Fernwirktechnik - Hausautomation - Künstliche Intelligenz

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
Abkürzungen im SHK-Handwerk
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Zur Fernsteuerung, Fernüberwachung und Fernwartung räumlich entfernter technischer Anlagen wird die Fernwirktechnik eingesetzt. Dabei handelt es sich um signalumsetzende Verfahren.
Fernwirktechnik zur Steuerung industrieller Anlagen wird aufgrund steigender Anforderungen an Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit zur Überwachung und Steuerung für automatisierte Anlagen, die räumlich weit von der Leitstation entfernt sind, eingesetzt.
Zunehmend wird eine (Fern-)Steuerung der Heizungsanlage per Netzwerk, Internet oder über App's vom Handy (iPhone bzw. Tablet) angestrebt. Sinnvoll sind diese Einrichtungen z. B. für Ferienhäuser bzw. Ferienappartments oder wenn man unregelmäßig nach Hause kommt. Aber auch technikbegeisterte Betreiber sind auf der Suche nach geeigneten Lösungen. Ob es sich als wirklich wichtig und sinnvoll durchsetzt, wird die Zukunft zeigen. Vielleicht handelt es sich hier auch nur ein Hype, wie es vor Jahrzehnten bei dem " Smart Home" (intelligentes Haus) der Fall war, aber durch " Smart Grid" (intelligentes Stromnetz) wieder aktuell wird.

Der neueste Trend ist die Künstliche Intelligenz (KI [engl. AI - artificial intelligence]), die ein Teilgebiet der Informatik ist und sich sich mit dem maschinellen Lernen und der Automatisierung intelligenten Verhaltens befasst.

Bei der Fernwirktechnik werden die Prozessdaten durch spezielle Datenübertragungsprotokolle sicher über Weitbereichsnetze (Telekommunikationsnetze) geringer Bandbreite und Übertragungsqualität übertragen. Eine Fernwirkanlage besteht aus Prozessbaugruppen (Schnittstelle zwischen Prozess- und Systembus passen die Signalpegel an die Prozessbedingungen an. Ihre Funktion besteht in der Analog /Digital-Umwandlung und der Digital/Analog-Umwandlung von Informationen), einem Systembus einer Steuereinheit bzw. Zentraleinheit und einem Sende-/Empfangskopf , der die Schnittestelle zur Übertragungstechnik bildet.
Einsatzgebiete sind z. B.:
- Fernsteuerung und Überwachung von haus- und betriebstechnischen Anlagen (Heizung, Lüftung, Beschattungen, Fenster, Brandschutzeinrichtungen, Haushaltsgeräte)
- Gefahrenmeldung (Einbruch, Feuer, Notruf)
- Steuerung und Kontrolle des Energieverbrauchs (Gaszähler, Stromzähler)
- Steuern von Versorgungsnetzen (Fernwärme, Gas, Wasser, Strom)
- Steuern von Straßenverkehrsanlagen (Lichtzeichenanlagen, Straßenbeleuchtung, Eisfreihalteanlagen
Folgende Telekommunikationsnetze werden zur Datenübertragung genutzt.
-  Analoges Telefonnetz über Modem
-  Standleitungen (Kupferadern und Glasfaser)
-  Mobilfunk-Netze (D-Netz, E-Netz [ GPRS]), GSM, 900 MHz und 1800 MHz
-  Private Funknetze
-  Satellitenkommunikation

Die Hausautomation (HA) und im weiteren Sinne die Gebäudeautomation (GA) befasst sich mit den Steuer-, Regel-, Überwachungs- und Optimierungseinrichtungen (Gebäudeleittechnik [GLT]) in privaten Wohnhäusern bzw. Gebäuden (Wohn- und Gewerbegebäude). Hier werden die Funktionsabläufe, die immer gewerkeübergreifend sind, so eingestellt, dass sie automatisch (selbstständig), durchgeführt oder bedient bzw. überwacht weren können. Dazu müssen alle Einstellwerte (Parameter) in eine spezielle Software (Building Management System [BMS]) eingegeben werden. Dazu werden alle Sensoren, Aktoren, Bedienbauteile, Verbraucher und andere technische Einrichtungen im Gebäude miteinander verbunden bzw. vernetzt.
Die Hausautomation (Teilbereich der Gebäudeautomation) befasst sich hauptsächlich mit privaten Wohnhäuser und ist auf erhöhten Wohnkomfort, die Sicherheit der Bewohner und die Überwachung mehrerer Wohnsitze durch die Fernwirktechnik ausgerichtet. Die Automatisierung von öffentlichen Gebäuden und Industriegebäuden soll Energie- und Personaleinsparungen bewirken.
Um diese Technik sinnvoll einzusetzen, sind fundierte Fachkenntnisse, z. B. in der Elektro-, Heizungs-, Kälte- und Lüftungstechnik, eine notwenige Voraussetzung, damit die gewünschten Funktionen voll ausgeschöpft werden können.
Aufgrund des Umfangs der technischen Anforderungen hat sich das technische Facilitymanagement entwickelt.

Die Ziele der Gebäudeautomation sind
-   die Heizung, Lüftungsanlage oder Klimaanlage bedarfs- und zeitgerecht steuern
-   die Daten für Wartung und Inspektionen aller technischen Anlagen erfassen und evtl. Korrekturen vornehmen
-   die Verbrauchsdatenerfassung von Wärmezählern, Wasserzählern, Gaszählern und Stromzählern
-   die Verschattungseinrichtungen in Abhängigkeit von Sonnenlicht und Wind zeit- und bedarfsgerecht steuern
-   die Beleuchtung bedarfs-, tageszeit- bzw. jahreszeit- und bewegungsabhängig schalten bzw. dimmen
-   mit Funk- oder Infrarotfernbedienung schalten bzw. dimmen
-   Zutrittskontrollsysteme realisieren (Sicherheit erhöhen durch die Überwachung von Fenster- und Türkontakten)
-   der Einsatz von Bewegungsmeldern
-   das Zusammenfassen aller Steuerungsvorgänge im Gebäude (zentral erfassen und anzeigen)
-   die Fernüberwachung und Fernsteuerung über das Telefonnetz oder über das Internet (Fernwirktechnik)
-   die Laststeuerung aufgrund der Verbrauchsdatenerfassung durch sequenzielles Einschalten von Beleuchtungen
-   das Steuern der Mediengeräte, Multiraumsysteme in den Schulungs-, Seminar- und Medienräumen
-   das Steuerung elektrischer Geräte des Alltags, wie Kaffeemaschine oder Radio

Auf diesem Gebiet gibt es verschiedene Systeme bzw. Begriffe (z. B. HomeMatic, SmartHome, intelligentes Haus, Künstliche Intellegenz).

Gebäudeleittechnik

Alle Instrumente (Bauteile der technischen Gebäudeausrüstung, Hard- und Software) zur Haus- bzw. Gebäudeautomation (HA bzw. GA) benötigt werden, sind Bestandteil der Gebäudeleittechnik (GLT). Es handelt sich also nicht nur um die Software, mit der Gebäude überwacht und gesteuert werden. Die von einem Hersteller speziell für ein Gebäude gelieferte oder herstellerunabhängige Gebäudeautomatisierungstechnik (Direct Digital Control–Gebäudeautomation [DDC-GA]) befindet sich auf einem Server. Diese Technik kommuniziert mit dem DDC in dem Gebäude über geeignete Schnittstellen.
Mit der GLT-Software werden die technischen Vorgänge innerhalb des Gebäudes dargestellt. Die Daten der Regler oder der DDC-Unterstationen im Gebäude werden über ein Feldbus gesammelt und zeigen sie dem Anwender. Die Gebäudeleittechnik dient als Nutzerinterface zur Gebäudeautomationstechnik (Managementebene).
Die im Gebäude verteilten DDC-Unterstationen verarbeiten die Steuerungs- und Regelungsaufgaben im Bereich der Heizungs-, Lüftungs- und Lichtsteuerungen. Die laufenden Prozessdaten des Gebäudes werden geloggt. Die mit einem Modem oder Internetprotokoll angebundene Anlagen können überwacht und gesteuert werden. So werden z. B. folgende Daten aufgezeichnet und archiviert
Betriebszustände von
- Lüftungsklappen
- Ventile
- Motoren
- Schalterstellungen
- Störmeldungen
Messwerte
- Temperatur
- relative Feuchte
- absolute Feuchte
- Enthalpie
- Drücke
- externe Sollwerte
- Verbrauchszählerstände
In die GLT können auch auch ein Energiemanagement (Parameteroptimierung und Energieeinsparung), Brandmeldeanlagen, Zugangskontrollsysteme, Verschattungseinrichtungen und Betriebstechniken (Störungsmanagement und Reparatur) eingebunden werden.

Eine spezielle Software ermöglicht eine Bedienung der Zentrale CCU am PC mit einem Standard-Web-Browser (z. B. Internet Explorer ab Version 7). Die Bedienung am Bildschirm ermöglicht eine komfortable und umfangreiche Konfiguration der Geräte. Alle Funktionen lassen sich bequem am Schreibtisch auswählen.
Die Software unterstützt den Anwender bei der alltäglichen Bedienung und unterstützt ihn bei der Programmierung umfangreicher Automatisierungsaufgaben. Verschiedene Ordnungs- und Sortierkriterien ermöglichen es dem Anwender, auch große Systeme mit vielen Komponenten mit einem Blick zu erfassen. So hat er über die Bedienoberfläche den vollen Zugriff auf das HomeMatic System. Jedes einzelne Gerät, jedes Programm lässt sich über das Software-Interface der Zentrale anzeigen und in Echtzeit sofort verändern.
Übersichtliche Seiten mit intuitiv zu bedienenden Elementen ermöglichen den Zugriff auf das gesamte System. Grafische Komponenten und Symbole erleichtern die Orientierung und steigern die Übersichtlichkeit. Jeder Benutzer kann sich individuelle, auf seine Bedürfnisse zugeschnittene Favoritenseiten erstellen.
Durch die übersichtlich dargestellte Programmierlogik werden auch umfangreiche Aufgaben einfach lösbar. Vorkonfigurierte, professionelle Schaltuhren und Timerfunktionen erleichtern das Erstellen zeitgesteuerter Abläufe. Sensorwerte können geprüft, Schaltzustände abgefragt und Aktionen einfach per Tastendruck ausgelöst werden.
Neben der zentralen Steuerung aller Komponenten über die Zentrale CCU ist auch das direkte Verbinden der Geräte untereinander möglich. Dadurch erreicht man eine unabhängige Verknüpfung, die selbst beim Abschalten der Zentrale ihre Funktionen beibehält. Über die Konfigurationsoberfläche lassen sich alle Parameter der Geräte verändern. Neue Verknüpfungen können angelegt und bestehende gelöscht oder verändert werden.

So werden sich beispielsweise Aufgaben und Arbeitsabläufe des Handwerkers verändern. Er wird von intelligenten Geräten bei Reparaturbedarf direkt informiert, arbeitet Hand in Hand mit Baurobotern und kooperiert mit IT-Fachleuten. Die Digitalisierung verändert die Spielregeln der Branchen, eröffnet aber auch neue Möglichkeiten: Wer sie nutzen will, sollte jetzt damit beginnen, sich auf den Wandel einzustellen.

Smart Home 2030: Sechs Thesen, wie die Digitalisierung das Bauen und Wohnen verändert

1. Statt Hardware bestimmt die Software
Computer-Programme definieren, wie wir Wohnungen steuern, überwachen, organisieren und wie die Anbieter planen, bauen und ausstatten: Die Art und Weise, wie all diese Prozesse und Dienstleistungen funktionieren, ist softwaregetrieben. Während es bereits seit längerem automatisierte Infrastrukturen für Beleuchtung, Belüftung oder Heizung gibt, kommen nun immer mehr digitale Dienstleistungen hinzu. Sie werden für Mieter wie Eigentümer erschwinglicher und einfacher zu installieren und zu bedienen. Denn statt komplexen Nachrüstungen braucht es für digitale Plug-and-play-Geräte nur noch einen Internetanschluss. In der Folge wird die Vernetzung im und rund ums Haus zum Standard. Und auch wie Wohnungen geplant und gebaut werden, verändert sich. Digitale Planungstools, virtuelle 3-D-Modelle, Bauroboter: Statt Beton bestimmt 2030 die Software das Bauen.

2. Tradition trifft auf Convenience – das digitale Wohnen wird gemütlicher
Unsere Wohnung wird 2030 wie ein Smartphone funktionieren, aber trotzdem kein Science-Fiction-Haushalt sein. Denn je digitaler unsere Welt, desto stärker keimt als Gegentrend die Sehnsucht nach dem «Realen» und «Authentischen» auf. Viele technologische Innovationen finden deshalb unaufdringlich und im Hintergrund statt. Trotz Vernetzung bleibt das Zuhause gemütlich.

3. Mehr Transparenz bedeutet mehr Sicherheit – und neue Abhängigkeiten
Digitales Wohnen erzeugt enorme Datenmengen. Bewohner werden transparent und machen sich angreifbarer. Das digitale Ökosystem schafft neue, kaum durchschaubare Abhängigkeiten – doch zugleich auch mehr Sicherheit: BewohnerInnen können ihr Zuhause jederzeit und von überall her kontrollieren. Das smarte Haus merkt, wenn mit seinen Bewohnern etwas nicht stimmt: ein großer Mehrwert gerade in unserer alternden Gesellschaft.

4. Wohnen wird nachhaltiger und preiswerter
Infrastruktur, Geräte und Ressourcenverbrauch lassen sich im Smart Home von morgen effizienter steuern. Intelligente Haussteuerung wird deshalb von Politikern (Stichwort: Energiewende) und Konsumenten (Nachhaltigkeit) gefordert.

5. Rundum-Komfort wird wichtiger als die Immobilie
Immobilien lassen sich übermorgen intelligenter bewirtschaften als bislang, zum Nutzen von Mieter und Vermieter. Auch der Einkauf wird zunehmend automatisiert und vereinfacht; intelligente Kaffeemaschinen beispielsweise ersetzen die Kapseln bei Bedarf gleich selbst. Je mehr Dienstleistungen rund ums Haus übers Netz abgewickelt werden, desto attraktiver wird das intelligente Heim für die Nutzer. Vernetzte Komfort-Services rund ums Objekt werden in Entscheidungsprozessen von Bauherren und Mietern einst ebenso eine wichtige Rolle spielen wie die Immobilie selber.

6. Vernetzung ist der Schlüssel zum Erfolg
Ob Strom-, Kommunikations- oder Inneneinrichtungsunternehmen – Anbieter können gemeinsam smartere Services und Produkte anbieten als alleine. Indem sich die verschiedenen Branchen miteinander und über ihre Grenzen hinaus mit Software-Playern vernetzen, entsteht Innovation. Diese Vernetzung muss für den/die EndnutzerInnen unsichtbar sein: Wir wollen nicht unzählige Apps, sondern nur eine zentrale Alleskönner-Plattform. Schon heute rivalisieren zahlreiche Anbieter aller Branchen um diese Schnittstelle zur Kundschaft, bis jetzt hat sich aber keine Plattform durchgesetzt.
Quelle: GDI Gottlieb Duttweiler Institute, KNX CH

Smart Home - Sicherheit
Die Informationstechnik (IT - Informations- und Datenverarbeitung) von Gebäudefunktionen (Smart Home) ist ein ideales Ziel von Angreifern, die sich dort einhacken und neben dem Ausspähen von Daten ein Botnet * einrichten können. Der Hacker agiert passiv und zapft Informationen an. Sicherheitsexperten weisen darauf hin, dass Gebäudefunktionen in Eigenheimen nicht sorglos, also ohne ausreichenden Schutz, mit dem Internet verbunden werden sollen.
Die Hacker sind in der Lage, aktiv in die Systeme einzugreifen. In vielen Fällen sind die Systeme nicht sicher und lassen sich nur mit großem Aufwand erneuern. Zur Zeit wird an einer Software gearbeitet, die Hackerangriffe abwehrt, bevor sie die Gebäude erreichen. Die Angriffe durch Botnets auf Smart Homes sind real. So können z. B. über das Internet gesteuerte Rollläden, Heizungen oder Schließsysteme für derartige Attacken genutzt werden. Der Hacker hat es dabei nicht wie bisher auf die Computer abgesehen, sondern auf diejenigen Komponenten der Gebäudeautomation, die Häuser mit dem Internet verbinden. Wichtig ist, dass die Antiviren-Software und eine Software-Firewall immer auf dem neuesten Stand gehalten werden.
*Botnet (Bots - robots) Angreifer infiltrieren mehrere Rechner, ohne das die Eigentümer es merken, schließen diese zu Netzen (nets) zusammen und missbrauchen sie dann für Computerattacken (Datendiebstahl, Spam, Proxy Standby, Click Fraud, Rogue AV, DDoS-Angriff).
Viele Nutzer von Fernsteuerungen über ein eigene Netz und per Smartphone können sich nicht vorstellen, welche Manipulationen vorgenommen werden können. Es sind Millionen von WLAN-Router installiert, die überhaupt nicht oder nur über Standardpasswörter gesichert sind. Hier steht die private Smart-Home-Technik den Hackern angelweit offen. Viele Smart Home-Systeme haben keine Verschlüsselungen. Hier können die Angreifer alle Vorgänge protokollieren (Heizung, Strom, Licht, Bewegungsmelder, Kamera, Alarmanlage). Dadurch wissen sie z. B., wann die Bewohner das Haus verlassen und können die vernetzte Alarmanlage stromlos schalten, um das Haus auszuräumen.

Sicherheitsrisiko Smart Home - Die Hacker kommen durch den Kühlschrank

Smart Building: der Nutzer im Mittelpunkt

Künstliche Intelligenz

Die Künstliche Intelligenz (KI [engl. AI - artificial intelligence]) ist ein Teilgebiet der Informatik, das sich mit dem maschinellen Lernen und der Automatisierung intelligenten Verhaltens befasst. Hier besteht aber erst einmal die Frage, was ist unter "Intelligenz" zu verstehen. Diese Technik wird schon in vielen Bereichen unseres Lebens eingesetzt, ohne dass wir es merken bzw. wissen.
Zur Zeit wird an vielen Projekten z. B. in der Automobilindustrie, im Gesundheitswesen, im Bank-, Finanz- und Versicherungsbereich, der Raumfahrt und im Immobiliensektor gearbeitet. Eine Voraussetzung ist die Entwicklung einer passenden Software und eine ausreichende fachliche Betreuung. Hier bietet z. B. die FPT Software zahlreiche Lösungen und Dienstleistungen  an.
So ist z. B. die Automobilindustrie von drei wichtigen Entwicklungen betroffen (die Umstellung auf Elektrofahrzeuge, Internet of Vehicle für Verbindungen zwischen Fahrzeugen und die Verbindungen zwischen Fahrzeugen und Infrastruktur, Autonomes Fahren).
Auch in Heizungsanlagen hat die Künstliche Intelligenz bereits Einzug gehalten. In Büro- und Einzelhandelsimmobilien und in Mehrfamilienhäusern werden heute schon Prognoseverfahren eingesetzt, um die Wärmeerzeugung besser an den Bedarf anzupassen. Hier muss das KI-System das Gebäude verstehen lernen. So z. B. wie dessen thermodynamische Eigenschaften sind (wie viel Wärme speichern Wände und Böden, wie verhält es sich bei der Sonneneinstrahlung) Dazu wird die Software mit einer Vielzahl von Daten gefüttert. Die Temperaturen und die Raumluftfeuchte in den einzelnen Räumen, mit Betriebsdaten der Heizung (z. B. Absenkzeiten) und Wetterdaten (Sonneneinstrahlung, Außentemperatur, Luftfeuchte). Anhand dieser Informationen erkennt sie Muster, aus denen sie dann ableiten kann, wann wie stark geheizt werden muss, damit die gewünschten Raumtemperaturen erreicht werden. Da die Außentemperatur und die Sonneneinstrahlung durch die Fenster dabei wichtige Faktoren sind, berücksichtigt sie auch Wetterprognosen. Zudem arbeiten die Systeme mit Feedbackschleifen, sodass die Steuerung stetig genauer wird.
Über die Höhe der Energieeinsparung, die mit dieser Künstlichen Intelligenz erreicht werden kann, wird unter Fachleuten heftig gestritten. Die Prognosen liegen zwischen 5 bis 30 %. Bei den höheren Prozentzahlen wird sicherlich ein schlechter Ausgangszustand der Anlagen bzw. der Gebäude angenommen.
Natürlich wird die KI auch in Einfamilienhäusern und Wohnungen über die Smart-Home-Technik und Smart Building zunehmend eingesetzt werden. Ob sich die Anwender über die Folgen der dieser Technik im Klaren sind, wage ich zu bezweifeln.
Ein wichtiger Punkt für die Akzeptanz bzw. der Einführung der Künstlichen Intelligenz ist, dass die Nutzer der Gebäude in Kauf nehmen müssen, dass die Software-Hersteller erfahren, wann und wie welche Räume genutzt werden. Die Daten lassen Rückschlüsse auf den Alltag der Haushalte bzw. der Nutzer zu. Es werden viele Menschen nicht bereitet sein, so viel Transparenz ihrer Privatsphäre zuzulassen.

Low Tech / Light Tech / High Tech
Diese Begriffe befassen sich mit dem Einzug der Informationstechnologie im Bauwesen. Dabei geht es um Konzepte des nachhaltigen Bauens und den existierenden Möglichkeiten der Gebäudeoptimierung, die mit Informations-, Kommunikations- und Gebäudeautomatisations-Systemen verknüpft sind. Sie befassen sich mit den Richtungen, welche bei zukünftigen Planungsaufgaben angewendet werden können.

Low Tech - Light Tech
Low Tech steht für, Gebäude einfach zu gestalten und so weit wie möglich direkt mit den natürlichen Ressourcen der jeweiligen Umgebung zu betreiben. Der Grundsatz ist die Nachhaltigkeit. Light Tech weist zusätzlich darauf hin, daß es notwendig ist, nicht nur recyclingfähige Baustoffe einzusetzen, sondern vielmehr Bauten so zu entwickeln, daß sie möglichst ressourcensparend geplant sind. Dabei wird bei den grundlegenden Funktionen (z. B. Heizen, Kühlen, Lüften, Belichten und Beschatten) ein möglichst geringer Technikeinsatz (wenig Elektronik, wenigier "Smart Home") angestrebt.
Bei dem Material liegt der Schwerpunkt auf dem Einsatz natürlich vorkommender Baumaterialen und Baustoffe. Diese sollen einerseits einen minimalen Verbrauch an grauer Energie und ein Maximum an Up-/Recyclingfähigkeit aufweisen. Außerdem ist ein bewusster und ökonomischer Umgang mit Material anzustreben und spezifische Materialeigenschaften zur Technikvermeidung zu nutzen und bei den Systeme ist ein suffizienter Umgang anzustreben.
Hier ist eine Veränderung des menschlichen Lebensstils, Ressourcen einzusparen, notwendig. Die Grundlage der Suffizienz sind nicht die technischen Neuerungen, sondern das Verhalten der Menschen. Besondere Baustandards oder eine lange Nutzungsdauer sind Beispiele, die von einem suffizienten Umgang mit vorhandener Ressourcen ausgehen. Diese suffiziente, robuste und kosteneffiziente Bauweise bezieht sich auf einen reduzierten Technikanteil über den gesamten Lebenszyklus (Herstellung – Betrieb – Rückbau)

Mit einfachen Worten, bei der Low-Tech geht es um eine
• einfache Herstellung
• einfache Funktion
• einfache Bedienung
• einfache Wartung
• lange Lebensdauer bzw. Nutzungsdauer der Bauteile.

Es geht also um das bewusste Verzichten einer komplizierten umfangreichen Technik und das Nutzen einfacher Wirkprinzipien. Diese Art zu bauen könnte ein Beitrag sein, die immer mehr steigenden Baukosten zu senken.
Ein typisches Beispiel für die Low-Tech-Anwendung ist der Verzicht einer Einzelraumregelung (ERR) bei einer Fußbodenheizung. Dabei ist die Regelung der Heizkreise durch Stellantriebe nicht notwendig, weil der Selbstregeleffekt genutzt wird. Der Verzicht muss aber bei dem Bauamt beantragt werden (Befreiung von der EnEV), da die EnEV eine ERR vorschreibt.
Low-Tech ist eine Konstruktionsphilosophie, die den Gegenpol zur High-Tech bildet.

Low Tech - High Effect! Eine Übersicht über nachhaltige Low-tech Gebäude: realisierte Beispiele, innovative Ansätze, Prinzipien und systemische Lösungswege
Low Tech - "weniger Technik durch mehr Architektur"
Das energieeffiziente Low-Tech-Haus