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Turning smart buildings into innovation environments

Konzeptionalisierung von Nutzerpraktiken und Unterstützung von Prototyping zur Verbesserung der Smart Building Forschung im Feld
 
: Jahn, M.

:
Volltext (PDF; )

Aachen, 2016, 257 S.
Aachen, TH, Diss., 2016
Englisch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer FIT ()

Abstract
Intelligente Gebäude (engl. Smart Buildings) zeichnen sich dadurch aus, dass bestimmte Funktionen wie die Steuerung von Heizung, Lüftung, und Klimatisierung (engl. Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC) oder Beleuchtung automatisiert werden. Dies geschieht bei größeren Gebäuden wie Universitäten oder Bürogebäuden in der Regel über zentralisierte Gebäudemanagementsysteme. Neue Technologien verändern die Anforderungen an intelligente Gebäude: Drahtlose Sensornetze oder intelligente Stromzähler erlauben feingranulare Analysen und können so zur Erhöhung der Effizienz hinsichtlich Energie, Kosten und Komfort beitragen. Gleichzeitig ändert sich die Rolle der Endnutzer (sprich: Büroarbeiter, Studenten, etc.), welche z.B. mit Hilfe von innovativen IuK Anwendungen zu stromsparendem Verhalten motiviert werden können. Diese Entwicklungen führen zu erhöhter Komplexität sowohl für die Endanwender als auch an die Entwickler solcher Anwendungen.Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Herausforderungen für die Forschung im Bereich IuK in Smart Buildings, die aus der zunehmenden Integration neuer Technologien für Mensch und Systeme entstehen. Zwar existieren bereits innovative Ansätze, die sich mit neuen Technologien und Endnutzeranwendungen beschäftigen, jedoch fehlt es an integrierten, im realen Nutzungskontext einsetzbaren und für die weitere Forschung wiederverwendbaren Lösungen. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, wird der Begriff der Innovation Environments eingeführt. Dies sind Umgebungen, die es ermöglichen, innovative Smart Building Anwendungen zu entwickeln und im Feld unter realen Bedingungen zu erproben (engl: ’in-the-wild' research).Das Konzept der Innovation Environments wird von zwei Seiten erarbeitet: Erstens werden auf empirischen Analysen basierende Kategorien der Mensch-Gebäude Interaktion entwickelt. Diese Kategorien beschreiben Verhaltensweisen und Interaktionspraktiken von Endnutzern in Smart Buildings in konzeptioneller Form und erlauben es Forschern, auf einer gemeinsamen, verständlichen und empirisch belegten Grundlage zu kommunizieren. Zweitens wird ein Smart Building Framework entwickelt, mit dem Ziel, Smart Buildings programmierbar zu machen und dadurch die prototypische Erprobung innovativer Anwendung zu erleichtern.Der Ansatz, Smart Buildings in Innovation Environments zu transformieren, wurde innerhalb einer 19-monatigen Experimentierphase in vier Gebäuden validiert. Anhand der Implementierung einer verbesserten Heizungs-/Kühlungssteuerung wurde untersucht, inwieweit das Smart Building Framework die Programmierbarkeit von Smart Buildings verbessert und die Erprobung von innovativen Anwendungen vereinfacht. Durch die Entwicklung von drei Endnutzeranwendungen wird gezeigt, wie die Kategorien der Mensch-Gebäude Interaktion solche Innovationsprozesse unterstützen. Schließlich wird mit Hilfe einer API Usability Studie die Gebrauchstauglichkeit des Frameworks bei typischen Aufgaben des Prototypings evaluiert.

 

Smart buildings are characterized by the fact that certain functions such as heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) or lighting are automated. This is usually done via centralized building management systems in larger buildings such as universities or office buildings. New technologies are changing the demands on smart buildings. Wireless sensor networks or smart meters allow fine-grained analysis and can thus contribute to increasing the efficiency in terms of energy, cost and comfort. At the same time the role of the end user (read: office workers, students, etc.) changes as new kinds of applications become available e.g. to motivate energy conserving behavior. These developments lead to increasing complexity for both system developers and end users.This thesis deals with challenges for research in the field of ICT in smart buildings, resulting from the increasing integration of new technologies, for humans and systems. Although, some approaches exist that experiment with new technologies and innovative end user applications for smart buildings, there is a lack of integrated, reusable solutions that can be applied in real environments (i.e. ‘in the wild’). To account for this complexity, this thesis introduces the concept of Innovation Environments, which aims at moving smart building research from the lab to the real world, allowing for research in the wild. Thus, Innovation Environments should allow to bring smart building innovations into the field and close to the end users, where they can be developed, deployed, and tested.This thesis approaches Innovation Environments from two sides: First, a lingua franca, i.e. a common way of communicating about human practices and interaction patterns in smart buildings, is developed. The result is summarized in Categories of Human-Building Interaction, which provide a reusable and extensible knowledge base for smart building researchers. Second, a Smart Building Framework is specified and implemented to support prototyping of innovative applications in smart buildings. It provides methods and software to overcome heterogeneity between existing and emerging technologies. Further, it provides easy-to-use APIs to foster prototyping and increase the programmability of smart buildings. The approach of turning smart buildings into Innovation Environments is validated by instantiating the Smart Building Framework in four different test buildings. The framework was deployed and running over a period of 19 months, in which various case studies were conducted. An improved HVAC control strategy was implemented and deployed, showing how the Smart Building Framework increases experimental freedom and programmability. Three end user applications were developed, validating how end user involvement can be improved and how the Categories of Human-Building Interaction support research and development processes. Finally, to assess the framework's capability to support prototyping, an API usability evaluation was conducted.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-461537.html