04.07.2024

Simulationen für mehr Energieeffizienz in Gebäuden

Vor- und Nachteile unterschiedlicher Baumaßnahmen werden in Echtzeit sichtbar.

Energiedienst­leistungen der nächsten Generation sollen Nutzern eines Gebäudes dabei helfen, die Vorteile neuer energie­effizienter Technologien oder thermischer Sanierungsmaßnahmen zu verstehen und zu visualisieren. Dazu gehört etwa die Steuerung von Heizung und Kühlung, der Beleuchtung oder der Belüftung. Um ein solches Angebot zu realisieren, hat Christina Hopfe, Leiterin des Instituts für Bauphysik, Gebäudetechnik und Hochbau der TU Graz, im Projekt Beyond Kolleginnen und Kollegen aus den Bereichen virtuelle Realität, maschinelles Lernen, physikalische Simulation und Internet der Dinge um sich versammelt. Entstanden ist dabei eine Virtual-Reality-Umgebung, in der Nutzer die physika­lischen Parameter eines Gebäudes verändern und die Auswirkungen dieser Veränderung in Echtzeit erleben können. Damit sind sie selbst in der Lage, ein korrekt geplantes energie­effizientes Gebäude zu realistischen Kosten zu entwerfen oder ein bestehendes energetisch zu verbessern.

Abb.: Sonneneinstrahlung und die vorhandene Fensterfläche müssen bei der...
Abb.: Sonneneinstrahlung und die vorhandene Fensterfläche müssen bei der Einstellung des Thermostats berücksichtigt werden.
Quelle: ISDS, TU Graz

In der Simulation ändern die Teilnehmer in einer virtuellen Umgebung die Eigenschaften eines Gebäudes oder Raumes und erhalten durch Anzeigen und Audio­hinweise zusätzliche Informationen. Das wird ergänzt durch haptisches Feedback über die Controller und Audio­signale zu positiven und negativen Auswirkungen dieser Änderungen. Wenn es etwa gilt, eine Wand zu dämmen, ist nicht nur der Wandaufbau und Material­einsatz relevant, sondern auch die dabei entstehenden Kosten. Auch die Größe der Fensterflächen hat unterschiedliche Effekte. Mehr Tageslicht wirkt sich positiv auf die Menschen aus. Fenster haben jedoch in der Regel einen hohen Wärmedurchgangs­koeffizienten, was in den kälteren Jahreszeiten zu größeren Energieverlusten führt als bei einer gedämmten Fassade. Umgekehrt kann eine Verglasung auch solare Gewinne einfangen, wodurch Fenster effektiv zu Heizkörpern werden. Das hat im Winter Vorteile, kann aber auch zu sommerlicher Überwärmung führen.

Durch das eindeutige Feedback lernen die Nutzer die Vor- und Nachteile verschiedener Maßnahmen in Gebäuden besser zu verstehen. Das macht diese Anwendung nicht nur wertvoll für Architek­tinnen und Planer, sondern auch für Nutzer und Studierende, die mit „Beyond“ als interaktivem Lehrmittel die Themen Bauphysik und Gebäudeverhalten besser verstehen lernen. Um den Anfor­derungen der verschiedenen Anwender gerecht zu werden, lassen sich die Parameter eines Gebäudes in verschiedenen Detailstufen verändern. So können Fragen wie: „Was passiert, wenn die Außen­temperatur um drei Grad Celsius steigt oder wenn die Art oder Position der Dämmschicht verändert wird?“ ebenso untersucht werden wie technische Fragen, etwa nach der Veränderung des Energie­verbrauchs bei erhöhten oder verringerten Heiz- oder Kühlsollwerten.

Einzigartig am Projekt ist die Kopplung von drei Technologien und Methoden. Neben einer Virtual-Reality-Umgebung kommen für die Verarbeitung, Darstellung und Veränderungs­prognosen der Gebäudedaten maschinelles Lernen und physikalische Simulation zum Einsatz. Hierfür werden mit relevanten Datenpunkten gefütterte mathe­matische Modelle und Prognose­methoden zur Bereit­stellung von Daten genutzt, die es ermöglichen, die tatsächlichen Auswirkungen von Planungs­eingriffen in Echtzeit zu visualisieren. Als drittes Element sind IoT-Plattformen und Sensor­netzwerke für die bidirektionale Echtzeit­kommunikation zwischen dem Gebäude und den Benutzern eingebunden. 

„Das Projekt Beyond behandelt ein interdisziplinäres Thema an der Grenze zwischen Bauphysik, Datenwissenschaft und virtueller Realität“, sagt Christina Hopfe. „Energieeffiziente Gebäude spielen auf dem Weg zur Klima­neutralität eine wichtige Rolle, denn derzeit ist der Gebäudebestand in der EU noch energieintensiv und überwiegend ineffizient – er ist für vierzig Prozent des Endenergie­verbrauchs und etwa 36 Prozent der CO2-Emissionen verant­wortlich. Das Projekt ermöglicht erstmals die Verbindung von VR-Technologie, realen Gebäudedaten sowie Echtzeit­kommunikation und -simulation. Durch das schnelle Feedback des Systems wird der Energie­verbrauch von Gebäuden direkt bewusst.“

Aus Sicht von Christina Hopfe ist dieses Bewusstsein von zentraler Bedeutung für die Änderung des, insbesondere eigenen, energie­bezogenen Verhaltens und für die nachhaltige Gebäudeplanung – und damit für das Erreichen der Klimaziele. „Die EU strebt an, bis 2050 klimaneutral zu sein, und das bedeutet, dass die gesamte bebaute Umwelt so umgestaltet werden muss, dass sie netto keine Treibhausgas­emissionen mehr erzeugt. Erneuerbare Energien sind ein Teil dieser Lösung, aber auch Energiedienst­leistungen wie vorausschauende Wartung, bedarfsseitiges Management oder modellprädiktive Steuerung spielen eine wichtige Rolle bei der Senkung des Energie­bedarfs von Gebäuden und verwandeln Gebäude in aktive, intelligente Akteure in übergeordneten Energie­systemen“, sagt Hopfe.

TU Graz / JOL

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