Konzeption und Implementierung einer Lüftungssteuerung mit Anwesenheitserkennung im RoofKIT living lab

Beschreibung

Mit RoofKIT wurde ein Gesamtkonzept für eine energetische Bestandssanierung und -aufstockung entwickelt, dessen Ziel die CO₂-Neutralität in der Jahresenergiebilanz bei möglichst hoher Stromeigenerzeugung und Netzdienlichkeit ist. Als Ausschnitt aus dem Gesamtentwurf wurde das RoofKIT Living Lab gebaut, das seit November 2022 auf dem Campus Süd des KIT steht und bewohnt ist. Zur Gebäudesteuerung dient die Open-Source Smart-Home-Plattform Home Assistant auf einem Raspberry Pi, über KNX werden u. a. Leuchten und Rollos angesteuert. Ein Energiemanagementsystem (EMS) verantwortet das Zusammenwirken aller Komponenten hinsichtlich Solarertrag, Strombedarfsdeckung sowie Be- und Entladung von Strom- und Wärmespeicher.

Die Lüftung von Gebäuden kann einen erheblichen Teil des Energiebedarfs verursachen, gleichzeitig ist eine ausreichende Luftqualität für Komfort und Bausubstanz essenziell. Klassische zeitgesteuerte Lüftungsregelungen lösen diesen Zielkonflikt nur unzureichend: Sie lüften u.U. zu viel, wenn niemand anwesend ist, oder zu wenig, wenn die Belegung hoch ist. Bedarfsgeführte Regelungsansätze, die Sensordaten (CO₂, Feuchte) und Anwesenheitsinformationen kombinieren, versprechen hier eine deutliche Verbesserung – wie groß der tatsächliche Nutzen unter realen Wohnbedingungen ausfällt und wie zuverlässig eine kostengünstige Anwesenheitserkennung über Bluetooth-Low-Energy-Beacons (BLE) dafür arbeitet, ist jedoch offen.

Im Rahmen dieser Abschlussarbeit soll deshalb eine bedarfsgeführte Lüftungssteuerung mit Anwesenheitserkennung für das RoofKIT Living Lab konzipiert und in Home Assistant implementiert werden. Hierbei soll die Güte der BLE-basierten Anwesenheitserkennung systematisch evaluiert werden: Wie zuverlässig, präzise und schnell erkennt das System die Anwesenheit der Bewohner unter realen Bedingungen.

  • Die Arbeit soll dabei die folgenden Schritte abdecken:Zunächst wird eine initiale Recherche durchgeführt, um bestehende Ansätze zur bedarfsgeführten Lüftungsregelung sowie zur BLE-basierten Anwesenheitserkennung in Smart Homes zu erfassen, insbesondere zu Verfahren und Metriken für die Bewertung ihrer Erkennungsgüte.

  • Aufbauend auf der bestehenden Installation im Living Lab werden die Anforderungen von Bewohnern und Forschungsbetrieb an Lüftungssteuerung und Anwesenheitserkennung erhoben und die technischen Randbedingungen der Portierung auf einen neuen Raspberry Pi dokumentiert. Darauf aufbauend werden geeignete Metriken für die Evaluation der Anwesenheitserkennung abgeleitet (z. B. Präzision, Erkennungslatenz, Robustheit gegenüber Störeinflüssen).

  • Basierend auf der Analyse wird ein Regelungskonzept für die zwei im Gebäude verbauten Pendellüfterpaare entwickelt, das Zeitregelung, CO₂- und Feuchtekonzentration sowie Anwesenheitsinformationen kombiniert. Zudem wird die Architektur der Datenerfassung konzipiert: Anreicherung der aufgezeichneten Sensor- und Anwesenheitsdaten mit Metadaten, Persistierung in einer Datenbank und Bereitstellung über eine MQTT-Schnittstelle.

  • Das Konzept wird im RoofKIT Living Lab umgesetzt. Dies umfasst die Installation von Home Assistant auf einem neuen Raspberry Pi, die Übertragung der vorhandenen Steuerung inklusive KNX-Konfiguration, die Ansteuerung und Regelung der Pendellüfterpaare sowie die Anwesenheitserkennung mittels zweier BLE-Beacons und einer Antenne. Die erfassten Daten werden in eine Datenbank geschrieben, mit Metadaten angereichert und über die MQTT-Schnittstelle bereitgestellt. Abschließend wird das Front End Home Assistant Companion angebunden und die Interaktion zwischen den Bewohnern und dem Gebäude aufgebaut und getestet – einschließlich Push-Benachrichtigungen, über die Bewohner zu Verbrauchsanpassungen angeregt werden können.

  • Abschließend wird die Erkennungsgüte der BLE-basierten Anwesenheitserkennung anhand der zuvor definierten Metriken in kontrollierten Testszenarien im Gebäude evaluiert. Ergänzend wird der Betrieb der Lüftungssteuerung anhand der aufgezeichneten Daten kompakt dokumentiert. Die Ergebnisse sollen zeigen, ob eine kostengünstige BLE-Anwesenheitserkennung als Grundlage für bedarfsgeführte Gebäudesteuerungen tauglich ist.

Die Arbeit erfolgt in Kooperation mit dem RoofKIT-Forschungsprojekt am KIT, die Implementierung findet im realen, bewohnten Gebäude statt.

Bitte bewerben Sie sich bei Interesse über den folgenden Link: https://portal.wiwi.kit.edu/forms/form/Bewerbung_Abschlussarbeit_AIFB-BIS