Kennisdossier: Innovaties op het gebied van Gebouwbeheersystemen

Wat is een gebouwbeheersysteem?

Een gebouwbeheersysteem (GBS) is een regelsysteem dat comfort- of klimaatinstallaties aanstuurt in een gebouw. Meestal gaat het dan om bedrijfsgebouwen zoals kantoren. Een standaard GBS kan worden geprogrammeerd voor verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC) en verlichtingssystemen. Soms kan hier nog een beveiligingssysteem of sprinklersysteem aan gekoppeld worden. GBS’en worden geïmplementeerd om energie te besparen, door bijvoorbeeld in te stellen dat ’s avonds de verwarming automatisch uit gaat en om comfortlevels te garanderen door bijvoorbeeld in te stellen dat de ruimtetemperatuur niet lager dan 20 graden mag zijn.

Kort samengevat bestaat een GBS uit uit software en hardware. Er wordt vaak een onderscheid gemaakt in niveaus:

• beheerniveau (de beheer-pc)
• regelniveau (de regelkasten)
• veldniveau (de veldcomponenten, zoals temperatuursensoren en regelafsluiters)

Op de comfortlevels te garanderen maakt een GBS gebruik van ingestelde kloktijden en de sensoren van de installaties, op basis waarvan regels ingesteld kunnen worden.  Deze regels moeten handmatig worden ingesteld tijdens de installatie door een medewerker van het GBS-bedrijf. De regels kunnen later nog aangepast worden, maar dat is niet altijd even recht-toe-recht aan en daar is dus vaak nog een expert voor nodig. Hoewel GBS’en gebruik kunnen maken van de sensoren van de installaties is het toevoegen van extra sensordata vaak niet mogelijk. Ook het opslaan en aggregeren van energiedata of het slim (lerend) aansturen van de installaties is vaak niet mogelijk bij traditionele GBS’en. Bij traditionele GBS’en is altijd menselijke interventie nodig bij het aanpassen van de aansturingsregels.

Er zijn geen significante verschillen tussen GBS'en voor verschillende gebouwen (restaurants en kantoorgebouwen bijv.). Supermarkten gebruiken over het algemeen überhaupt geen GBS, alleen een koelsysteem en ventilatiesysteem. Grotere winkels kunnen weer wel gebruik maken van een GBS.

Energieregistratie- en bewakingssysteem en een Building Energie Management Systems

Om de beperkingen van traditionele GBS’en te overkomen, zijn systemen ontwikkeld die boven op de GBS geïnstalleerd kunnen worden. Een energiemonitoringssysteem, ook wel Energieregistratie- en bewakingssysteem (EBS) genoemd, is bedoeld om beter inzicht te krijgen in het energieverbruik van een gebouw. Een EBS maakt gebruik van meer data dan alleen uit de klimaatinstallaties, bijvoorbeeld de data van de elektriciteitsaansluiting over het energieverbruik. Verder aggregeert een EBS deze data tot een verbruiksprofiel, dit kan zelfs over meerdere gebouwen, en kan het deze de data opslaan en vergelijken met data van op andere momenten.

EBS’en zijn tegenwoordig door de overheid verplicht gesteld, in het Activiteitenbesluit Milieubeheer dat een groot deel van de bedrijven verplicht energiebesparende maatregelen voor hun bedrijfsgebouwen te nemen. Deze EBS’en worden vaak door derden ontwikkelt en bovenop een GBS geïmplementeerd. De data uit de EBS kan dan worden geanalyseerd door experts, waarna deze op basis van de data de regels van het GBS aanpassen om energiezuiniger met de installaties om te gaan. Verder zorgen EBS’en ervoor dat fouten in de installaties en instellingen kunnen worden opgespoord, waarna ze (handmatig) verholpen kunnen worden.

Het verschil tussen het GBS en EBS is niet altijd even duidelijk. Tegenwoordig kunnen namelijk ook steeds meer GBS'en een vorm van rapportage geven. Echter is voor een goed verbruiksprofiel meer data nodig dan alleen de data die klimaatinstallaties zelf leveren.  Deze additionele data is vaak van andere partijen afkomstig en zijn niet gestandaardiseerd, wat het moeilijk maakt de data te aggregeren. Een EBS-leverancier kan dit probleem handmatig oplossen voor hun systemen, omdat ze vaak volledig toegespitst zijn op het verlenen van de EBS-service, een GBS-leverancier heeft daar mogelijk meer moeite mee. Ook kan een EBS-leverancier data over verschillende gebouwen binnen een portofolio aggregeren, iets wat niet mogelijk is als het EBS in het GBS zit ingebouwd, tenzij alle gebouwen gebruik maken van hetzelfde GBS. De inschatting is daarom dat EBS en GBS altijd gescheiden zullen blijven, omdat de één rapportage systeem is en de andere een kritisch systeem, en dat kan elkaar in de weg zitten.

Wanneer er geen menselijk interventie meer nodig is tussen het EBS en de GBS, kom je in het gebied van energiemanagementsystemen (of Building Energie Management Systems, BEMS) terecht. Een BEMS optimaliseert de aansturing van de installaties vaak op basis van energieverbruik (al kunnen dit ook andere criteria zijn). Hier zitten veelal slimme algoritmes en AI achter. De intelligentie van verschillende BEMS verschilt nogal. Soms zitten deze functies al geïmplementeerd in het GBS, zogeheten slimme GBS’en, waardoor het GBS bijvoorbeeld gebruik kan maken van weervoorspellingen om de installaties slimmer en energiezuiniger aan te sturen. Dit begint langzaam op te komen bij de wat meer innoverende GBS-fabrikanten en -bedrijven.  Aan de andere kant van het spectrum zitten BEMS’en die gebruik maken van een volledige digital twin van een gebouw om tot de beste optimalisatie te komen. Een digital twin is een zeer accuraat computer model van het gebouw. Hoewel dit model gebruik maakt van meer data dan een GBS doet, is nog steeds een rapportagesysteem zoals een EBS nodig om de effecten van de verbeteringen te meten. Dit heeft ook te maken met het feit dat het voor de klant prettig is als een onafhankelijke partij de resultaten controleert. Dus zelfs als er een BEMS wordt gebruikt kan een EBS nog steeds nodig zijn, hoewel de grenzen wel vervagen

Protocollen

Om het verschil dus BEMS’en en GBS’en duidelijk te maken, is belangrijk te kijken naar de verschillen lagen van protocollen in de systemen. Een installatie zoals een warmtepomp heeft een protocol waarmee hij data uitwisselt en communiceert met een aansturingssysteem, wat in grote bedrijfspanden meestal een GBS is. De regels die ingesteld zijn in het GBS geven aan wat en wanneer het GBS met de warmtepomp communiceert, zoals “ga nu aan” en wanneer de GBS van de sensoren doorkrijgt dat het te warm is; “ga nu uit”. Het GBS heeft zelf ook weer een protocol waarmee deze kan communiceren met eventuele hogere niveaus. Een BEMS communiceert met een GBS via het protocol van het GBS, vaak BACnet, en dus niet direct met de installaties. De BEMS stuurt de regels van het GBS aan, waarmee het GBS dan via het protocol van de installatie aanstuurt. Wanneer er geen GBS aanwezig is in een gebouw, maar men wil wel een BEMS installeren om bijvoorbeeld energie te besparen, zal de BEMS direct met installaties moeten communiceren. Dit creëert een extra uitdaging voor de ontwikkelaar van de BEMS omdat in tegenstelling tot de GBS-protocollen de protocollen van de installaties minder gestandaardiseerd zijn. Dit maakt dus een extra vertaalslag  (in de vorm van een API) nodig, wat de kans op fouten weer vergroot. Bovendien laten veel installateurs de garantie vervallen als men probeert de installatie op detailniveau aan te sturen vanwege de risico’s iets aan te passen wat het systeem kan schaden.

Partijen in de GBS-wereld

De GBS-productie bestaat uit een paar grote bedrijven uit de VS, Zwitserland en Zweden. Buiten GBS-fabrikanten bestaan er ook servicebedrijven die gebouwautomatisering aanbieden en daarbij gebruik maken van al bestaande GBS’en. Deze focussen zich op integratie van verschillende systemen in bedrijfspanden, zoals klimaatinstallaties, verlichting en beveiliging. Deze kunnen ook als hoofdaannemer dienen voor het installeren van alle klimaatinstallaties. Ook EBS-leveranciers die een monitoring- en optimalisatieservice verlenen, maken gebruik van al bestaande GBS’en naast hun eigen EBS-software. Echter zijn de GBS-wereld en de EBS-wereld twee hele verschillende werelden, wat het lastig maakt deze twee technologieën te verenigen, zegt Ron Hendriks, directeur van VanBeek, een EBS-bedrijf. De GBS-leveranciers zijn meer praktisch ingesteld, terwijl de EBS-wereld meer uit adviseurs en ingenieurs bestaat. Ook zijn GBS-leveranciers gewend om alles één keer in te regelen en eventueel een enkele keer een aanpassing te doen, waar EBS-leveranciers zich naast monitoring ook bezighouden met (handmatige) optimalisatie. Voor de slimme GBS'en die nu steeds meer op de markt komen, is meer IT-kennis nodig, waar dus ook omscholing voor nodig is.

Tot slot zijn ook steeds vaker grote softwarebedrijven betrokken in de gebouwautomatisering, doordat deze steeds meer bezig zijn met datamonitoring, data-analyse en Big Data, wat een bijdrage kan leveren in het verbeteren van GBS’en en EBS’en.

Innovaties

Een deel van de GBS-bedrijven experimenteert met intelligentere systemen of het inbouwen van een rapportagesysteem, maar de meeste huidige GBS-systemen zijn nog redelijk simpel en komen niet veel verder dan de installaties aansturen op basis van ingestelde regels die menselijke interventie vereisen om aangepast te worden.Hier zijn verschillende mogelijke verklaringen voor. De eerste is dat gebouwbeheer maar een heel klein deel van de totale kosten van een gebouw omvatten (2% tot 4%) en daardoor de klant vaak weinig energie wil stoppen in het GBS, wat niet stimulerend werkt voor innovatie. Verder lijken GBS’en te kampen met een imagoprobleem. GBS’en worden vaak als iets saais of oubolligs gezien, waardoor klanten ook weinig interesse hebben om iets innovatiefs te willen gaan doen met GBS’en. Er zijn wel nieuwe kleine bedrijfjes die innovaties ontwikkelen gelinkt aan het GBS, zoals bedrijfjes die mensen tracken en op basis daarvan de installaties inschakelen of zelfs de schoonmaak ontlasten door mensen te clusteren, voorbeelden van dit soort bedrijfven zijn Cloud Energy Optimizer en HeroBalancer. Deze partijen weten vaak beter de facility manager te inspireren dan zittende GBS-bedrijven. Een laatste verklaring is dat de wet- en regelgeving achter loopt. Zo zijn bestaande gebouwen niet verplicht aan de huidige wet- en regelgeving te voldoen, maar moet ze voldoen aan de wet- en regelgeving toen het gebouw gebouwd werd. Ook dit geeft weinig stimulans om te innoveren.

De  innovaties opduiken in de gebouwautomatiserings-wereld worden veelal door kleinere start-ups worden geproduceerd.  De belangrijkste drijfveren achter deze innovaties zijn het verlagen van het energieverbruik en kosten en het verhogen van het comfort. Internet of Things wordt bijvoorbeeld steeds prominenter in de gebouwautomatisering. Een voorbeeld is het tracken en het clusteren van werknemers in een kantoor door het tracken van telefoon en gebruik te maken van sensoren. Hierdoor hoeven er minder ruimtes verwarmd te worden, wanneer het kantoor niet volledig bezet is. Dit kan zelfs gekoppeld worden aan de schoonmaak waardoor er ook op schoonmaakkosten bespaard kan worden, omdat niet alle ruimtes schoongemaakt hoeven te worden.

Eén van de gebieden waar op dit moment het meest op geïnnoveerd wordt is het ontwikkelen van slimme software die berekeningen kan doen op een server of cloud verzamelde data, wat resulteert een betere optimalisatie van de aansturing van de klimaatinstallaties. Er zijn al enkele BEMS-partijen bezig met de ontwikkeling van eigen nieuwe software. Wanneer deze trend doorzet zou het zelfs zo kunnen zijn dat GBS steeds simpeler worden tot het alleen nog maar basisfunctionaliteiten kan bieden. Alle intelligentie en aansturing zit dan op de cloud. Het nadeel hiervan is als het internet wegvalt, het GBS bijna niets meer kan.

Een andere ontwikkeling in de gebouwautomatisering is het gebruik van digital twins. Hier wordt een heel gebouw digitaal nagemaakt inclusief alle installatietechniek. Deze digital twins kunnen in de bouw-, maar ook in de beheerfase gebruikt worden. Met behulp van sensordata wordt deze digital twin up-to-date gehouden waarna slimme algoritme en AI, door het detailniveau van het model,  zeer nauwkeurig de optimale aansturing voor het maximaliseren van comfort en energiebesparing van de installaties kunnen doorrekenen. Hierbij kan ook nog gebruik gemaakt worden van externe data zoals weersvoorspellingen en energieprijzen, waardoor optimalisatie op andere criteria zoals zelfconsumptie ook mogelijk is. Ook is deze software die gebruikt maakt van digital twins instaat om fouten in de installatietechniek zeer nauwkeurig op te sporen.

Ook binnen het ontwerpen van digital twins voor gebouwbeheer zijn verschillende trends zichtbaar. Zo zijn er partijen die met de hand alle gegevens van een gebouw, zoals de dikte van de muren en de positie van een buis, in digital twins invoeren. Dit geeft een zeer nauwkeurig beeld van het gebouw, maar is ook erg arbeidsintensief. Andere partijen proberen het gebouw met een versimpeld model, zoals een thermal network model (hierbij wordt de warmtestromingen als een elektrisch netwerk gemodelleerd), in kaart te brengen. Met behulp van data uit sensoren en machine learning probeert het model zo een accurate weergave te geven van hoe een gebouw reageert. Hiervoor heeft model dus wel een inleerperiode nodig waarin het genoeg data kan verzamelen.

Het tegenovergestelde van centraal data verzamelen om er berekeningen op te doen is Edge Computing. Hierbij worden berekeningen gedaan “aan de randen van het systeem”. Dit reduceert dit de noodzaak om alle data naar een centrale plek (database) te brengen, waardoor de reactietijd verbetert en bandbreedte bespaard wordt.

De grootste uitdaging hierin is dat apparaten en sensoren van verschillende fabrikanten allemaal een eigen taal gebruiken, en hun data dus in verschillende vormen aanleveren. Standaardisatie is dus nodig om slimme systemen grootschalig te kunnen implementeren.

Grid management

We zien dat kantoren en bedrijventerreinen steeds meer volgelegd worden met zonnepanelen en ook dat de hoeveelheid laadpalen voor EV’s toeneemt. Hier liggen kansen voor BEMS’en om deze energiestromen beter op elkaar af te stemmen, en zelfconsumptie te verhogen. Dit zorgt ervoor dat een bedrijfsgebouw minder elektriciteit en gas hoeft in te kopen. Op dit moment is echter de salderingsregeling van kracht, wat ervoor zorgt dat alles wat man terug levert aan het net van de energierekening wordt afgetrokken. Het moment van terug leveren maakt hiervoor niet uit. Dit maakt het verhogen van zelfconsumptie minder rendabel voor partijen die hier onder vallen, veelal kleinverbruikers.  Echter, gezien de salderingsregeling binnenkort afgebouwd wordt, zal dit voor steeds meer bedrijven interessant worden. Wanneer bedrijven bovendien gebruik kunnen maken van dynamische elektriciteitsprijzen (gebruik maken van de elektriciteitsprijzen op de energiemarkten) kan het afstemmen van de energiestromen op de prijzen nog meer opleveren. Ook kan het reduceren van de piekbelasting door slimme aansturing ervoor zorgen dat een gebouw een kleinere netaansluiting nodig heeft en daarmee geld besparen. Dit kan ook gunstig zijn, wanneer een bedrijf wil uitbreiden, maar daar door netcongestie geen ruimte voor is. Door slimme aansturing kan dan met de zelfde capaciteit meer worden aangesloten. Over de waarde van flexibiliteit hebben DNV-GL en TNO ook een rapport geschreven. 

Er zijn enkele partijen die al bezig zijn met de afstemming van opwek en gebruik voor bovenstaande doeleinden meenemen in de ontwikkeling van hun producten, zoals HeroBlancer, CloudEnergyOptimizer, Priva Eco en Spectral.  Echter, ligt de focus op dit moment nog voornamelijk op het slim aansturen van installaties om het gebouw energiezuiniger te maken en staat het verhogen van zelfconsumptie en het aansturen van laadpalen, zonnepanelen en batterijen nog redelijk in de kinderschoenen.
 In de toekomst zou een BEMS wellicht ook in staat kunnen zijn om energie van het ene gebouw met een ander gebouw in de buurt uit te wisselen. Dit samenhangend aansturen van meerdere gebouwen in dezelfde buurt kan bijdrage met het verminderen van netcongestie. Echter zitten hier nog wel wat haken en ogen aan. Er is voor deze manier van energie uitwisselen ook een verandering in wet- en regelgeving nodig, er moet een datasysteem komen waarop de BEMS de uitwisselingsstrategie kan bepalen. Daarom is de verwachting van sommige experts dat een onafhankelijke aggregator dit zal oppakken. Deze aggregator communiceert dan weer met de BEMS’en, of stuurt bijvoorbeeld laadpalen zelf direct aan.

Daarnaast komen er steeds meer mogelijkheden voor opslag en buffering. Op dit moment worden er ook in pilots en demonstratieprojecten gekeken naar het gebruikmaken van de thermische massa van een gebouw of het installeren van batterijen om de energiepiek te verplaatsen. Deze opties zouden ook meegenomen kunnen worden in de optimalisatie-algoritmes van BEMS’en. Ondanks het gebruik maken van BEMS’en en GBS’en om congestie te verminderen en zelfconsumptie te verhogen nog redelijk in de kinderschoenen staat, krijgt het wel steeds meer aandacht. Echter is wel de verwachting deze innovaties niet vanuit de huidige GBS-fabrikanten en bedrijven zal komen, maar dat deze pas later zullen instappen.

Tot slot is er ook de ontwikkeling om andere bronnen dan elektriciteit, zoals warmte, flexibel aan te sturen. TNO is bijvoorbeeld bezig geweest met HeatMatcher, een softwareprogramma dat bovenop de GBS draait en de warmtaansturing optimaliseert. Hierbij kunnen dus niet alleen warmtepompen, maar ook gas, bodem- en zonnewarmte  worden meegenomen.

Voor meer informatie over het ontsluiten van flexibiliteit zie ook: Het ontsluiten van flexibiliteit in de gebouwde omgeving.

Uitdagingen

De belangrijkste motivator achter de innovaties op het gebied van GBS’en is het energiezuiniger maken van bedrijfsgebouwen door slimmer de installatie aan te sturen. Vooral met al bestaande gebouwen is dit een uitdaging omdat het gebouw vaak niet is gebouwd met warmte- en energiestromen in het achterhoofd. Dit resulteert er soms in dat specifieke ruimtes in een gebouw onvoorspelbaar gedrag vertonen (te warm/te koud), of in sensoren die op onlogische plaatsen zitten. Ook kunnen bestaande gebouwen meerdere malen verbouwd zijn, wat niet altijd even goed wordt gedocumenteert waardoor accurate tekeningen van de huidige inrichting van het gebouw ontbreken en kunnen sensoren dusdanig slecht onderhouden zijn dat ze volkomen verkeerd gekalibreerd zijn. Deze aspecten maken het erg arbeidsintensief om het energieverbruik van een gebouw te optimaliseren, en vaak is de plaatsing van extra, nieuwe, sensoren noodzakelijk.

Een ander probleem is de standaardisatie. Hoewel er al verschillende communicatieprotocollen bestaan, gebruiken nog zeker niet alle installaties dezelfde standaarden. Zo kunnen dezelfde componenten in verschillende installaties van de respectievelijke fabrikanten verschillende namen hebben meegekregen. Vooral de vorm van data aangeleverd door de sensoren kan heel erg variëren.  Zeker voor BEMS’en resulteert dit vaak in de noodzaak van een extra vertaallaag (API) die de data eenduidig omzet.

Verder is er nog het probleem van comfort. Comfortniveaus zijn vaak erge persoonlijk, en bijna niemand voldoet aan het gemiddelde. Zo vinden vrouwen en mannen allebei verschillende temperaturen prettig. Dit maakt optimalisatie ten opzichte van comfort erg ingewikkeld.

Tot slot is er nog het probleem van innoveren op een bestaand systeem. Als een GBS eenmaal geïnstalleerd is zal de klant het moeten doen met de hardware die geïnstalleerd is, tot het GBS weer vervangen wordt. Op een bestaand systeem kan nieuwe software gezet worden, maar verouderde hardware vormt vaak een belemmering voor het implementeren van hele innovatieve software. Een BEMS zou de software van het GBS kunnen overrulen, maar de hardware en veldcomponenten blijven gelijk. Het blijkt daarom in praktijk erg lastig een softwareprogramma te schrijven wat op een diversiteit van (vaak verouderde) hardware systemen kan aanhaken. Ook is het niet praktisch als veel verschillende partijen de regeltechniek aan kunnen passen. Daarom is het vaak handiger om energiemonitoring en de regeltechniek naast elkaar te gebruiken in plaats van geïntegreerd in één systeem, en komen slimme oplossingen ook moeilijker van de grond. 

Dit kennisdossier is tot stand gekomen met medewerking van Ron Hendriks (VanBeek Ingenieurs), Jan Kerdèl (Kerdèl Consultancy) en Roel Derks (CloudEnergyOptimiser).

Verder lezen of doorpraten?

Wil je meer weten over dit onderwerp, of heb je ideeën over slimme gebouwaansturing en de toekomst van GBS’en en BEMS’en? Neem gerust contact op met Maarten de vries, programmamanager smart energy systems bij TKI Urban Energy.

Conclusie

De klassieke GBS’en laten weinig ruimte over voor innovatie, omdat de meeste innovatie komt van het toevoegen van intelligentie en je dan al snel in het gebied van BEMS’en komt. Hoewel het nu nog weinig gebeurt kan deze innovatie natuurlijk ook plaatsvinden bij de klassieke GBS-bedrijven. Innovatie op het gebied van BEMS is al goed onderweg. De belangrijkste uitdaging ligt nu vooral op het gebied van het afstemmen van opwek en gebruik om zo zelfconsumptie de verhogen en piekbelasting te verlagen. Er wordt hier aan gewerkt maar de huidige systemen op de markt zijn er nog niet op afgestemd. Deze focussen zich namelijk het meest op comfort en energiebesparing. Ook lopen er meerdere projecten op het ontwikkelen en verbeteren van Digital Twins. De aggregatie van meerdere gebouwen, laadpalen etc. staat al helemaal weinig op de agenda, dit wordt toch een beetje als een andere tak van sport gezien. Het wordt wel gedaan in sommige innovatieprojecten, maar daarbij zijn weinig BEMS-partijen en GBS-partijen betrokken, en worden meer getrokken door partijen die energieplatformen ontwikkelen voor ook bijvoorbeeld wijken. Als ik eerlijk ben, twijfel of hier nog veel stimulans nodig is. Er zijn al minstens 4 partijen met een bijna marktbaar concept, waar alleen nog extra features aan toegevoegd hoeft te worden om flex toe te staan. Als er al iets mee gedaan zou moeten worden zou het echte specifiek om het ontsluiten van flex moeten gaan. Waar eventueel wel nog wat te halen valt zijn het bijeenbrengen van theoretische kennis zoals onderzocht wordt in projecten over thermische massa bij partijen die daadwerkelijk een systeem ontwikkelen. Ook in standaardisatie kan nog veel behaald worden (ook voor EBS’en) hoewel een aantal partijen gewoon besloten hebben er omheen te werken met een extra vertaallaag, wat ook de noodzaak van standaardisatie verminderd.

Events en kennisdeling

• Smart Energy Community voor woningen en bedrijfsgebouwen
• Webinar "Predictive Twins in de Gebouwde Omgeving