Forschung im Fokus

Stein auf Stein, System auf System – die Entwicklung von multifunktionalen Gebäuden mit vernetzten Simulationstools

Sitzen Kinder vor einem Haufen Legosteinen und planen, ein Haus zu bauen, kann das mitunter sehr kreativ werden. Wahrscheinlich hat jedes von ihnen eine Idee, die es umsetzen möchte und nach einer kurzen Diskussion geht der Spaß los. Kommen sich die kleinen Architekten dann in die Quere, können Teile des Hauses ruck-zuck wieder ab- und neugebaut werden, immer weitere Komponenten kommen dazu. Im schlimmsten Fall wird das Gebilde abgerissen und die Bande wendet sich einem anderen Projekt zu. Nach diesem »Trial and Error«-Prinzip vorzugehen, wäre in der realen Welt ziemlich teuer und würde mit hoher Wahrscheinlichkeit in Chaos und Streit enden.

Beim Bau eines Gebäudes gibt es viele Beteiligte: der Bauherr, verschiedene Planer und Architekten sowie Zulieferer und verschiedenste Gewerke müssen gemeinsam Lösungen finden, die den zunehmenden Anforderungen im Bauwesen Rechnung tragen. Im Fokus stehen heute energetische Fragestellungen zu Gebäuden und Siedlungen, die Entwicklung von effizienten Energieversorgungskonzepten, sowie Maßnahmen zur Bedarfsminimierung unter Einbeziehung von erneuerbaren Energien. Dies geht einher mit den Kriterien für ein nutzer- und nutzungsgerechtes Raumklima. Um bereits in der Planungsphase die komplexen technischen Zusammenhänge eines Gebäudes, wie beispielsweise thermodynamische Systeme sowie technische Anlagen zu optimieren und aufeinander abzustimmen, kommen computergestützte Simulationstools zum Einsatz. Wissenschaftler der Abteilung Energieeffizienz und Raumklima am Fraunhofer IBP beschäftigen sich in der Arbeitsgruppe Planungswerkzeuge seit Jahren mit der Entwicklung und Pflege eines umfangreichen Satzes an unterschiedlichen rechnergestützten Planungswerkzeugen. Im Bereich der energetischen und lichttechnischen Bewertung von Gebäuden und Siedlungen ist nicht zuletzt durch die erhöhten Energieeffizienzanforderungen und neu eingeführte Bewertungsverfahren national und international ein großer Bedarf an Rechenwerkzeugen entstanden. Unter dem Schlagwort des Building Information Modeling (BIM) werden aktuell viele neue Herangehensweisen, Prozesse und Werkzeuge für das effiziente und effektive Planen und Bauen diskutiert. »DAS Tool, in dem alle relevanten Informationen zusammenlaufen und das von allen beteiligten Personen bedient werden kann, gibt es nicht. Dafür sind die Anforderungen zu unterschiedlich«, weiß Sebastian Stratbücker, der gemeinsam mit Simon Wössner die Arbeitsgruppe Planungswerkzeuge leitet. »Daher arbeiten wir daran, einzelne Softwarebausteine kompatibel zu machen und mit Hilfe von Schnittstellen miteinander zu vernetzen.«

Eine gemeinsame Sprache sprechen

Der Ingenieur in einem Bauprojekt arbeitet mit technischen Kenngrößen und Rechenvorschriften, der Architekt mit Maßstäben und Konstruktionsplänen, ein Anlagenplaner mit der Dimensionierung und Anordnung der Gebäudetechnik.  Die Bauindustrie sieht sich immer komplexer werdenden Aufgaben und wachsenden Anforderungen gegenüber. Bauherren sollten frühzeitig kritische Investitionsentscheidungen treffen können, welche letztlich nicht nur die Kosten für die Bauausführung beeinflussen, sondern in weitaus größerem Maße den Gebäudebetrieb. Planungssicherheit setzt hierbei voraus, dass unterschiedliche anlagentechnische Systeme, wie Heizung, Lüftung, Kühlung oder auch Beleuchtungstechnik und Sonnenschutz aufeinander abgestimmt in das Gesamtsystem »Gebäude« funktional integriert und im Verbund validiert werden. Gesucht sind also Instrumente, mit denen alle Beteiligten ein Verständnis für das Projekt aufbauen und mit deren Hilfe die Auswirkungen und Anforderungen der einzelnen Bereiche miteinander in Beziehung gesetzt werden können. »Dazu bedarf es einer ›gemeinsamen Sprache‹«, sagt Stratbücker. Als vielversprechender Trend kristallisieren sich unter anderem Entwicklungen heraus, die auf der gleichungsbasierten und objektorientierten Modellierungssprache Modelica basieren. Dabei wird zunächst ein physikalisches Modell formuliert, anschließend von einem automatisierten Übersetzungsalgorithmus in ein Gleichungssystem überführt und letztlich mittels unterschiedlicher numerischer Lösungsverfahren effizient berechnet. Die Modelica-Technologie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass Wissenschaftler und Ingenieure interdisziplinär zusammenarbeiten und validierte Modellbibliotheken nutzen können, um Systeme in der erforderlichen Komplexität abbilden zu können – ohne dabei an Transparenz und Nachvollziehbarkeit zu verlieren.

Modulare Simulation fördert interdisziplinäre Zusammenarbeit

»Die modulare Simulationsstruktur ermöglicht es, die Komplexität heutiger und zukünftiger Gebäudesysteme akkurat abzubilden und den Planer damit effektiv zu unterstützen«, erklärt Stratbücker. Die Wissenschaftler des Fraunhofer IBP arbeiten deshalb an der Entwicklung und Implementierung neuer Berechnungsalgorithmen, die der Beschreibung komplexer physikalischer Zusammenhänge dienen. Zum anderen werden bedienerfreundliche Informations- und Beratungstools erstellt, damit Ingenieure, Planer und Gutachter auf die neuesten Erkenntnisse aus der Bauforschung zugreifen können. Die Werkzeuge finden Anwendung sowohl in der alltäglichen Planungspraxis als auch bei der Bewertung spezieller raumklimatischer, energetischer und lichttechnischer Fragestellungen. »Als ein Schwerpunkt sind hier im Besonderen die von meinem Kollegen Wössner betreuten Lösungen zur Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung von Gebäuden (DIN V 18599) herauszustellen. Diese haben bereits tausendfach Einzug in die Softwareprodukte unterschiedlicher Hersteller für Energieberater gehalten«, ergänzt der IBP-Wissenschaftler.

Auf Basis sogenannter Modellbibliotheken forscht das Fraunhofer IBP derzeit im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft geförderten Projektes, dass künftig Gebäudesimulationen nach einem objektorientierten Ansatz aufgebaut werden. So werden sich nach dem Baukastenprinzip mit vordefinierten Schnittstellen neue Anwendungsprogramme für spezielle Kundenanforderungen erstellen lassen. Mit Hilfe des Functional Mockup Interface (FMI) als Schnittstelle, ist es nun möglich mehrere Planer und Tools direkt an der Erstellung eines Simulationsmodells zu beteiligen. »Das heißt konkret, dass zahlreiche Planer mit ihrem ganz speziellen Knowhow nun zusammen an einer Lösung arbeiten, die dann alle fachspezifischen Modelle in einem integriert«, erklärt Sebastian Stratbücker das Prinzip. Gegenseitige Abhängigkeiten oder Auswirkungen von Änderungen eines Gewerkes auf andere können umgehend identifiziert und berücksichtigt werden. Ein weiterer großer Vorteil der modularen Simulationstechnik in Verbindung mit dem FMI-Schnittstellenstandard liegt darin, technische Neuentwicklungen detailliert innerhalb der Simulation zu untersuchen und nicht nur deren Energiebedarf, sondern auch deren Effekt auf das Raumklima zu bewerten.

Simulationswerkzeuge aus dem Baukasten

Für unterschiedliche Expertenbereiche wie Raumluftqualität, thermische Behaglichkeit, Energieeffizienz oder Lichttechnik bedienen sich die zuständigen Planer künftig ihrer fachspezifischen Modelle.

Mit Nutzermodellen wird die Gebäudeperformance geplant und simuliert. Da sich in den letzten Jahrzehnten die gesellschaftlichen Strukturen und somit die Tagesabläufe der breiten Masse verändert haben, forschen die Wissenschaftler des Fraunhofer IBP laufend an statischen wie auch dynamischen Modellen. So bedienen sich die statischen Modelle unter anderem aus Messvorhaben von Gebäuden als Gesamtsystem. Dabei zeigt sich zum Beispiel bei Plusenergiehäusern sehr beeindruckend, dass selbst bei solch hocheffizienten Gebäuden der Unterschied zwischen statischer Rechnung und Messung im Mittel sehr nah beieinander liegt. Um nicht nur den durchschnittlichen Nutzertypus in seinem Verhalten abbilden zu können, sondern auch mehrere verschiedene Gruppen, werden die Tools mit empirischen Modellen aus verschiedenen Daten hinterlegt. Im Fokus steht unter anderem das Heiz- und Lüftungsverhalten und welche Gegebenheiten wie Sonneneinstrahlung oder Außentemperatur das Gebäudesystem beeinflussen könnten. »Natürlich habe wir immer den Nutzer mit seinen Bedürfnissen im Blick, denn automatisierte Systeme wie die Verschattung oder Beleuchtung sollen ein angenehmes Raumklima mit den energetischen Aspekten möglichst optimal in Einklang bringen und nicht den Nutzer beeinträchtigen. Denn wenn beispielsweise der Sonnenschutz bei lockerer Bewölkung immer wieder rauf- und runterfährt, kann das für die Menschen im Gebäude ziemlich unangenehm werden«, so Stratbücker. »Letztlich steigt die Genauigkeit der statischen wie auch der dynamischen Modelle mit der immer präziseren Kennung der Randbedingungen.«

Derzeit beschäftigen er und sein Team sich aber schwerpunktmäßig mit den zonalen Modellen, welche bereits in Modelica mit der sogenannten VEPZO-Bibliothek vorhanden sind. Hierbei erfolgt die Aufteilung des Raumes in mehrere Zonen, um detaillierte Vorhersagen beispielsweise zu Raumluftströmungen, Wandtemperaturen, Temperaturschichtungen, dem Einfluss von Wärmequellen und Luftauslässen oder der Tauwasserbildung an kalten Oberflächen treffen zu können. Die Forscher untersuchen die Auswirkungen eines instationären Gebäudebetriebs hinsichtlich Systeme und Nutzerakzeptanz und eröffnen damit neue Möglichkeiten wie die Auswahl geeigneter räumlicher und zeitlicher Modellskalen oder einer Verfeinerung für beispielsweise hohe lokale Luftgeschwindigkeiten.   
Zonale Strömungssimulationen erweisen sich als nützliche Ergänzung zu rein energetischen oder hygrothermischen Simulationen während der Gebäudeplanung; und durch deren Integration kann neben den üblichen Energie- und Feuchtetransportvorgängen durch Bauteile auch die Temperatur- und Feuchteverteilung in einem Luftvolumen bestimmt werden. Für Bauten in denen das Raumklima schwer vorherzusagen, beziehungsweise die Situation nicht über vereinfachte Berechnungsverfahren abzubilden ist, sind zonale Modelle das geeignete Werkzeug für eine qualitativ hochwertige Planung. Beispiele für solche Bauten sind Großraumbüros, Fabrikhallen oder Atrien. Letztere können aufgrund ihrer Raumhöhe starke Temperaturunterschiede aufweisen. In der Vergangenheit wurde dafür CFD-Simulationen eingesetzt. Jedoch ist der Aufwand einer solchen, passgenauen Simulation nicht mit dem gewonnenen Nutzen gleich zu setzen. »Zwar bieten die zonalen Varianten eine gröbere räumliche Auflösung an als die CFD-Simulation, brauchen dabei aber auch nur einen Bruchteil der Zeit. Und zudem ist für viele Fragestellungen in Gebäuden eine derart hohe Auflösung, wie sie bei CFD erreicht wird, nicht notwendig und die Randbedingungen größtenteils nur vage bekannt«, stellt Stratbücker klar.
Weitere Vorteile der zonalen VEPZO-Modelle liegen darin, dass die Art und Positionierung von Übergabesystemen zum Beheizen und Belüften sowie der Zu- und Abluftöffnungen explizit untersucht und hinsichtlich des erzeugten Raumklimas bewertet werden können. Das heißt, dass ideale Luftführungen in komplexen Raumsituationen geplant und lokale Einflussgrößen wie die Sonneneinstrahlung für die Raumklimawirkung dargestellt werden können, aber auch die Bewertung der Lüftungseffizienz und der thermischen Behaglichkeit im Vorfeld möglich sind. Im Gegensatz zu heutigen Methoden werden die Komponenten dabei nicht mehr rein als Quelle interner Heiz- oder Kühllasten verstanden. Vielmehr geben sie jetzt detailliert Aufschluss über ihre physikalisch unmittelbare Wirkung auf das lokal unterschiedliche Raumklima durch Größen, wie zum Beispiel Oberflächentemperaturen bei Radiatoren oder umgewälztem Luftvolumen bei Konvektoren. Konventionelle Simulationsumgebungen beherrschen dies aufgrund ihrer fehlenden Detailtiefe nicht. »Wir haben festgestellt, dass besonders im Gebäudebereich diese Tools eine geeignete räumliche Auflösung in Kombination mit einem begrenzten Aufwand zur Erstellung und Analyse der jeweiligen Raumsituation bieten«, resümiert der IBP-Forscher. »Außerdem können wir durch die Berechnung von Strömungen die Verteilung von Schadstoffen, wie CO2, in Innenräumen positionsabhängig bestimmen und somit die Luftqualität gut vorhersagen.«

Die Arbeitsgruppe Planungswerkzeuge ist seit 2013 am Europäischen Forschungsprojekt ECO-SEE, »Eco-innovative, Safe and Energy Efficient wall panels and materials for a healthier indoor environment« beteiligt. Ziel des Gesamtprojektes ist es, durch innovative und nachhaltige Baustoffe ein gesünderes Innenraumklima zu schaffen, bei gleichzeitiger Kostenersparnis von 20 bis 30 Prozent durch multifunktionale Produkte und deren intelligenten Einsatz im Neubau und in der Gebäudesanierung. Als zentrales Ergebnis des Projekts soll ein neuartiges Planungs- und Bewertungstool geschaffen werden, welches bei der kommerziellen Verwertung der ECO-SEE-Produkte die wesentlichen Vorteile für das Innenraumklima quantitativ darstellen soll. Hierbei sollen die unterschiedlichen bauphysikalischen Faktoren in ein einheitliches Bewertungsschema überführt werden, so dass für den Nutzer ein Vergleich zwischen verschiedenen Produkten und Lösungen möglich wird. Neben thermischen und feuchtetechnischen Eigenschaften der Wandpaneele, werden auch deren akustische Leistungskennwerte erfasst und in einem Modell abgebildet. Ein weiterer wesentlicher Wirkfaktor ist die Fähigkeit der Materialien, die Luftqualität aktiv zu verbessern, indem Schadstoffe aus der Raumluft aufgenommen werden. Diesen Teilbereich leitet Fraunhofer und koordiniert ein internationales Forscherteam bei der Entwicklung eines neuen, modellbasierten Planungstools. Bislang wurden die Teilmodelle für Raumluftqualität, Hygrothermik und Akustik anhand von umfangreichen Messungen an den neuen ECO-SEE-Materialien erstellt und validiert. Im weiteren Projektverlauf wird am Fraunhofer IBP eine Software entworfen und prototypisch implementiert, welche alle Teilmodelle integriert. Basierend auf einem digitalen Gebäude- bzw. Raummodell (BIM) soll demonstriert werden, wie eine ganzheitliche Bewertung der ECO-SEE-Lösungen künftig durchgeführt und die Ergebnisse an die Planer kommuniziert werden können.

Gebäudesystemmodelle beschäftigen sich gezielt mit dem Raumklima. In einer Modellbibliothek werden Raumklimasensoren, also Messfühler, detailliert abgebildet. Die Bibliothek ist dabei so aufgebaut, dass sie zonale Wirkgrößen und Klimaeffekte zeigt. Künftig wird mit diesen Modellen auch jeglicher Strahlungsaustausch – ob nun von Menschen oder technischen Wärmequellen – mit der Umgebung wiedergegeben werden. Eine Sensorart  erfasst  die Äquivalenttemperatur, indem sie durch eine beheizte Fläche die trockene Wärmeabgabe des menschlichen Körpers simuliert. Die Äquivalenttemperatur ist ein in der DIN EN ISO 14505-2 definiertes Klimasummenmaß und fasst die Größen Lufttemperatur, Luftgeschwindigkeit und Wärmestrahlung zusammen. Damit werden thermische Umgebungsbedingungen mit nur einem Zahlenwert beschreibbar, was eine vergleichende Bewertung unterschiedlicher Klimaszenarien ermöglicht. Die Forscher setzen in diesem Zusammenhang, das am Fraunhofer IBP entwickelte Messsystem DressMAN 2.0 ein. An einer Trägerpuppe werden Sensoren angebracht. Diese Sensoren können über den gesamten Körper verteilt an beliebiger Stelle positioniert und ausgerichtet werden. Die Sensor-Modelle ermöglichen einen direkten Vergleich zwischen gemessenen und simulierten Raumklimagrößen. Eine weitere Forschungseinrichtung am Fraunhofer IBP unterstützt die Wissenschaftler bei der Generierung und Analyse wichtiger Daten: das sogenannte IATC (Indoor Air Test Center). Hier werden einzelne Übergabesysteme für Heizung, Lüftung und Klimatechnik (HLK) wie zum Beispiel Konvektoren, Radiatoren oder Lüftungsbauteile wie Drallauslässe in Betrieb genommen und deren Leistungskennwerte in ein parametrisches Modell überführt. »Die so entstehende Modellbibliothek wird sowohl physikalische Modelle als auch die Geometriedaten der Systeme beinhalten, welche sowohl für die Bestimmung der effektiven Strahlungsflächen als auch für die zonale Kopplung mit dem umgebenden Raum erforderlich sind«, erklärt Sebastian Stratbücker.

Gut ausgestattete, valide Bibliotheken und Modelle sind ein grundlegender Baustein für virtuelles Bauen. Mit deren Hilfe können die physikalischen und funktionalen Charakteristika des Gebäudes digital untersucht und optimiert werden – bevor es überhaupt gebaut wird. Ein sogenannter Virtueller Zwilling des Gebäudes entsteht und wird über den gesamten Lebenszyklus weiterentwickelt, denn erst im Betrieb oder im Renovierungsfall zeigt sich der eigentliche Mehrwert der digitalen Gebäude-Informationsmodelle (BIM). Wo heute Information häufig fehlt oder aufwendig beschafft werden muss, wird man morgen ganz leicht auf Datenbanken mit aktualisierten und konsistenten Gebäudedaten zurückgreifen können. Und da ist sich Stratbücker sicher: »Die Vorarbeiten die wir im F&E-Bereich heute leisten, werden in naher Zukunft den Paradigmenwechsel in der Planungspraxis einleiten. Virtuelles Bauen bedeutet dann, alle technischen und physikalischen Leistungskennzahlen eines Bauwerks vollständig über das Modell nachweisen zu können.«
(taf)