulation des elektrischen Stroms ist in den Sockel integriert. Sie wandeln ca. 25% der zugeführten Energie in Licht um und können im Betrieb zwischen 60°C und 90°C warm werden, so dass auch sie Energieverluste durch Wärme verursachen.^[23]Energiesparlampen erwirtschaften trotzdem eine Kosteneinsparung von 50-70%, was zum einen durch ihre lange Lebensdauer von 6000-8000 Stunden (zum Vergleich: Glühbirne 1000 Stunden) und zum anderen durch die niedrigere Energieaufnahme begründet ist. Ihr höherer Anschaffungspreis hat sich nach einer gewissen Zeit amortisiert. Die Umweltbilanz zur Herstellung einer Energiesparlampe ist allerdings schlechter als die einer Glühbirne, sofern man die Berechnungen nicht auf den von Herstellern angegebenen Werten durchführt, sondern eine praxisnähere Lebensdauer der Energiesparlampen annimmt.^[24] Heutzutage haben Energiesparlampen laut Dr. Jürgen Waldorf, Geschäftsführer des Fachverbandes ZVEI, schätzungsweise einen Marktanteil von 17% - 18%. ^[25] Durch die eingebaute Elektronik und die so erzeugten Wechselfelder und zum Betrieb nötigen Frequenzen, überschreiten sie die von TCO festgelegten Grenzwerte für strahlungsarme Monitor und erzeugen Elektrosmog, der Herz- und Kreislauferkrankungen fördern kann. Zudem verursacht das unnatürliche, bläuliche Licht Lichtstress und kann die Netzhaut der Augen schädigen.^[23][26]

Tabelle 1: Vergleich Watt-Anzahl einer Glühbirne und einer leuchtkraftähnlichen Energiesparlampe

Glühbirne	Energiesparlampe
15 W	3–5 W
25 W	5–7 W
40 W	7–9 W
60 W	11–16 W
75 W	15 – 20 W
100 W	20 – 23 W
120 W	23 – 26 W

^[27]

Halogenlampen arbeiten bei gleicher Helligkeit rund 30% stromsparender als Glühbirnen und besitzen eine Lebensdauer von rund 2000 Stunden. Bessere Modelle mit einer Infrarotbeschichtung arbeiten noch einmal 20% sparsamer und brennen ca. 4000 Stunden. Sie sind mit Halogenen (Brom oder Iod) gefüllt, was für eine langsamere Abnutzung des Wolframs sorgt und so zur längeren Lebensdauer beiträgt.^[28] In der 12V Ausführung benötigt der Transformator jedoch auch Strom, wenn er ausgeschaltet ist, weshalb man diesen dann ganz vom Netz trennen sollte. Ein weiterer Nachteil stellt auch hier der Elektrosmog dar, da Halogenlampen elektromagnetische Felder erzeugen.^[29]Ähnliche wie Glühbirnen erzeugen sie ein warmes Licht, das Farben naturgetreu wiedergibt.

LEDs (Licht Emittierende Dioden) erzeugen mittels Halbleitern Licht direkt aus Strom. Dabei entsteht weitaus weniger Wärme als bei Glühbirnen oder Energiesparlampen, außerdem ist die Lichtausbeute höher. Im Vergleich zu einer 75W Glühbirne verbraucht eine LED nur 1,25W bei ähnlicher Leuchtstärke. Die Lebensdauer beträgt ca. 10.0000 Stunden, was mehr als 10 Jahren Dauerbetrieb entspricht. Im Heimbereich können sich LEDs zur Zeit noch nicht durchsetzen, da sie extrem teuer in der Herstellung sind und so z.B. mit einem 100W Halogenstrahler nicht konkurrieren können. Ihr Einsatzbereich beschränkt sich daher im Moment noch auf Fahrzeugrücklichter, Fahrzeuginstrumentenbeleuchtung und Taschenlampen oder sie finden auf Grund ihrer Größe als Lichtquelle für Bohrer im medizinischen Bereich Verwendung. Zudem werden Ampeln mit LEDs ausgestattet und die Straßenbeleuchtung sukzessive mit LEDs bestückt um die Energie- und Wartungskosten zu minimieren. ^[30]

Heutzutage besitzen fast alle elektronischen Geräte verschiedene Betriebsmodi. Grob kann man diese in einen Arbeitsmodus zur primären Aufgabenerfüllung des Gerätes und einen Stromsparmodus zum Stromsparen, den Stand-By Betrieb, unterteilen. Letzterer wird im Folgenden vorgestellt und in Bezug auf seine energetische Relevanz für den Gesamtenergieverbrauch eines Haushalts untersucht.

Als Stand-By Funktion wird im Allgemeinen die Fähigkeit von elektronischen Geräten bezeichnet, trotz ausgeschaltetem Zustand noch Servicefunktionen bereitzustellen. Erreicht wird dieses Verhalten durch ein Nicht-Abschalten der dafür zuständigen elektronischen Komponenten im Stand-By Betriebsmodus, so dass die Geräte weiterhin, wenn auch weniger, Energie verbrauchen. Moderne Geräte wie zum Beispiel aktuelle Fernseher werden von den Herstellern durch den Einbau von energieeffizienten Komponenten optimiert und verbrauchen heutzutage überwiegend weniger als 1W im Stand-By Betriebsmodus.^[31]

Geräte, die den Stand-By Betriebsmodus unterstützen gibt es in fast allen Anwendungsbereichen. Dabei liegt es in den Händen der Nutzer, ob sie diese nach dem Gebrauch ganz vom Stromnetz trennen oder, wie meist aus Bequemlichkeit bevorzugt, nur in den Stand-By Betriebsmodus versetzten. Im Bereich der sonstigen Prozesswärme existieren als Konsumenten vor allem Waschmaschinen, Trockner und neuerdings auch verstärkt Kaffeevollautomaten in Haushalten. Erstere Geräte warten nach dem Waschen bzw. Trocknen darauf, vom Benutzer ausgeschaltet zu werden oder beginnen erst zeitverzögert mit der Arbeit. Letztere verbrauchen bauartbedingt ständig Energie, um dem Benutzer auf Abruf heiße Getränke zubereiten zu können. Durch den starken Zuwachs von Kommunikations- und Unterhaltungselektronik findet man im Bereich mechanische Energie Geräte wie beispielsweise Fernseher, Spielekonsolen, Stereoanlagen und auch Router oder Faxgeräte, die sich in den meisten Haushalten ständig im Stand-By Betrieb befinden und kontinuierlich Energie verbrauchen. So verbrauchen einige Geräte über die gesamte Zeit gesehen mehr Strom im Stand-By Betriebsmodus als im eigentlichen Arbeitsmodus.^[32]

Der Stand-By Betrieb elektronischer Geräte führt zu einem anhaltenden Stromverbrauch - der zwar geringer ist als im normalen Betrieb - trotzdem aber rund 11% des Stromverbrauchs der privaten Haushalte ausmacht.^[33]

Dieser Stromverbrauch von 11% lässt sich den unterschiedlichen Gerätegruppen aus dem Kapitel Analyse des Energiebedarfs deutscher Haushalte zuordnen. Dabei verbrauchen Geräte aus dem Bereich mechanische Energie mit 68% mehr als die Hälfte des Stroms im Stand-By Betrieb. Die Warmwasseraufbereitung verursacht durch den Leerlauf einen Anteil von 17% am Stand-By Stromverbrauch. Haushaltsgeräte und Haustechnik im Bereich sonstige Prozesswärme verbrauchen im Stand-By Betrieb rund 6,9% bzw. 4,5% des durch Stand-By verursachten Energiebedarfs und sonstige Geräte, die keiner Kategorie direkt zugeordnet werden können noch 3,7%.^[34]

Um Konzepte zur Realisierung des Einsparpotenzials vorstellen zu können, erfolgt im Folgenden eine Beschreibung der dafür notwendigen Komponenten:

Sensoren
Sensoren nehmen physikalische Eigenschaften ihrer Umwelt wie zum Beispiel elektromagnetische Wellen oder chemische Stoffe wahr. Diese gemessenen physikalischen Eigenschaften werden durch physikalische Vorgänge in elektrische Signale umgewandelt und mittels der eingebauten Elektronik aufbereitet. Anschließend werden sie über Schnittstellen den angeschlossenen Systemen angeboten. Durch kürzere Abfrageintervalle der Sensoren können detailliertere Informationen über die physikalischen Eigenschaften der Umgebung gesammelt werden.^[35]

Aktoren
Aktoren werden meist mittels analoger elektrischer Signale angesteuert und verändern anhand der übermittelten Informationen ihre Umwelt. Sie werden über einfache analoge Signale (z.B. ein/aus oder eine bestimmte Amplitude) kontrolliert, die das gewünschte Verhalten repräsentieren. Dieses wird anschließend meist durch Elektromotoren, in seltenen Fällen auch durch Elektromagneten umgesetzt.

Als Beispiel sei ein Ventil zur Steuerung der Heizung aufgeführt, welches anhand der übermittelten Informationen die Wärmeregelung beeinflusst und die Heizung so abkühlt oder stärker aufheizt.^[35]

Steuerung und Regelung
Steuerung und Regelung sorgen für ein Zusammenspiel der Sensoren und Aktoren. Die Steuerung bezieht die gemessenen Werte von den Sensoren und verknüpft diese ggf. mit anderen Messwerten anderer Sensoren. Daraufhin gibt sie Befehle an die Aktoren weiter, um die gewünschten Sollwerte zu erreichen. Regelungen können das Verhalten der Aktoren ebenfalls steuern. Darüber hinaus bieten sie die Möglichkeit, die bewirkten Veränderungen der Umwelt bei den Aktoren durch Sensoren zu messen. Diese Messwerte können an die Regelung zurückgereicht und mit den Sollwerten abgeglichen werden, was wiederum die Steuerung der Aktoren beeinflussen kann, um die Sollwerte zu erreichen. Die Sollwerte und andere Parameter werden über die Interaktion mit dem Benutzer festgelegt, die auch im Bereich der Steuerung und Regelung angesiedelt ist.^[35]

Gateway

Ein Gateway ist ein elektronisches Gerät, das zwischen verschiedenen Anschlusssystemen und Protokollen vermitteln und als Übersetzer arbeiten kann. Der Einsatz ist notwendig, da Komplettsysteme aus einer Hand derzeit nicht verfügbar sind und die Standardisierung der Komponenten noch nicht so weit fortgeschritten ist, dass die Komponenten verschiedener Hersteller miteinander zusammenarbeiten.^[36] In Studien werden dazu meist normale PCs oder Server eingesetzt. In der Regel sind diese aber nicht auf einen solchen Betrieb hin optimiert und verbrauchen unverhältnismäßig viel Energie. Der Einsatz von sogenannten Embedded-Systemen kann hier in Zukunft Abhilfe schaffen.

Zu Beginn dieses Abschnitts wird die zur Realisierung notwendige Technik vorgestellt. Daraufhin werden 4 Beispielprojekte vorgestellt, deren Ziel es war, Smart Homes zu entwickeln, die teilweise Benutzerszenarien bereitstellen. Im letzten Abschnitt werden kurz verschiedene denkbare Szenarien vorgestellt und bewertet.

Die Vernetzung vieler verschiedener Endgeräte in einem Smart Home erhöht den Bedienaufwand für den Benutzer.^[37] Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken, werden bestimmte Benutzerszenarien bereitgestellt, die dem Anwender die Handhabung der Geräte und die Nutzung von Energieeinsparpotenzialen erleichtern sollen. Dabei werden durch die Auswahl eines Benutzerszenarios alle damit verknüpften Geräte in einen festgelegten Zustand versetzt.

Diese Benutzerszenarien setzen sich aus Anwendungen zusammen, die ihrerseits auf Funktionen von Geräten beruhen. Eine Analyse der Funktionen hat ergeben, dass diese in verschiedene Funktionsbereiche unterteilt werden können. Diese Bereiche werden als Basisdienste, Middleware und Kommunikations- und Ausführungsumgebung bezeichnet. Basisdienste bündeln Funktionen, die die grundlegende Implementierung von Anwendungen erlauben und stellen Funktionen dar, die immer von verschiedenen Anwendungen eines Anwendungsfeldes gemeinsam genutzt werden. Die Anwendungen nutzen Software, die als Middleware bezeichnet wird und können beispielsweise in einer Java-Umgebung (Jini) laufen. Die Kommunikations- und Ausführungsumgebung unterstützt die Middleware hardwaretechnisch, kann aber auch Ressourcenmanagementfunktionen von Betriebssystemen bereitstellen. Sie stellt darüber hinaus die grundlegenden Kommunikationsmöglichkeiten zur Verfügung und kann so zum Beispiel die Basis eines Peer-to-Peer Netzwerks darstellen.^[38]

9.1.2 Beispielhäuser

Beispiele für Smart Homes mit energiesparenden Anwendungen:

inHaus Duisburg
Eines der Hauptziele des inHauses war es, einen niedrigen Energieverbrauch vorzuweisen. Dies wurde mit Hilfe eines Zentralrechners realisiert, welcher alle nicht benötigten Geräte zu Spitzenlastzeiten abschaltet.

IWO-Bay (Innovatives Wohnen in Bayern)
IWO-Bay setzte den Fokus auf Energieeinsparung bei Altgebäuden. Dazu wurde eine dezentrale, anwesenheitsgesteuerte Heizungsregelung und Lüftungssteuerung installiert. Die Überwachung und Steuerung dieser Anwendung wird über ein portables Handgerät ermöglicht.

Home-Automation-Pilotanlage Gifhorn
Für die Home-Automation-Pilotanlage wurde eine Energieüberwachungsfunktion entwickelt, welche auf Abruf momentane Verbrauchswerte für Strom, Wasser und Heizenergie ermittelt und diese auf elektrischen Geräten wie zum Beispiel dem Fernseher anzeigen kann. Diese Funktion soll den Anwendern zu einem sinnvolleren Umgang mit Energieressourcen anregen.

Intelligentes Haus Erfurt

Das intelligente Haus kennt verschiedene Grundszenarien wie beispielsweise Anwesenheit bei Tag, Abwesenheit oder Urlaub. Diese Szenarien sind über ein Display aktivierbar und beeinflussen das Verhalten der vernetzten Geräte. Bei dem Abwesenheitsszenario erfolgt beispielsweise eine automatische Benachrichtigung der Bewohner, falls der Alarm ausgelöst worden ist.^[39]

Ein Benutzerszenario beschreibt bestimmte Zustände bei den im Smart Home vorhandenen und miteinander vernetzten Geräten. Es können Szenarien angelegt werden, die der Benutzer per Knopfdruck über das Control Panel auswählt. Das jeweils aktuelle Szenario enthält eine genaue Liste über die anzusprechenden Geräte und ihren Sollzustand und versetzt sie in diesen. Denkbar wäre zum Beispiel ein Szenario, das eingeschaltet wird, wenn die Bewohner das Haus verlassen. Die zentrale Steuereinheit schaltet in dem Fall die nicht benötigten elektronischen Geräte aus und trennt sie idealerweise ganz vom Stromnetz, um Stand-By Verbrauch zu vermeiden. Zudem schaltet sie das Licht aus und die Alarmanlage des Hauses ein. Je nach Tageszeit werden die Rollläden heruntergefahren und ggf. die Heizung heruntergedreht. Ein umgekehrtes Szenario existiert dann für die Rückkehr der Bewohner. Das Haus erhellt die Räume und aktiviert wenn nötig die Heizung. Zudem wird die Alarmanlage deaktiviert. Ein rein auf dem Komfort ausgelegtes Szenario könnte zusätzlich die Stereoanlage einschalten und die Lieblingslieder der Bewohner abspielen oder den Fernseher einschalten. Diese Szenarien lassen sich mit der steigenden Anzahl von intelligenten Geräten weiter ausbauen. Dies kann soweit führen, dass Vorhänge und Türen gesteuert werden oder sogar Roboter ins System integriert werden, die beispielsweise die Wohnung saugen und bei Abwesenheit der Bewohner automatisch aktiviert werden.^[40]

Verschiedene Hersteller haben den Smart Home Markt für sich entdeckt und bieten Automation in Verbindung mit HiFi-Elektronik an. Die Hersteller BeoLiving und Powernet-EIB sind beispielsweise bekannt für diesen Bereich in Smart Homes. Sie stellen ihren Kunden Systeme bereit, die über Raumgrenzen hinweg agieren und steuerbar sind. Dazu werden Einzelsysteme wie Fernseher, Stereoanlage oder Beamer miteinander vernetzt und können über universelle Fernbedienungen gesteuert werden. Die einfache Bedienbarkeit steht dabei im Vordergrund, so dass der Benutzer schnellstmöglich in seinen Genuss kommt und sich nicht mit einer komplexen Bedienung abmühen muss. Auch andere Komponenten wie die Beleuchtung und die Jalousiesteuerung lassen sich implementieren.^[40]

Da die Komponenten und ihre Implementierung teuer sind, bleiben solch ganzheitliche Szenarien vorerst etwas für Besserverdiener. Auf Grund der Steuerung mehrerer elektronischer Geräte, die sich alle in den vom Bediener gewünschten Zustand versetzten ist es zudem fragwürdig, ob durch Szenarien, die vornehmlich der Steigerung der Wohnqualität dienen, wirklich Energie eingespart werden kann oder nicht eher stärker verbraucht wird. Eine einfachere Bedienung führt schließlich dazu, dass sich der erforderliche Aufwand zur Nutzung der intelligenten Geräte minimiert und so in greifbarere Nähe rückt.^[40]

Zur Reduzierung des Stand-By Stromverbrauchs werden im Folgenden zwei verschiedene Ansätze erläutert, wobei letzterer bereits marktreife erlangt hat und die notwendigen Komponenten in entsprechend ausgestatteten Geschäften erworben werden können.

Der wenige nur millimetergroße Hochspannungschip (dSID-Chip) der Organisation digitalSTROM dient dem Energiesparen und kann in nahezu jedem Haushaltsgerät und jeder Steckdose untergebracht werden. Er wird über die Stromleitung, die wie ein Bussystem funktioniert, gesteuert und beeinflusst anhand der übermittelten Informationen das angeschlossene Gerät. So ist es möglich, dieses ganz vom Stromnetz zu trennen, was den Stand-By Verbrauch verringert oder das Gerät erst zu einer bestimmten Zeit mit Strom zu versorgen, um Lastspitzen zu umgehen und so vom günstigeren Strom zu profitieren. Er bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die Energieverbrauchsdaten des Geräts aus der Ferne in Echtzeit abzulesen. Zudem integriert er einen Blitzschutz und kann angeschlossene Lampen dimmen. Der Eigenverbrauch des dSID-Chips liegt bei unter 0,3 W und ist somit niedriger als bei vielen älteren Geräten im Stand-By Betriebsmodus. Durch das einfache Nachrüsten des Chips im Haushalt (z.B. durch Installation in der Steckdose) ist es so möglich, den Energieverbrauch von vielen Geräten signifikant zu senken. Er kann darüber hinaus auch in Lüsterklemmen untergebracht werden und so herkömmliche Modelle ablösen. Ein weiterer Vorteil ist die Kommunikation über die Stromleitung, so dass kein zusätzliches Bussystem installiert werden muss. ^[41][42][43]

Eine Master/Slave-Steckdosenleiste ist eine einfache Steckdosenleiste, bei der ein Anschluss als Master und alle weiteren als Slave gekennzeichnet sind. Intern verfügt die Steckdosenleiste zusätzlich über einen Controller, der hilft, den Stand-By Verbrauch zu verringern. Dies wird erreicht, in dem der Controller die Slave-Steckdosen vom Stromnetz trennt, sobald das am Master angeschlossene Gerät ausgeschaltet ist und somit selbst kein Strom mehr bezieht. Der Anwender kann an seinem Arbeitsplatz beispielsweise eine Schreibtischlampe an der Master-Steckdose und einen Computer samt Peripherie an den Slave-Steckdosen anschließen. Schaltet er beim Verlassen des Arbeitsplatzes die Lampe aus, so erkennt der Controller in der Steckdosenleiste den auf Null gefallenen Stromverbrauch an der Master-Steckdose und trennt die Slave-Steckdosen vom Stromnetz. Dadurch wird sichergestellt, dass der Computer und die angeschlossene Peripherie trotz ausgeschaltetem Zustand kein Stand-By Strom in den Netzgeräten verbrauchen. Bei einigen Master/Slave-Steckdosenleisten kann man an der Master-Steckdose eine Toleranzgrenze von wenigen Watt einstellen. Dies ermöglicht es, den Computer an der Master-Steckdose anzuschließen. Er verbraucht auch im ausgeschalteten Zustand bis zu 10 W, weshalb der Controller der Steckdosenleiste ihn ohne Toleranzgrenze nicht als 'abgeschaltet' erkennen würde. Legt man diese Toleranzgrenze demnach auf ca. 10 W, erkennt der Controller den korrekten Zustand des Computers und trennt die Slave-Steckdosen vom Netz. Als Nachteil ist allerdings aufzuführen, dass die Mastersteckdose immer mit Strom versorgt wird und der Computer im zuletzt vorgestellten Szenario weiterhin einen Stromverbrauch von bis zu 10 W aufweist.^[44]

In diesem Abschnitt sollen mögliche Konzepte zur Energieeinsparung in den Bereichen Heizen und Belüften durch den Einsatz von vernetzter Haustechnik untersucht werden. Es wird von einem durchschnittlichen Vier-Personen-Haushalt und einem Ein-Familien-Haus ausgegangen. Wie bereits im Abschnitt Analyse des Energiebedarfs deutscher Haushalte dargestellt entfallen fast drei Viertel des Energiebedarfs eines durchschnittlichen deutschen Haushalts auf den Bereich Heizen. Daraus kann geschlossen werden, dass in diesem Bereich besonders hohe Einsparpotenziale vorhanden sind. Es soll weiterhin untersucht werden, in wiefern intelligente Heiz- und Belüftungskonzepte durch bauliche Veränderungen unterstützt werden müssen, um signifikante Einsparungen zu ermöglichen.

Es reicht an dieser Stelle nicht aus, sich auf das Smart Home als geschlossene Einheit mit einer Energiequelle zu beschränken, da die Vernetzung erst dann einen großen Zusatznutzen birgt, wenn mehrere konkurrierende Energiequellen (siehe Effizienzsteigerungen bei der Wärmeerzeugung) genutzt werden und mehrere Smart Homes durch diese versorgt werden.^[45]

Um überhaupt Konzepte zur Energieeinsparung entwickeln zu können ist es nötig die Bereiche zu lokalisieren, in denen Energie gespart werden kann. Diese sind daran erkennbar, dass dort entweder Energie "verschwendet" oder aber nicht effizient gewonnen wird. Im Wesentlichen lassen sich, gestützt durch Vernetzung, vier große Bereiche mit Energieeinsparpotenzialen identifizieren, welche in diesem Abschnitt näher beleuchtet werden.

Die Wärmeproduktion erfolgt in den meisten Haushalten über eine in der Wohneinheit befindliche Öl- oder Gasheizung. Durch die Umstellung der dezentralen Wärmeproduktion (bezogen auf mehrere Smart Homes) auf eine zentrale Produktion durch beispielsweise ein Blockheizkraftwerk mit zusätzlicher Stromerzeugung aus Kraft-Wärmekopplung, lassen sich bis zu 36% Primärenergie^[46] und 60% CO₂-Emissionen^[47] einsparen.

Die Einsparung lässt sich im Wesentlichen durch einen höheren Wirkungsgrad gegenüber einer dezentralen Versorgung, sowie der intelligenten Laststeuerung erklären. Die Brennstoffe Öl bzw. Erdgas werden mit einem Primärenergiefaktor von 1,1 bewertet.^[48] Der Einsatz von Nah- bzw. Fernwärme in Verbindung mit einem Blockheizkraftwerk ermöglicht die Realisierung eines Primärenergiefaktors für fossile Brennstoffe von 0,7. Dieser Wert resultiert neben der höheren Effizienz zusätzlich daraus, dass durch Kraft-Wärmekopplung Strom produziert wird. Nutzt man statt fossiler Brennstoffe zum Beispiel nachwachsende Rohstoffe wie Holzpellets, so verbessert sich die CO₂-Bilanz drastisch, da sie bei der Verbrennung nur die Menge CO₂ abgeben können, die sie beim Wachsen aufgenommen haben. Ferner wird zur Produktion der Pellets aus Holzabfällen nur 3% des Energiegehalts der Pellets benötigt^[49]. Bei fossilen Brennstoffen liegt der Anteil der Energie, die zur Bereitstellung aufgewandt werden muss, deutlich höher.

Weitere Effizienzsteigerungen ergeben sich aus dem abgestimmten Zusammenspiel mehrerer Energiequellen. Neben dem Blockheizkraftwerk kann Wärmeenergie durch Sonnen- und Erdkollektoren unter Umständen in Verbindung mit einer Wärmepumpe bereitgestellt werden. Mit einer Wärmepumpe kann auch bei niedrigen Außentemperaturen genug Wärmeenergie bereitgestellt werden, um für den Heizbetrieb ausreichende Vorlauftemperaturen zu erreichen. Die Wärmepumpe erzeugt dabei aus 1kWh Strom bis zu 4kWh Wärmeenergie.^[50] Weiterhin ist es möglich mit einer Wärmepumpe und Erdkollektoren auf einen energieeffizienten Kühlbetrieb im Sommer umzustellen.

Wird nun je nach Witterungsverhältnissen auf die entsprechenden Energiequellen zurückgegriffen, so kann ein Großteil der benötigten Wärmeenergie durch regenerative Quellen bereitgestellt werden und nur zu Spitzenlastzeiten muss zum Beispiel ein Gasbrennkessel hinzugezogen werden.

Die Verringerung der Wärmeverluste bzw. Abminderung von unerwünschtem Aufheizen birgt insofern Einsparpotenziale, als dass weniger Energie zur Herstellung eines behaglichen Raumklimas aufgewendet werden muss. Die nachfolgende Grafik zeigt schematisch die Wärmeenergiezuflüsse und Wärmeenergieabflüsse eines Hauses.

• Q_H: Wärmezufuhr durch Heizkomponenten
• Q_I: Wärmequellen innerhalb der Räume (Personen, elektrische Geräte)
• Q_L: Wärmeverlust bzw. -zufuhr durch Lüftung
• Q_S: Solare Wärmestrahlung
• Q_T: Transmissionswärme (Wärmeverluste durch Bauteile)

^[51]

Das Ziel ist es, ein behagliches Raumklima herzustellen und diesen Zustand so energieeffizient wie möglich zu erreichen. Also müssen die Wärmeflüsse Q_T, Q_S und Q_L so gering wie möglich gehalten werden. Dies ist nur teilweise durch die Nutzung vernetzter Techniken möglich. Die Transmissionswärme (Q_T) wird im Wesentlichen durch den U-Wert (Maß für den Wärmedurchgang durch Bauteile) der verbauten Materialen bestimmt und kann folglich auch nur durch bauliche Maßnahmen beeinflusst werden. Die solare Wärmestrahlung (Q_S) und der Wärmeverlust bzw. die Wärmezufuhr durch Lüftung (Q_L) hingegen lassen sich durch vernetzte Systeme relativ gut beeinflussen.

Wärmeenergieverlusten durch falsches Lüften kann entgegengewirkt werden, indem das System bei geöffneten Fenstern diese entweder schließt oder aber die Wärmeenergiezufuhr für den Raum stoppt. Umgekehrt kann bei hohen Außentemperaturen dafür gesorgt werden, dass eine Lüftung nicht über die Fenster, sondern über eine eingebaute Belüftungsanlage erfolgt. Die Belüftungsanlage kann die Luft dann zum Beispiel in Kombination mit einem Erdkollektor kühlen bevor sie den Räumen zugeführt wird. In die Belüftungsanlage kann zudem eine Wärmerückgewinnungseinheit integriert werden. Damit kann aus der Abluft die Wärmeenergie teilweise zurück gewonnen werden, sodass diese nicht in die Umwelt entweicht.

Die Energiezufuhr durch solare Wärmestrahlung lässt sich einerseits durch den Einsatz entsprechend konzipierter Fenster, andererseits durch eine intelligente Beleuchtungssteuerung (Jalousien oder Rollladen), wie sie im Abschnitt Beleuchtung vorgestellt wird, beeinflussen. Aufgrund der hohen Dämmungsgrade aktueller Niedrigenergiehäuser ist eine Kontrolle der Wärmeenergiezufuhr durch solare Wärmestrahlung absolut notwendig, da sich Niedrigenergiehäuser besonders im Sommer stark aufheizen können.

Eine weitere Einsparquelle ist die Verringerung der Zufuhr von nicht benötigter Wärmeenergie. Aktuelle teilautomatisierte Systeme haben die Schwäche, dass sie lediglich die Raum- bzw. Außentemperatur als Mess- und Regelgröße betrachten. Faktoren wie zum Beispiel die Luftfeuchtigkeit oder die Sonneneinstrahlung werden nicht zur Regelung herangezogen obwohl sie maßgeblich zur Behaglichkeit beitragen. Dies kann zu unnötig zugeführter Wärmeenergie führen, indem Räume ständig beheizt werden, obwohl sie nicht oder nur sporadisch genutzt werden. Durch die Senkung der Raumtemperatur um 1°C lassen sich im Durchschnitt bereits 6% Primärenergie einsparen .^[52] Ferner erfolgt die Regelung häufig nicht nach aktuellem Bedarf, sondern anhand von Zeitprogrammen. Diese Tatsache gilt im Wesentlichen auch für die Vorlauftemperatur. Sie wird zumeist über einen Außentemperaturfühler und ein Zeitprogramm geregelt, so dass über Heizkörper mit Thermostatventilen eine behagliche Raumtemperatur manuell eingestellt werden kann. Oftmals liegt diese Temperatur jedoch zu hoch bzw. ist nicht dem Heizungssystem angemessen geregelt.

Untersuchungen haben gezeigt, dass durch differenzierte Visualisierung des aktuellen Verbrauchs der Energiebedarf allein durch Verhaltensänderungen um fünf bis 20% gesenkt werden konnte. Oftmals ist den Benutzern nicht bewusst, an welcher Stelle wie viel Energie eingesetzt wird. Erhalten diese die Möglichkeit, in Echtzeit nachverfolgen zu können wie viel Energie eingesetzt wird, können sie ihr Verhalten anpassen. Ferner gibt es Systeme, die aus dem Verhalten eines Benutzers lernen. In Verbindung mit einer Verbrauchsvisualisierung lassen sich solche Systeme effektiv trainieren.

Eine aktuelle und differenzierte Verbrauchsdatenerfassung ist weiterhin Grundlage für Funktionsfähigkeit eines vernetzen und automatisierten Systems. Andernfalls ist auch eine automatische Regelung nicht möglich.^[53]

Wie schon in der Einleitung dargestellt, haben die derzeit auf dem Markt befindlichen Systeme häufig die Einschränkung, nur mit Komponenten desselben Herstellers einwandfrei zusammenzuarbeiten. Eine Interoperabilität zwischen den Systemen ist jedoch eine zwingende Voraussetzung für eine ganzheitliche Gebäudesteuerung. Daher dürfte eine zusätzliche Standardisierung in Zukunft weitere Einsparpotenziale realisierbar werden lassen.

Um Energieeinsparungen im Bereich Heiz- und Lüftungskontrolle durch Vernetzung realisieren zu können, muss ein System erstellt werden, dass sich weitestgehend selbst mit Informationen versorgt und autonom oder teilautonom regel- oder algorithmenbasierte Entscheidungen treffen kann. Diese Entscheidungen orientieren sich am Ziel der Energieeinsparung und werden mittels Sensoren, Aktoren und Steuer- und Bedieneinheiten umgesetzt, die über ein Bussystem miteinander vernetzt sind.

Im Bereich der Informationsversorgung ist das System auf verschiedenste Arten von Sensoren angewiesen. Als Kontroll- bzw. Regelgröße kann nicht allein die Temperatur verwendet werden, da sich das subjektive Wohlbefinden auch aus der relativen Luftfeuchte, Lichtverhältnissen und Ähnlichem zusammensetzt. Ebenfalls nicht zu vernachlässigen sind Luftqualität, Wärmeabstrahlung der Wände, Kleidung und ausgeführte Aktivität bzw. Anwesenheit der Bewohner.^[54][55] All diese Faktoren gilt es zur optimalen Ansteuerung des Heizungs- und Lüftungssystems zu berücksichtigen. Die Messung von Temperaturen, relativer Luftfeuchte, Anwesenheit und Ähnlichem ist dabei wesentlich einfacher zu realisieren als die Erfassung von getragener Kleidung bzw. ausgeführter Aktivität der Bewohner. Daneben sind auch noch Sensoren nötig, die den aktuellen Zustand des Systems erfassen (z.B. Vorlauftemperatur, Anstellwinkel von Lüftungsklappen) und Sensoren außerhalb des Hauses wie zum Beispiel eine Wetterstation.

Das abgebildete Multi-Sensor-Modul ist ein Prototyp des Instituts für Mess- und Automatisierungstechnik der Universität München. Es kann an den EIB angeschlossen werden und folgende Daten erfassen:

• Geräuschpegel
• Lufttemperatur
• Luftfeuchte
• Lichtintensität
• Infrarot-Strahlung (zum Beispiel zur Erkennung von Raumnutzung bzw. Anwesenheit oder auch zur Steuerung des Systems mit einer Fernbedienung)

Das Modul ist zudem um Sensoren für Methan, flüchtige organische Stoffe und Wasserstoff erweiterbar. Über die Genauigkeit der Sensoren wird jedoch keine Angabe gemacht. Andere Publikationen legen nahe, dass die Sensoren oftmals keine zufriedenstellenden Messwerte zurückgeben. Dies liegt sowohl an der Qualität der eingesetzten Sensoren selbst, als auch an fehlender oder mangelhafter Kalibrierung. Durch den Einsatz von thermodynamischen Modellen können die Messfehler jedoch größtenteils ausgeglichen werden bzw. spielen eine untergeordnete Rolle.^[56]

Die Anwesenheitsdetektion kann in verschiedene Schwierigkeitsgrade aufgeteilt werden. Um die bloße Anwesenheit eines Menschen zu erfassen gibt es bereits eine ganze Reihe ausgereifter Produkte. Aufwändiger wird es zu erfassen, wer sich in einem Raum befindet, welche Kleidung die Person trägt oder welche Aktivitäten sie durchführt. Verkompliziert wird die Aufgabe dadurch, dass sich simultan mehrere Personen in einem Raum aufhalten können. Die nachfolgende Tabelle vergleicht dabei verschiedene Techniken sowie die Hauptprobleme.

Tabelle 2: Übersicht Techniken zur Anwesenheitsdetektion, angelehnt an Ivanov B., Ruser H., Kellner M. (2002), S. 82f

Sensortyp	Auflösung	Bewegungs- detektion	Anzahl Anwesender Personen	Personen- identifikation	Aufenthaltsort	Ausgeübte Aktivität	Preis	Hauptprobleme
Passiver Infrarotsensor	niedrig	+	-	-	-	+/-	niedrig	- geringe Auflösung
Lichtschranken	niedrig	+/-	+	-	-	-	niedrig	- niedrige Auflösung
Mikrowellensensor	niedrig	+	-	-	-	-	mittel	- geringe Auflösung - relativ hoher Preis
Einfacher Ultraschallsensor	niedrig	+	-	-	-	-	niedrig	- niedrige Auflösung
Intelligenter Ultraschallsensor	relativ niedrig	+	+/-	-	+/-	+/-	mittel	- schlechtes Preis-/Leistungsverhältnis
Schocksensoren	hoch	+	-	-	-	+/-	mittel	- relativ komplexe Installation
Infrarotkamera	sehr hoch	+	+	-	+	+	sehr hoch	- sehr hoher Preis
360° Passiver Infrarotsensor	sehr hoch	+	+	-	+	+	mittel	- mechanische Geräusche
Transponder	niedrig	-	-	+	-	-	mittel	- geringer Informationsgrad - geringe Reichweite
Videokamera	sehr hoch	+	+	+/-	+	+	hoch	- komplexe Algorithmen - psychologische Faktoren - benötigt Mindesthelligkeit
Biometrische Systeme	low	-	+	+	-	-	hoch	- geringer Informationsgrad - physiologische Faktoren

Eine relativ einfache Lösung der meisten Probleme ist es zwei oder mehr Techniken zu kombinieren und Synergieeffekte auszunutzen. So kann beispielsweise an einem Raumeingang eine Lichtschranke installiert werden. Zusätzlich muss jeder Bewohner eindeutig identifizierbar sein, was zum Beispiel durch RFID-Technologie realisiert werden kann. Diese Transponder können in der Kleidung oder einer Uhr untergebracht werden und übermitteln die gespeicherten Informationen an das Gesamtsystem. Dadurch weiß das System, wer sich wo aufhält und kann zum Beispiel die Raumwärme anpassen. Kritisch zu bewerten ist an dieser Stelle jedoch, dass der Aufenthaltsort und ggf. auch jede Handlung eines Bewohners transparent nachverfolgbar werden und ob die hohe Informationsauflösung notwendig ist, damit das System qualitativ hochwertige Entscheidungen treffen kann.

Die Überwachung von Türen, Fenstern und ähnlichen Gegenständen erfolgt über sogenannte Binärsensoren. Falls zwei Zustände zur Regelung nicht ausreichen, kann zum Beispiel auf Wirbelstromsensoren zurückgegriffen werden. Dabei handelt es sich um berührungsfreie, also verschleißfrei, arbeitende Sensoren auf Basis einer Metallplatte und einer Spule. Mit diesen ist es möglich den Abstand von zwei Gegenständen zueinander zu bestimmen. Durch Annäherung der Metallplatte an die Spule ändert sich die Eingangsimpedanz der Spule, wodurch auf die Entfernung zwischen Spule und Metallplatte geschlossen werden kann. Erweitert man das Konzept auf vier Spulen und ordnet diese auf einer Kreisfläche an, kann man damit den Winkel zwischen der Kreisfläche und der Metallplatte bestimmen. Dies ist zum Beispiel zur Bestimmung von Anstellwinkeln bei Jalousien oder Lüftungsklappen von Bedeutung (s. Abb. 14).^[57]

Bisher wurden nur Sensoren betrachtet, die sich auf das Innere des Smart Homes beziehen. Wichtig für eine gezielte Heizungs- und Belüftungskontrolle sind aber auch die Wetterbedingungen außerhalb des Hauses. Zur Beschaffung der nötigen Informationen kann zum Beispiel auf die Daten von lokalen Wetterdiensten zurückgegriffen werden, indem das Smart Home über ein Gateway mit diesen vernetzt wird. Jedoch bieten die Daten meist eine zu geringe Auflösung, weshalb eine Wetterstation in das Smart Home integriert werden sollte. Über die Wetterstation können dann unter anderem die folgenden Daten erfasst werden:

• Strahlungsintensität des Sonnenlichts
• Einstrahlungswinkel des Sonnenlichts
• Niederschlag
• Relative Luftfeuchte
• Windstärke
• Lufttemperatur

Die Wetterstation kann ferner um Temperatursensoren im Boden ergänzt werden. Sinnvoll ist dies bei Einsatz eines Erdkollektors. Die nebenstehende Grafik verdeutlicht exemplarisch das Zusammenwirken der verschiedenen möglichen Informationsquellen, die letztlich die Wärmeenergiezufuhr durch die Heizung beeinflussen.

Viele Sensoren lassen sich energetisch optimieren. So ist es möglich, dass die Sensoren die Energie zum Betrieb teilweise oder vollständig selbst erzeugen. Dies geschieht durch Umwandlung von thermischer, mechanischer oder elektromagnetischer in elektrische Energie. Je nach Sensortyp eignen sich andere Energiequellen. Sensoren zur Messung von Temperatur oder Luftfeuchte benötigen in der Regel ca. 1,2µW. Durch eine thermoelektrische Wandlung kann bei einer Temperaturdifferenz von 5K rund 20µW an elektrischer Energie erzeugt werden. Diese Temperaturdifferenz ist in Gebäuden zum Beispiel zwischen Heizungskörper- und Lufttemperatur zu beobachten und daher nutzbar.^[58] Die Übertragung der Daten erfolgt über Funkwellen. Durch kurze Sendezeiten im Bereich von 1ms können eine große Anzahl an Sensoren gleichzeitig betrieben werden, ohne dass Kollisionen auftreten. Bei 200 Sensoren die jede Minute einmal senden entsteht statistisch gesehen nur bei jedem 10.000. Sendevorgang eine Kollision. Durch zweimaliges Wiederholen des Sendervorgangs nach einer zufälligen Zeitspanne im Bereich von 30ms kann die Übertragungssicherheit zusätzlich gewährleistet werden. Ein Anwendungsbeispiel sind Fensterkontakte die anzeigen, ob ein Fenster geöffnet oder geschlossen ist. Die zum Betrieb benötigte Energie wird beim Drehen des Fenstergriffes erzeugt. Kann das System auf offene Fenster mit einem Abstellen der Heizung reagieren, lass sich bis zu 40% Wärmeenergie einsparen.^[59]

Ein generelles Problem stellen jedoch die komplexen Bussysteme dar. Zumeist können diese nur von qualifiziertem Fachpersonal optimiert und kalibriert werden. Aus Zeit- und Kostengründen erfolgt diese Optimierung nach der Installation oftmals nicht. Das Resultat können qualitativ schlechte Sensordaten und somit nicht realisierte Einsparpotenziale sein.

Aktoren ermöglichen die automatisierte Steuerung von Systemkomponenten. Dazu zählen neben Heizungsventilen auch Lüftungsklappen, Rollläden, Stellmotoren für Jalousien oder Tore und Türen. Wichtig ist, dass die Aktoren so konstruiert sind, dass durch sie keine Gefahr für die Bewohner eines Smart Homes ausgehen kann.

Da es sich bei Aktoren meistens um Elektromotoren handelt, ist hier eine Betrachtung der Stand-By Verbräuche sinnvoll. So wurde in einem praktischen Versuch der ETH Zürich ermittelt, dass der Bereitschaftsbetrieb von Aktoren zur Vorhangssteuerung über 90% des gesamten Energieverbrauchs pro Jahr ausmacht.^[60] Aktoren auf elektrochemischer Basis können bei weit geringerem Energieverbrauch (sowohl im Stand-By als auch im Betrieb) hohe Kräfte bereitstellen und diese auch halten. Über eine reversibel ablaufende chemische Reaktion lassen sich so nahezu geräuschlos Aktionen durchführen. Kombiniert man einen elektrochemischen Aktor mit einem Wirbelstrom-Abstandssensor, erhält man das nebenstehend abgebildete Heizungsventil^[61].

Ein weiterer Aktor mit Einsparpotenzial durch Vernetzung ist die Umwälzpumpe der Heizung. Während Pumpen vormals ständig arbeiteten, ist durch die Nachrüstung einer intelligenten Pumpenansteuerung ein Stromeinsparpotenzial von bis zu 50% realisierbar. Ersetzt man die alte Pumpe durch eine neuartige Pumpe mit Synchromotor, so erhöht sich das Einsparpotenzial auf bis zu 80%. Die intelligente Pumpenansteuerung regelt dabei die Drehzahl der Pumpe in Abhängigkeit vom Wärmebedarf bzw. schaltet die Pumpe komplett ab. Übertragen auf ein Einfamilienhaus ergibt sich so eine Kosteneinsparung von circa 50€ pro Jahr.^[62]

Im Bereich der Lüftungssteuerung lässt sich ein Großteil der manuell bedienbaren Komponenten mit Aktoren ausrüsten, die dann mit dem Gesamtsystem vernetzt werden können. Zu nennen sind hier neben den Ventilatoren selbst auch Lüftungsklappen zur Luftstromregelung und auch Aktoren an Fenstern und Türen.

Eine zentrale Stellung kommt dem Bereich Bedienung und Steuerung des Systems zu. Auch die Interaktion mit dem Benutzer lässt sich aus energetischer Sicht durch Vernetzung optimieren. Dazu können herkömmliche Schalter durch autarke Schalter, die per Funk kommunizieren, ersetzt werden. Die meisten funkbasierten Schalter beziehen ihre Energie aus Batterien. Batterien stellen einen chemischen, umweltschädlichen Energiespeicher dar. Die zum Betrieb benötigte elektrische Energie kann wie bei den Sensoren und Aktoren auch durch äußere Einwirkungen erzeugt werden. Im Bereich der Schalter eignet sich die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie am ehesten. Die durch die Bedienung erzeugte mechanische Energie kann so beispielsweise über piezoelektrische Wandler in elektrische Energie umgewandelt werden. In der nebenstehenden Abbildung sind einige Beispielschalter abgebildet, die direkt auf der Wand oder auch Glasflächen angebracht werden können.^[63]

Derzeit werden zur Regelung der Heizungsanlage vorwiegend zeitgesteuerte Profile verwendet, die an einer Bedieneinheit eingestellt werden können. Unabhängig davon werden die einzelnen Heizkörper über herkömmliche Ventile oder Thermostatventile manuell bedient, um die Raumtemperatur zu regeln. Energieeinsparungen können dadurch erreicht werden, dass die starren, zeitgesteuerten Profile durch aktivitätsabhängige, dynamische Profile ersetzt werden. So ist es möglich, für einzelne Räume Solltemperaturwerte festzulegen. Das System heizt diese dann auf optimale Art und Weise autonom auf die gewünschte Temperatur. Die dazu benötigten Informationen stammen von den im Abschnitt Sensoren beschriebenen Komponenten. Zum Einsatz kommt hier sowohl die intelligente, situationsabhängige Ansteuerung der Pumpe als auch die des Brennkessels. Während der Nacht oder auch bei Abwesenheit kann ein Absenkbetrieb realisiert werden, der die Raumtemperatur abgesenkt. Dies geschieht durch Absenkung der Vorlauftemperatur, also zum Beispiel über die Menge an über den Brennkessel zugeführter Energie. Das vernetze System zieht dazu verschiedenste Informationen heran. Zum einen wird über die Wetterstation die Witterung außerhalb des Smart Homes erfasst, denn je nach Außentemperatur wird nicht nur die Vorlauftemperatur geregelt, sondern auch ein Frostschutz realisiert. Zum Anderen wird durch Sensoren innerhalb des Smart Homes gewährleistet, dass das System rechtzeitig wieder hochfährt, um die gewünschten Temperaturen innerhalb der Räume herstellen zu können. Dies geschieht optimalerweise nicht nur zeitgesteuert, sondern auch anhand gesammelter Temperatur- und Witterungswerte innerhalb wie außerhalb des Smart Homes. Ein häufig vorgebrachter Einwand lautet, dass die benötigte Aufheizenergie nach einer Absenkung die Einsparungen neutralisiere, was jedoch laut der Energieagentur NRW nicht korrekt ist. Unter Berücksichtigung der Aufheizenergie kann eine Einsparung von fünf bis 10% realisiert werden^[64]. Der Absenkbetrieb bietet sich daher zum Energiesparen an. Ferner können unterschiedliche Betriebsprogramme für Sommer und Winter eingerichtet werden. Über die Daten der Wetterstation erkennt die Steuereinheit automatisch ab wann in welchen Betriebsmodus zu wechseln ist. Ein wichtiger Zusatznutzen der Vernetzung besteht darin, dass das System mitlernen kann. So verändern sich mit der Zeit Nutzungsgewohnheiten, Witterung sowie Einrichtung und Nutzung der Räume. Diese Veränderungen können durch das System erfasst werden und fließen mit in die Steuerung ein. Je mehr Kontrollaufwand dem Benutzer abgenommen wird, desto besser können Fehlbedienungen vermieden werden. Damit sinkt auch die Gefahr, dass Einsparpotenziale nicht voll ausgeschöpft werden können. Dass die Bedienbarkeit einen wesentlichen Faktor für den Erfolg darstellt wird im Abschnitt Benutzerfreundlichkeit betrachtet.^[65]

Die Vernetzung von Sensoren, Aktoren, Steuerung und Regelung und externen Informationsquellen erfolgt über sogenannte Gateways.

Manche Studien legen nahe, dass durch die vollständige Nutzung aktueller, kleiner in sich abgeschlossener Systeme bereits "zufriedenstellende Resultate" im Bereich der Energieeinsparung erzielt werden können und eine weitere Vernetzung zunächst nicht notwendig ist. Jedoch wird eine vernetzte, intelligente Steuerung auch dort als unverzichtbar angesehen, wo die Energie aus konkurrierenden Energiequellen stammt. So ist ein Szenario denkbar, in dem die Beheizung der Räume und des Warmwassers nicht allein durch einen Brennkessel erfolgt, sondern zusätzlich über Erd- und Sonnenkollektoren realisiert wird. Eine präzise Abstimmung zur Umsetzung von Einsparpotenzialen setzt eine durchgängige Vernetzung voraus, damit in Abhängigkeit von Witterungsbedingungen die Energiequelle mit dem größten Einsparpotenzial genutzt wird.^[66]

Das Ziel ist es, vernetzte Systeme so zu gestalten, dass nicht die Technik an sich im Vordergrund steht, sondern der Nutzen. Ein häufig auftretendes Problem ist, dass die Benutzer viele Möglichkeiten der Systeme nicht kennen und somit auch nicht einsetzen. Daraus ergeben sich nicht realisierte Einsparungen. Dem kann auf zwei Arten entgegen gewirkt werden. Zum einen kann die Benutzung noch intuitiver gestaltet werden und das System durch Vorschläge Hilfestellungen zur Energieeinsparung geben. Zum anderen können weitere Teile durch Automatisierung der direkten Kontrolle des Benutzers entzogen werden und so die Realisierung möglicher Energieeinsparpotenziale begünstigt werden. Die nebenstehende Abbildung zeigt ein Bedienfeld einer Testwohnung. Auf diesem kann der aktuelle Status der Heizungs- und Belüftungsanlage abgelesen werden. Weiterhin ist die Auswahl eines von drei Belüftungsprogrammen möglich. Genauer kann der Benutzer das Belüftungssystem nicht ansteuern.

Eine nicht repräsentative Studie der Universität Stuttgart kommt zu dem Ergebnis, dass die Bewohner eines Smart Homes trotz persönlicher Einweisung die Möglichkeiten des Systems nicht voll nutzten. Das lag laut den Autoren der Studie daran, dass die Bewohner den Einfluss einzelner Komponenten auf das Gesamtsystem nicht korrekt einschätzen konnten. Auch die teilweise falsche Anwendung des Systems verhinderte dort Einsparungen.^[67]

Der Ausdruck Smart Metering ist ein Kunstwort aus dem englischen 'smart', was in diesem Zusammenhang für intelligent bzw. kommunikativ steht und der Partizip Präsens Form von 'to meter', was messen bedeutet.

Smart Metering bezeichnet ein Vorgehen, bei welchem dem Kunden anstatt des weit verbreiteten elektromechanischen Ferrariszählers mit der klassischen Drehscheibe ein digitaler kommunikativer Stromzähler installiert wird. Dieser verbraucht trotz der zusätzlichen Elektronik rund 2,5W weniger Energie.^[68] Der Energieverbrauch wird leicht lesbar in digitaler Form auf einem Display angezeigt. Zusätzlich kann der aktuelle Verbrauch auf Anzeigetafeln innerhalb der Wohnräume dargestellt werden. Dadurch kann der Benutzer relativ einfach erkennen, welche Verbraucher einen besonders hohen Verbrauch verursachen. Defekte Geräte verbrauchen oftmals unbemerkt hohe Mengen an elektrischer Energie bevor sie ersetzt werden. Außerdem kann der Benutzer erkennen, ob noch Geräte eingeschaltet sind ohne diese dazu räumlich aufsuchen zu müssen, was insbesondere zum Beispiel bei im Keller befindlichen Geräten wie Waschmaschinen den Komfort erhöht.

Der intelligente Stromzähler unterstützt verschiedene Kommunikationsschnittstellen, sowie eine Preissignalverarbeitung. Die Kommunikationsschnittstellen erlauben es dem Anwender direkt per Webinterface auf den Stromzähler zuzugreifen und so detaillierte Daten über den aktuellen und historischen Energieverbrauch ablesen zu können. Versorger, deren Zähler dies nicht unterstützen, bieten dem Kunden meist auf ihrer Website im Internet die gesammelten Daten der Zähler an. Diese werden in beiden Fällen kundenfreundlich aufbereitet und verdeutlichen so Lastwechsel und Spitzenverbräuche. Durch die automatische Übertragung der Daten vom Kunden an den Versorger entfällt der jährliche Ablesetermin und der Versorger kann durch die Echtzeitinformationen Netze und Kraftwerksauslastungen besser planen, sowie gezielter auf Veränderungen reagieren. Die Preissignalverarbeitung im Stromzähler kann dazu genutzt werden, in Zeiten preisgünstigen Stroms (Überschuss im Netz) Signale an die Zähler zu senden, die daraufhin Waschmaschinen, Spülmaschinen und Trockner starten, sofern der Kunde dieses Verhalten wünscht. Der Effekt des Energiesparens ist allerdings eher psychologischer Natur. Durch die Konfrontation des Bewohners mit detaillierten Informationen über seinen Verbrauch wird er zum Energiesparen angeregt. Er sieht unmittelbar, wie viel Energie er verbraucht und somit wie viel Kosten er verursacht. Ziel dieser Produkte ist es daher, den Kunden für seinen Energieverbrauch zu sensibilisieren und zum Sparen anzuregen.

Hintergrund des Smart Metering ist die EU Richtlinie 2006/32/EG vom 5. April 2006 über die Steigerung der Endenergieeffizienz und Energiedienstleistungen, die am 17. Mai 2006 in Kraft getreten ist. Ziel ist eine Erhöhung der Endenergieeffizienz auf der Nachfrageseite in der EU. Zudem soll die Abhängigkeit der EU von Energieimporten verringert und die Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit erhöht werden. Zu diesem Zweck betreiben viele Energieversorger (SVO, Yello, RWE, etc.) bereits Studien über den Einsatz der intelligenten Zähler. Zukünftig ist zudem vorgesehen, auch Informationen über den Gas- und Wasserverbrauch über intelligente Zähler an den Energieversorger zu senden. ^{[69] [70] [71] [72] [73]}

Einsparungen im Bereich Beleuchtung lassen sich durch verschiedenste Maßnahmen erreichen, wobei der Begriff Beleuchtung im Weiteren auch den Begriff Beschattung umfasst. Die zuständige EU-Kommission forciert derzeit den Austausch aller herkömmlichen Glühlampen durch Energiesparlampen. Dadurch sollen sich allein in Deutschland bei vollständiger Umrüstung 7,5 Milliarden kWh an Strom einsparen lassen.^[74]

Neben dem Austausch der Leuchtmittel ist es möglich durch den Einsatz vernetzter Haustechnik Energie einzusparen und die Behaglichkeit zu verbessern. Im Wesentlichen lassen sich zwei Bereiche identifizieren, in denen durch die intelligente Beeinflussung der Beleuchtung Energie gespart werden kann. Der erste Bereich umfasst die Nutzung der solaren Wärmestrahlung. Das bedeutet, dass unter Umständen schon der Sonnenlichteinfall in einen Raum genügt, um die gewünschte Solltemperatur zu erreichen. Der zweite Bereich umfasst unter anderem die anwesenheitsgesteuerte und situationsabhängige Beleuchtung.

Damit das System die Beleuchtung nach Benutzervorgaben optimal steuern kann, sind eine Reihe von Sensoren nötig, die das System mit Informationen versorgen. Dazu kommen dieselben Sensoren zum Einsatz, die schon im Kapitel Heiz- und Belüftungskonzepte vorgestellt wurden.

Im Gegensatz zur Temperaturmessung ist die Messung der Ausleuchtung von Räumen komplizierter. Besonders die Messung von Mischlicht, also Tages- und Kunstlicht, stellt hohe Anforderungen an den Sensor und dessen Position sowie Ausrichtung.

Im Bereich der Beleuchtungssteuerung gibt es zwei Felder in denen Aktoren eingesetzt werden. Einerseits als Schalter und Dimmer andererseits als Motoren für Rollläden, Jalousien und ähnliches. Das Hauptproblem besteht auch hier wieder in der Integration in das Gesamtsystem, da viele Hersteller den Anschluss an ein Bussystem bisher nicht vorgesehen haben. Einige Hersteller bieten aber mittlerweile Geräte an, mit denen die Kopplung zum Beispiel an den EIB durchgeführt werden kann.

Zur Realisierung der Einsparpotenziale gibt es verschiedene Ansätze, welche in der nachfolgenden Tabelle dargestellt sind.

Tabelle 3: Ansätze zur Energieeinsparung, angelehnt an Veit J., Schmidt P. (2008), S. 221

Ansatz	Einsparpotenzial in %	Begünstigende Einflussfaktoren
Konstantlichtregelung (präsensabhängig, gedimmt)	35-55	- gute Tageslichtversorgung - hohe Beleuchtungsstärke - besonders Energieeffizient mit Lamellennachführung
Automatiklicht (präsenz-/ helligkeitsabhängig, geschaltet)	25-45	- gute Tageslichtversorgung - hohe Beleuchtungsstärke
Sonnenautomatik	5-10	- gute Tageslichtversorgung
Lamellennachführung	10-20	- gute Tageslichtversorgung - besonders Energieeffizient mit Konstantlichtregelung

Der Ansatz der Konstantlichtregelung hat zum Ziel, ein vordefiniertes Helligkeitsniveau zu halten. Durch Sensoren wird die Helligkeit im Raum bestimmt und entweder mit Hilfe von Dimmaktoren der Kunstlichtanteil oder über Jalousien bzw. Rollläden der Tageslichtanteil verändert. Mit 35 bis 55% bietet dieser Ansatz das Größte Einsparpotenzial.^[75]

Das helligkeitsabhängige Automatiklicht ist eng mit der Konstantlichtregelung verwandt. Jedoch kommen hier keine Dimmer sondern Schaltaktoren zum Einsatz, wodurch die Regelung nicht so exakt vorgenommen werden kann. Daher liegt das Einsparpotenzial hier rund fünf Prozentpunkte niedriger.^[75]

Diese beiden Ansätze können genutzt werden, wenn es sich um Räume mit Fensterflächen handelt. Je größer dabei die Fensterfläche ist, desto mehr Energie kann eingespart werden. Das Einsparpotenzial hängt zusätzlich noch von der Ausrichtung der Fenster und der umliegenden Bebauung ab.

In Räumen ohne direkten Tageslichteinfluss wie Fluren oder Kellern kommt das sogenannte Automatiklicht zum Einsatz. Die Schaltung der Lichtquellen erfolgt rein anwesenheitsbasiert. Dadurch wird neben der Energieeinsparung auch ein Komfortgewinn erzielt, indem das Licht automatisch ein- und ausgeschaltet wird. Die Einsparung ergibt sich dadurch, dass nicht vergessen werden kann die Lichtquellen abzuschalten. Aus diesem Grund hängt das Einsparpotenzial eng mit der Frequentierung der Räume zusammen.^[75]

Der Ansatz der Sonnenautomatik ist eine einfache Form des Blendschutzes bzw. der Verhinderung von unnötiger Aufheizung. Die Abgrenzung zum Heizungssystem verschwimmt also an dieser Stelle. Abhängig von Einstrahlwinkel, Intensität, Innentemperatur und Nutzung des Raumes wird ein Blendschutz heruntergefahren. Die mögliche Einsparung an Energie beträgt rund fünf bis 10% neben dem nicht in Zahlen quantifizierbaren Komfortgewinn.^[75][76]

Die Lamellennachführung ist eine Weiterentwicklung der Sonnenautomatik. Hier wird zusätzlich der Anstellwinkel der Lamellen der Jalousie gesteuert. Dadurch kann der Anteil diffusen Tageslichts innerhalb des Raumes erhöht werden und dadurch gegenüber der Sonnenautomatik ein um ca. fünf Prozentpunkte höheres Einsparpotenzial realisiert werden.^[75]

Die oben genannten Ansätze können teilweise auch kombiniert werden. So kann zusätzlich zur Konstantlichtregelung eine Lamellennachführung installiert werden. Dadurch kann die Ausleuchtung des Raumes differenziert gesteuert und der Bedarf an Energie minimiert werden. Denkbar ist auch die Situation, dass die Raumtemperatur unterhalb des Soll-Wertes liegt. Das System hat nun die Möglichkeit Wärmeenergie über die Heizung zuzuführen. Alternativ kann aber auch das einfallende Sonnenlicht genutzt werden, welches unter Umständen schon ausreicht, um den Raum innerhalb einer angemessenen Zeitspanne auf die Soll-Temperatur zu heizen.^[77]

Vor dem Hintergrund des steigenden Energiebedarfs im privaten Sektor und der Fortschritte im Bereich der Gebäudeautomation geht der Trend zu vernetzten Systemen. Dieser Trend wird allerdings nicht nur durch Energieeinsparpotenziale vorangetrieben, sondern auch durch die neuen Möglichkeiten zur Wohnqualitätssteigerung, die diese Technik bietet. In den vorherigen Kapiteln wurden Möglichkeiten aufgezeigt, den Energieverbrauch durch den Einsatz vernetzter Haustechnik zu senken. Die Frage die sich in diesem Zusammenhang stellt ist allerdings, wie viel Vernetzung nötig ist, um unter Berücksichtigung der dadurch entstehenden Kosten ein möglichst großes Energieeinsparpotenzial realisieren zu können. Des Weiteren ist eine Quantifizierung des Einsparpotenzials nur schwer durchführbar, da die erzielbaren Einsparpotenziale sehr von den Gegebenheiten vor Ort abhängen. Weiterhin ist sich die Literatur nicht einig darüber, ob der Zusatznutzen der Vernetzung den Aufwand tatsächlich rechtfertigt.

Mit der Verfügbarkeit von Systemen der dritten Generation dürfte der Vernetzungsgrad von Haushalten deutlich zunehmen. Unterstützt wird dieser Prozess dadurch, dass bei Neubauten im privaten Sektor bereits heute in vielen Fällen ein Bussystem mit installiert wird, wodurch die nachträgliche Vernetzung bzw. das Hinzufügen von Komponenten wesentlich erleichtert wird. Das Kapitel Heiz- und Belüftungskonzepte hat gezeigt, dass sowohl bei einem Neubau, als auch bei der Sanierung einer bestehenden Wohneinheit die größten Optimierungen durch bauliche Maßnahmen erzielt werden können. Die Vernetzung kann an dieser Stelle Einsparpotenziale heben, indem sie das Zusammenarbeiten vormals abgeschotteter Systeme ermöglicht und optimiert.

Ein wesentlicher Zusatznutzen der Vernetzung liegt für den Benutzer im Komfort. Hier kann man unter anderem die automatische Steuerung der Beleuchtung, der Lüftung und der Heizung nennen. Der Benutzer nutzt im optimalen Fall genau eine Schnittstelle und erreicht dadurch sämtliche an das System angeschlossene Geräte. Er macht Vorgaben bzw. stellt Soll-Werte ein. Diese werden dann durch die Middleware als Abstraktionsebene möglichst energieeffizient umgesetzt. Die Bedienbarkeit ist mit ihren Funktionalitäten aber auch ein nicht zu unterschätzender Faktor. Durch ihre Einfachheit können Benutzer Eingaben tätigen, über deren Tragweite sie sich in Hinblick auf den Energieverbrauch nicht im Klaren sind, so dass der Verbrauch ansteigt. Gleichzeitig birgt sie auch die Gefahr, dass durch die einfache Nutzung aus Bequemlichkeit Vorgaben gemacht werden, die anschließend zu einem insgesamt höheren Energieverbrauch führen. So lässt sich der Benutzer eventuell das Badezimmer vor dem Aufstehen automatisch vorheizen, was er früher nicht getan hätte. An diesem einfachen Beispiel kann man erkennen, dass das Verhalten der Benutzer wesentlich zur Realisierung von Einspareffekten beträgt.

Eine wichtige Rolle werden in der Zukunft zudem erneuerbare Energiequellen spielen. Dabei werden sich neue Herausforderungen an Lastverteilung und Energieeinspeisung richten, wenn die privaten Haushalte nicht nur als Konsumenten, sondern gleichzeitig auch als Produzenten auftreten. Produzenten sind sie in dem Sinne, als dass sie überschüssige produzierte elektrische, wie auch thermische Energie in ein öffentliches Netz einspeisen. Die Koordination einer solch dezentralen Energieversorgung ist ohne Vernetzung aufgrund des Informationsmangels kaum zu realisieren. Auch eine Abrechnung wäre nicht zu leisten.

Derzeit ist der Einsatz eines voll vernetzten Hauses im privaten Bereich allerdings noch wenig sinnvoll, da die Komponenten zur Vernetzung mehr Energie verbrauchen, als tatsächlich eingespart werden kann. In Zukunft dürften jedoch Systeme entwickelt werden, die die Vernetzung bei weit weniger Eigenverbrauch bereitstellen können. Viele Systeme befinden sich zurzeit noch im Entwicklungsstadium und werden unter anderem an Hochschulen erforscht, so dass bis zu ihrer Praxisreife noch einige Zeit vergehen wird. Im Gegensatz zum privaten Sektor ist ein hoher Vernetzungsgrad im gewerblichen Sektor bereits heute vorhanden. Bei der Planung von Bürogebäuden werden die vorgestellten Techniken berücksichtigt und umgesetzt.