Die Technologie, die unsere Zukunft gestalten wird – HVAC Makrotrends

Autor: Manuel Eckstein, Key Account Manager HVAC
 

Wie werden wir in der Zukunft leben? Dies ist eine Frage, nach deren Antwort sich die Menschheit schon immer gesehnt und an deren Beantwortung sie gearbeitet hat. Die Antwort darauf zu finden, ist überraschenderweise nicht auf Zeitreisen beschränkt. Die Menschheit neigt dazu, ihre Zukunft selbst zu gestalten, indem sie bestimmte Entwicklungen vorantreibt. An der Spitze der Entwicklungen dieses Jahrzehnts stehen heute autonome Lieferungen, intelligente Hausgeräte wie Thermostate, die Heizung, Kühlung und Belüftung auf der Grundlage von Benutzervorlieben steuern, Kühlschränke, die automatisch Bestellungen aussenden, wenn das Essen knapp wird, und intelligente Lautsprecher, die mit ihren Besitzern kommunizieren.
 

All diese Entwicklungen haben bereits einen enormen Einfluss auf unsere täglichen Lebensgewohnheiten gehabt. Wenn wir also die Fortschritte dieser technologischen Innovationen verfolgen, erhalten wir eine Vorstellung davon, wie unsere Welt morgen aussehen könnte. Zu verstehen, was diese bahnbrechenden Entwicklungen ermöglicht hat, wird uns bei der im ersten Satz aufgeworfenen Frage helfen. Da die Menschen immer mehr Zeit in Innenräumen verbringen, wird es für jeden immer wichtiger, die Konsequenzen des Wohnens in Innenräumen zu erkennen und zu verstehen, wie die Entwicklungen von heute den Weg für ein gesünderes Morgen ebnen können. Dieser Artikel konzentriert sich auf Gebäude und verwandte Aspekte der Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagenindustrie, die als HVAC bezeichnet wird. Wir werden einige der Makrotrends in der HVAC-Industrie untersuchen und analysieren, die beim Bau der Welt von morgen eine wichtige Rolle spielen können. Beachten Sie, dass diese Makrotrends nicht nur mit der HVAC-Industrie in Verbindung stehen, sondern auch für andere Märkte gelten (z.B. Mobil- und Unterhaltungselektronik MCE).
 

Das öffentliche Bewusstsein für Luftqualität ist gestiegen

Das Thema, das in diesen Zeiten unsere Nachrichten beherrscht, ist, wie jeder weiß, COVID-19. Wie verbreitet es sich? Wie wahrscheinlich kann sich jemand infizieren, wenn sich eine kranke Person im gleichen Raum befindet? Wie lange bleibt das Virus in der Luft? Wie kann man die Viruskonzentration in der Luft messen? Dies sind nur einige wenige Fragen, die täglich aufkommen und diskutiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass gut belüftete Räume mit regelmässiger Frischluftzufuhr weniger anfällig dafür sind, dass sich Bakterien und Viren ansammeln und ihre Bewohner möglicherweise infizieren. Letztendlich bedeutet dies auch, dass ein gut belüfteter Raum direkt Ihre Gesundheit und Ihr Wohlbefinden verbessert. Dies gilt nicht nur für unsichtbare Viren wie COVID-19, sondern auch für eine Vielzahl von Parametern oder Schadstoffen wie Partikel und Gase (z.B. NOx, VOCs, CO₂, etc.). Die Messung der Existenz und Konzentration einiger der oben genannten Stoffe kann einen Hinweis darauf geben, wie sauber und/oder gesund die Luft für den Menschen ist.

Ein Schlagwort, das im Zusammenhang mit Innenräumen oft erwähnt wird, ist "Sick-Building-Syndrom". Das "Sick-Building-Syndrom" erklärt, wie Menschen zu Hause Krankheitssymptome zeigen, nur weil sie sich in einem Haus aufhalten. In den meisten Fällen sind schädliche Gase oder Chemikalien, die von gewöhnlichen Materialien und Aktivitäten im Haushalt ausgehen, die Ursache. Darüber hinaus haben neuere Studien eine direkte Auswirkung schlechter Luftqualität auf geistige Fähigkeiten, Gesundheit und allgemeine menschliche Leistungsfähigkeit gezeigt. Um solche negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit zu verringern, gibt es viele Normen/Bauvorschriften und Zertifikate (z.B. LEED, WELL, ASHRAE, RESET), die auf dem Markt für gewerbliche Gebäude festgelegt wurden und darauf abzielen, durch Überwachung der Luftqualität und Gewährleistung der Frischluftzufuhr eine gesunde Umgebung für die Gebäudebewohner zu ermöglichen.
 

Im Aussenbereich führten Bilder von starker Luftverschmutzung und Smog in Teilen Asiens oder der "Diesel-Skandal" in Europa und den USA zu einem stetig wachsenden öffentlichen Bewusstsein für die ökologische Luftqualität. Viele Menschen begannen sich zu fragen: Was ist es, das ich einatme, und was sind mögliche Auswirkungen auf meinen Körper?
 

Eine Folge dieses wachsenden öffentlichen Bewusstseins für die Auswirkungen der Luftqualität ist eine steigende Nachfrage nach Geräten, die unsichtbare Schadstoffe für den Verbraucher sichtbar machen. Die Menschen fangen an, nach einer Möglichkeit zu fragen, wie sie Informationen über ihre Umwelt erhalten können, damit sie die Gelegenheit haben, etwas dagegen zu unternehmen.
 

Umweltfreundliches Wohnen erfordert die Berücksichtigung der Innenluftqualität

Im vorherigen Abschnitt haben wir Bauvorschriften/Normen und Zertifikate erwähnt. Diese legen Richtlinien für Architekten und Bauunternehmer fest, wie man Bauwerke entwirft und baut, die hinsichtlich der Luftqualität für das Wohlbefinden deren Gebäudenutzer optimiert sind. Darüber hinaus werden Kraftwerksemissionen, die aus einer übermässigen Luftbehandlung in Gebäuden resultieren, sowie Emissionen, die von Baumaterialien abgegeben werden, durch diese Normen berücksichtigt. Die Beheizung, Kühlung und Belüftung von Gebäuderäumen macht fast 50% des gesamten Energieverbrauchs eines Gebäudes aus. Ein möglicher Weg zur Minimierung des Energieverbrauchs und zur direkten Reduzierung der damit verbundenen Treibhausgasemissionen, ist die Optimierung der Belüftung von Gebäuderäumen. Die Optimierung der Belüftung bedeutet, die Luftzufuhr und damit die Menge der zu behandelnden Luft zu reduzieren. Das Motto muss lauten: so wenig wie möglich, so viel wie nötig. 

Ein Gebäude, das nur von sehr wenigen Menschen bewohnt wird, benötigt eine viel geringere Menge an frischer Aussenluft als ein Gebäude, das von Hunderten von Menschen bewohnt wird. Die ASHRAE-Norm 62.1-2019 schreibt eine bestimmte Frischluftmenge pro Bewohner vor. Der Prozess, bei dem wir die Belüftung optimieren, wird "bedarfsgesteuerte Belüftung (DCV)" genannt. Das bedeutet, dass das Gebäudemanagementsystem die Lüftungsrate auf der Grundlage der Anzahl der Bewohner innerhalb eines Gebäudes entsprechend anpassen muss. In den meisten Fällen wird heutzutage der Belegungsgrad durch den CO₂-Gehalt in den Räumen überwacht. Da es bereits viele Artikel über DCV gibt, wird in diesem Artikel nicht näher auf dieses Thema eingegangen.
 

Ein wichtiger, oft vergessener Punkt ist, dass die oben genannten Aspekte, wie optimierte Lüftungsraten oder fortschrittliche Bauvorschriften, nicht nur für gewerbliche Gebäude (Büros, Geschäfte usw.) gelten. Sie gelten in einem kleineren Massstab auch für Wohngebäude. Aufgrund strengerer Energiegesetze für Wohngebäude gibt es einen klaren Trend im Wohnungsbau hin zu "Niedrigenergiehäusern/Nullenergiehäusern". Im Allgemeinen sind diese "Niedrigenergiehäuser" ziemlich luftdicht gebaut, um bei Hitze oder Kälte zu halten. Der natürliche Luftaustausch durch Risse oder Wände, der normalerweise, wie bei älteren Häusern, einen gewissen Frischluftaustausch ermöglichen würde, ist im heutigen Wohnungsbau weitgehend ausgeschlossen. Das Ergebnis ist, dass die Aufrechterhaltung einer gesunden Luftqualität im Inneren eine aktive Belüftung dieser Räume erfordert. In der Regel berücksichtigen solche Systeme weder die Luftqualität noch die Anzahl der Bewohner, sondern es handelt sich um festgelegte Belüftungsniveaus, die nach der Installation nicht mehr verändert werden. 

Diese Anordnung lässt Raum für Verbesserungen, da es oft sehr energieaufwändig und umweltschädlich ist, die Belüftung ständig eingeschaltet zu haben. Andere Optionen wie der Übergang zu einem DCV-Modell, das die CO₂-Werte und andere Luftqualitätsparameter zur Regulierung der Lüftungsraten verwendet, können für Wohnhäuser von Vorteil sein.
 

Luftdichte und energieoptimierte Gebäude werden sich in naher Zukunft immer mehr durchsetzen. Um ein gesundes Wohnen im Inneren zu gewährleisten, sind intelligente Systeme erforderlich, die die Lüftungsraten entsprechend den Bedürfnissen der Bewohner anpassen.
 

Weniger menschliche Interaktion und ein höherer Automatisierungsgrad

Stellen Sie sich Folgendes vor: Sie steigen in Ihr Auto ein oder legen drahtlose Kopfhörer an. Wir erwarten im Allgemeinen, dass unsere Telefone direkt mit dem Auto oder den Kopfhörern verbunden werden und Musik abspielen, ohne dass Sie die Verbindung bestätigen oder manuell herstellen müssen. Obwohl es keine große Sache zu sein scheint, ein paar Tasten zu drücken, um eine Verbindung herzustellen, werden die Menschen es immer schätzen, dies nicht tun zu müssen, und den zusätzlichen Komfort geniessen.

Denken Sie auch daran: Geo-Fencing. Ein Smartphone liefert die Standortdaten des Benutzers an ein intelligentes Thermostat im Haus einer Person, dass dann die Heizung oder Kühlung aufwärts oder abwärts dreht, je nachdem, ob sich der Besitzer weg oder auf sein Haus zubewegt. Dies ist kein Beispiel dafür, dass die Menschheit fauler wird, wie einige Kritiker sagen würden, sondern vielmehr ein Beispiel dafür, wie Technologie und intelligente Algorithmen ein neues Niveau an Automatisierung und Komfort in unserem täglichen Leben ermöglichen können. Der Grad der erforderlichen menschlichen Mitwirkung, die zur Regulierung unserer häuslichen Umgebung erforderlich ist, nimmt bereits ab, und Automatisierung wird eher zur Norm als zum Luxus. Solche intelligenten Systeme sind von Natur aus mit der Entwicklung geeigneter Algorithmen und Sensorikeingaben verbunden. 

Ständige Fortschritte in der Materialwissenschaft und Elektronik haben die Erfindung von Produkten ermöglicht, an die noch vor ein paar Jahren nur wenige von uns denken konnten. Viele Verbraucherprodukte sind kleiner geworden (z.B. Hörgeräte) und viel integrierter, und bieten viel mehr Funktionen als ihre Vorgänger (z.B. Übergang von einer Uhr zu einer smart watch). Nahezu jedes Gerät, das heute vermarktet und verkauft wird, trägt das Wort "smart" im Namen. Aber wie wird "Smartness" erreicht? Sie wird mit Sensoren erreicht: Die Geräte sind mit Sensoren ausgestattet, um Umweltparameter zu erfassen oder, für den Laien ausgedrückt, um die Umgebung des Benutzers zu erfassen. Die Geräte kombinieren dann die gesammelten Sensordaten mit intelligenten Algorithmen (z.B. KI = künstliche Intelligenz), die den Gerätebetrieb an die Gewohnheiten und Vorlieben des Benutzers anpassen.
 

Infolgedessen haben miniaturisierte intelligente Geräte, die durch miniaturisierte Komponenten und Sensortechnologie ermöglicht werden, inzwischen ihren Weg in unser tägliches Leben gefunden, wo sie völlig neue Anwendungsbereiche ermöglichen.

Produktkosten in der heutigen Industrie

Der Preiswettbewerb ist ein ständiger Kampf in unserer Wirtschaft. Ein wichtiger Punkt, der sowohl in der Finanzkrise 2008/2009 als auch bei der COVID-19-Sperre deutlich wurde, ist die Bedeutung des freien Cashflows. Margenoptimierungen sind der Schlüssel zu erfolgreichen Unternehmen. Der direkteste Weg ist die Senkung der Kosten für Kaufteile. Diesen Druck spüren vor allem OEM-Unternehmen, die anschliessend den Preisdruck auf ihre Zulieferer erhöhen. Infolgedessen leiten die Zulieferer diese Belastung entweder an Unterlieferanten weiter, oder sie stehen vor der Herausforderung, ihre Kostenstruktur zu optimieren. Es ist von entscheidender Bedeutung zu erkennen, dass jedes Produkt, egal wie innovativ es auf den Markt kommt, irgendwann zu einer Handelsware wird. Daher werden Unternehmen nur dann wettbewerbsfähig bleiben, wenn sie über eine effiziente Lieferkette und niedrige Materialkosten verfügen. Die einzige wirkliche Möglichkeit, wie Unternehmen den Kommoditisierungsprozess und den damit verbundenen Preiskampf hinausschieben können, besteht darin, einzigartige Produkte mit Eigenschaften anzubieten, die sich von der Konkurrenz abheben und dem Endkunden einen echten Wert bieten.
 

Eine Möglichkeit, die Prozesskosten zu senken, ist die Maximierung des Einsatzes von automatisierten Fertigungsprozessen. Diese sind in der Regel wesentlich kostengünstiger als Prozesse, bei denen manuelle Bearbeitungsschritte erforderlich sind. Ein Beispiel ist das Löten - einige Komponenten müssen immer noch manuell gelötet werden, während die meisten elektronischen Komponenten (auch aufgrund der Miniaturisierung) mit SMT-Prozessen (Surface Mount Technology) montiert werden, die vollautomatisch ablaufen. Die Herstellung von Bauelementen auf einer vollautomatischen Fertigungslinie reduziert die Durchlaufzeit und die anschliessenden Herstellungskosten und bietet zudem die Möglichkeit einer Grossserienproduktion.
 

Der vorige Abschnitt erwähnte die Notwendigkeit von Sensorlösungen, um Geräte intelligenter zu machen. Um intelligente Geräte in der Gesellschaft verbreiten zu können, müssen die Kosten solcher Geräte für die Kunden überzeugend genug sein. Deshalb sind erschwingliche Sensorlösungen der Schlüssel. Dadurch wird sichergestellt, dass solche intelligenten Lösungen ihren Weg in jedes Haus finden, egal ob es sich um eine Villa, ein Bürogebäude oder eine Einzimmerwohnung handelt.
 

Schlussfolgerung

Zu Beginn stellten wir fest, dass die aktuellen technologischen Entwicklungen unsere Zukunft prägen. Natürlich müssen wir auch erkennen, dass es Interdependenzen zwischen technologischen Trends geben kann, die sich gegenseitig verstärken und beeinflussen. So ist zum Beispiel klar, dass es einen eindeutigen Trend zur Miniaturisierung und zu geringeren Kosten für elektronische Komponenten (wie z.B. Sensoren) gibt, der sich aus dem anderen Trend speist, dass die Menschen mehr über ihre Umgebung wissen wollen. Letztendlich bedeutet dies, dass Sensoren in eine noch grössere Vielfalt von Geräten integriert werden, die bisher noch nicht in Betracht gezogen wurden. Diese Entwicklung geht einher mit der Tatsache, dass die Menschen zunehmend von der Technologie abhängig sind und erwarten, mit weniger menschlicher Interaktion die von ihnen gewünschten Ergebnisse zu erzielen. 

Meistens verlassen wir uns eigentlich schon stark auf die Technik und sind uns dessen nicht immer bewusst. Wir denken gewöhnlich nicht darüber nach, dass sich im Hintergrund jedes Geräts, das wir in unserem täglichen Leben benutzen, komplexe Systeme und Algorithmen befinden. Erst wenn ein System abstürzt, wird unsere menschliche Abhängigkeit von Maschinen und Algorithmen offensichtlich. Damit Systeme und Geräte den Erwartungen künftiger Generationen gerecht werden können, ist ein verstärkter Einsatz von Sensoren in Kombination mit intelligenten Algorithmen erforderlich. 

Es ist unbestreitbar, dass Sensordaten ein wesentlicher Bestandteil des autonomen Betriebs sind, wenn wir uns von der analogen Welt in die digitale Welt bewegen. Beispiele für solche Sensoren sind Umweltsensoren, die Firmen wie Sensirion anbieten. Ein prominentes Beispiel, das die oben erwähnten Trends widerspiegelt, ist Sensirions neueste Entwicklung eines miniaturisierten Kohlendioxid-Sensors "SCD40", der auf Anwendungen im HVAC- und Wohnungsmarkt ausgerichtet ist. Da die Menschen mehr Zeit in Innenräumen verbringen, wird sich die Zukunft viel stärker darauf konzentrieren, wie wir in Gebäuden leben und wie die Gebäudefunktionen so gestaltet werden, dass sie den Bedürfnissen der Bewohner entsprechen. Daher ist die Antwort auf die Frage, wie wir morgen leben werden, einfach: autonomes Wohnen und autonome Häuser.