Implementation des Monitoring-Systems

Als Planungsgrundlage für die energetische Optimierung und die effiziente Weiterentwicklung des Hochschul-Campus Berlin-Charlottenburg sowie zur Überprüfung der Wirksamkeit der getroffenen Maßnahmen ist es notwendig, für die einzelnen Gebäude und Anlagen eine Vielzahl von Betriebs-, Klima- und Nutzungsdaten in angemessener Qualität und Auflösung zu erheben. Der Aufbau einer geeigneten einheitlichen und zuverlässigen Monitoring-Infrastruktur für den gesamten Hochschul-Campus Berlin-Charlottenburg ist daher wesentlicher Bestandteil der 1. Umsetzungsphase des Projekts EnEff:HCBC.

 

1. Basissystem und Ressourcen

Abbildung 1: Das Energy Monitoring Unit im Rechenzentrum der UdK Berlin

Auf Grundlage des in diesem Blog bereits vorgestellten Monitoring-Konzepts wurde im Rechenzentrum der UdK Berlin eine virtuelle Maschine als Energy Monitoring Unit (emu) eingerichtet. Hier sind die notwendigen Basiskomponenten der Infrastruktur angesiedelt:

  1. InfluxDB OSS: Eine zeitreihenbasierte, cloud-unabhängige Open-Source-Datenbank mitAPI.
  2. Influx Telegraf: Ein universeller Open-Source-Server-Agent für den Empfang, die Konvertierung, die Aufbereitung und den Versand von Messdaten in einer Vielzahl von Formaten und Protokollen.
  3. Eclipse Mosquitto: Ein Open-Source-MQTT1-Broker zum systemunabhängigen Austausch von Messdaten zwischen verschiedenen Monitoring-Ressourcen.
  4. Grafana OSS: Ein cloud-unabhängiger Open-Source-Dienst zur Bereitstellung von Abfrage-, Filter-, Visualisierung- und Alarmierungswerkzeugen.

Sämtliche Dienste des emu sind zertifikatsgeschützt und nur für registrierte und verifizierte Nutzer zugänglich.

2. Monitoring zu Klima und Hygiene in Arbeitsräumen

Als Folge des Klimawandels steigt die Zahl der Überhitzungsereignisse in den Gebäuden des Hochschul-Campus Berlin-Charlottenburg deutlich. Aus arbeitsrechtlicher Sicht entsteht daraus vermehrt die Notwendigkeit, Arbeitnehmer vor unzumutbaren Raumtemperaturen zu schützen. Darüber hinaus zeigte die Corona-Pandemie, dass regelmäßiger und ausreichender Luftwechsel eine sinnvolle und wirksame Maßnahme zur hygienischen Abwehr aerosolübertragener Infektionskrankheiten darstellt. Es ist absehbar, dass die Überwachung z.B. des CO2-Gehaltes der Raumluft als Indikator für den aktuellen Lüftungsbedarf in Arbeitsräumen zum Standard werden wird (”Lüftungsampel”).

Zum Sicherstellung und zum Nachweis arbeitsrechtlich einwandfreier raumklimatischer Bedingungen ist das Monitoring entsprechender Parameter idealerweise in allen, mindestens aber in ausgewählten, raumklimatisch repräsentativen Räumen der betroffenen Gebäude unabdingbar. Das System dient dabei einerseits als Zustandsreferenz für die Gebäudeleittechnik, soll aber andererseits bei Werten außerhalb des akzeptierten Sollbereichs auch Warnungen absetzen, ggf. Arbeitsfreistellungen empfehlen und diese wie auch die auslösenden Parameter dokumentieren.

 

2.1. Erhebung von Daten zur Vermeidung von Hitzestress

Abbildung 2: Verwaltungsgebäude der Universität der Künste am Einsteinufer 43 aus dem Jahr 1962, Quelle: Apple Maps

Als Einstieg in das Raumklima-Monitoring für Zwecke des Arbeitsschutzes wurden erste Sensoren im Verwaltungsgebäude der Universität der Künste am Ein- steinufer 43 (s. Abbildung 2) installiert, da dieses auf Grund seiner Bauart aus den 60er Jahren in besonderem Maße zu sommerlicher Überhitzung neigt. Im Jahr 2023 sollen die gesamte Fassade sowie Teile des Daches des Gebäudes energetische saniert werden, so dass hier durch das Monitoring eine Vorher-Nachher-Betrachtung möglich wird.

Abbildung 3: Detailliertes IDA ICE-Gebäudemodell für das Bürogebäude mit ca. 180 thermischen Zonen

Im Rahmen des Arbeitspaketes Wissenschaftliche Begleitung der Planung und Umsetzung stand ein mit Hilfe des Simulationsprogramms IDA ICE erstelltes hochauflösendes Modell (s. Abbildung 3) zur Verfügung, an Hand dessen eine Anzahl thermisch besonders exponierten Positionen des Ist-Zustands identifiziert wurden.

Abbildung 4: NBS-160/180 Raumsensoren für Temperatur und Luftqualität mit akustischem und optischem Feedback und Narrowband-IoT-Konnektivität (rechts, Quelle: Pikk Systems), Stichprobenpositionen im Gebäude Einsteinufer 43 (links)

Um den raumklimatischen Gesamtzustand des Gebäudes in sommerlichen Überhitzungsperioden zur Vermeidung von Hitzestress abzubilden, werden in den entsprechenden Räumen Raumsensoren des Typs Pikkerton NBS-160/180 (s. Abbildung 4) installiert.

Abbildung 5: Raumklimawerte eines Büroraumes mit Fassade in Ost-Ausrichtung

Die Temperatur, die relative Feuchte und der CO2-Gehalt der Raumluft werden dort in 15-Minuten-Intervallen erfasst, als MQTT-Nachricht codiert und über Narowband-IoT an die emu-Infrastruktur weitergeleitet.

Die Influx-Datenbank prüft die eingehenden Werte automatisch und benachrichtigt die entsprechenden Stellen per Mail oder Messenger ggf. von der Über- und/oder Unterschreitung gegebener Grenzwerte.

2.2. Datenschutz und Datensicherheit

Die Messung und Speicherung von Raumklimadaten lässt unter bestimmten Umständen Rückschlüsse auf den Aufenthalt und das Verhalten einzelner Personen bzw. Personengruppen zu. Da die allgemeine Rechtslage zum Datenschutz im energetischen Monitoring seitens des Gesetzgebers nicht abschließend geklärt ist, werden die entsprechenden Rahmenbedingungen zu Art, Umfang und zulässiger Nutzung der entsprechenden Daten zur Zeit individuell geprüft.

3. Monitoring von Energieverbrauchswerten

Die Energieverbrauchswerte für Fernwärme und Strom der Gebäude der UdK Berlin werden über das EDL-Portal der Energiewirtschaftsstelle des Landes Berlin (unter david.berlin) in 15-Minuten-Auflösung bezogen und per MQTT an emu gesendet.

Abbildung 6: Verwaltungsgebäude Einsteinufer 43: Über david.berlin bezogene Fernwärme- und Stromverbräuche der Jahre 2019 bis 2021

Wie in Abbildung 6 dargestellt kann über david.berlin kann auch auf historische Energieverbrauchswerte die mehrere Jahre zurückliegen zugegriffen werden. Auch diese werden soweit sinnvoll in die Datenbasis des emu aufgenommen.

4. Weiterer Ausbau

Im Verlauf des Jahres 2022 sollen weitere Datenquellen eingebunden werden:

  • Raumklimadaten weiterer Gebäude der Udk
    • Jazzinstitut Berlin (Einsteinufer 43–53)
    • Berlin Open Lab (Einsteinufer 43–53)
    • Hauptgebäudes der UdK Berlin (Hardenbergstrasse 33)
    • Konzertsaal der UdK Berlin (Fasanenstraße 1b)
    • UNI.T – Theater der UdK Berlin (Fasanenstraße 1b)

  • Raumklimadaten ausgewählter Gebäude der TU Berlin

  • Anlagenbetriebsdaten des Komplexes Fasanenstraße 1b

  • Verbrauchsdaten aller UdK-Gebäude über david.berlin

Darüber hinaus sollen die bestehenden Gebäudeleitsysteme und Messeinrichtungen an Gebäuden und Anlagen auf geeignete Schnittstellen untersucht werden, die eine Anbindung an das emu ermöglichen.

  1. Message Queuing Telemetry Transport ist ein offenes Netzwerkprotokoll für Machine-to-Machine-Kommunikation ↩︎

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Das Energy Monitoring Unit der UdK Berlin (emu)

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