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IBIT - Institut für bauwerksintegrierte Technologien

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Kurzfassung des Schlussberichtes

Die Kurzfassung des Schlussberichtes gliedert sich in folgende Abschnitte:

  • Einleitung
  • Energieströme in Gebäuden: Bewertung und Optimierungsansätze
  • Wohlbefinden in Gebäuden: Einflussgrößen
  • Das Gebäude: Eine komplexe Anlage
  • Energetische Optimierung im Betrieb
  • Nutzerorientierte und energieoptimierende Planung von Gebäuden
  • Gesamtfazit

Einleitung

Seit 1999 fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen seiner Innovationsoffensive „Unternehmen Region“ vielversprechende Innovationskonzepte in den Neuen Ländern, u. a. auch die in Erfurt verortete InnoRegio Bautronic. Ein Ziel dieses Netzwerks ist, das derzeit nach wie vor tradierte Bauwesen mit seinen Abgrenzungen in einzelne Gewerke und Realisierungsebenen mit den Möglichkeiten der Mikrosystem- und Gerätetechnik zu verbinden. Das vom BMBF geförderte Forschungsvorhaben INNOSEG – Interdis­ziplinäre, Nutzerorientierte Nachhaltige Optimierung von Stoff- und Energieflüssen in Gebäuden – gliedert sich in dieses Netzwerk ein. Es untersucht Möglichkeiten zur Optimierung von Energieströmen in Gebäuden und fokussiert dabei, vor dem Hintergrund einer bisher defizitären Betrachtung von Personenfaktoren im Bauwesen, besonders auf die Perspektive der Nutzerinnen und Nutzer von Gebäuden. Durch die Verknüpfung unterschiedlicher technischer Blickwinkel mit einer psychologischen Perspektive soll ein Beitrag zum Verständnis der Interdependenzen des Energieverbrauchs in umbauten Räumen geleistet werden. Welche Ergebnisse eine solche integrative Sichtweise zeigt, soll hier in aller Kürze vorgestellt werden.

Energieströme in Gebäuden: Bewertung und Optimierungsansätze

Die bisher genutzten Bezugsgrößen zur Bilanzierung des Energieeinsatzes in Gebäuden – CO2, Energie und Exergie – sind nur bedingt für einen gebäudeübergreifenden Vergleich geeignet. Energieverbrauchsgrößen, die auf die Netto-Grundfläche sowie zusätzlich auf die Personennutzungsstunden bezogen werden, erscheinen geeigneter. Zwar steht außer Frage, dass zur Berechnung der CO2-Äquivalente oder der Ermittlung der Exergie ein gegenüber der Berechung des Energiebedarfs erhöhter Aufwand notwendig ist, aber als Indikator für Versorgungssicherheit und Umweltschutz wäre das Kriterium der CO2-Äquivalente bezogen auf genannten Größen für eine Bewertung am besten geeignet.

Hinsichtlich der Energieversorgung von Gebäuden bestehen unterschiedliche Ansatzpunkte zur Optimierung: die Verminderung des Nutzenergiebedarf, die Erhöhung des Nutzungsgrads zur Bereitstellung der Nutzenergie und schließlich die Optimierung bei der Erzeugung der Endenergie. Allein die Definition der Nutzenergie gestaltet sich schwierig. Als Nutzenergie müsste das Minimum der Energie bezeichnet werden, das nötig ist, um den Nutzern eines Raumes den persönlichen thermischen, visuellen und hygienischen Komfort zu ermöglichen. Da dem Nutzerverhalten damit eine zentrale Rolle zufällt, ist dessen Berücksichtigung Kernaufgabe bei der Optimierung von Stoff- und Energieströmen. Für die Bewertung der Gebäudehülle und Anlagentechnik sowie den Vergleich untereinander ist es aber gleichwohl sinnvoll, Nutzereinflüsse auszuschließen. Zum Vergleich von Gebäudekonzepten, Anlagenvarianten u. ä. wären daher Simulationen zu empfehlen, die z.B. für die Bedarfsermittlung an Energie auf ein gleiches Nutzerprofil zurückgreifen. Möchte man variierende Nutzerprofile vergleichen, so ist dies nur möglich, indem man entsprechende Bezugsgrößen einführt, die ebenfalls diese Varianz abbilden.

Mindesttemperaturen und vorgeschriebene Luftwechsel sowie Beleuchtungsstärken lassen nur selten auf den tatsächlichen individuellen Bedarf schließen. Für die Bewertung von Unterschieden zwischen rechnerischem Bedarf und tatsächlich gemessenem Verbrauch ist es erforderlich, herauszufinden, ob Abweichungen gegenüber dem Ausgangsszenario an geänderten Nutzungsprofilen liegen oder anlagenseitig bedingt sind. Dazu sollte ein Modell für die Bedarfsberechnung geschaffen werden, das Nutzerprofile einbezieht, denn nur so kann im Modell die Vergleichsrechnung mit den Bedarfswerten erfolgen. Um dieses Vorgehen von der Planung auch auf den Betrieb zu übertragen, sind allerdings einfach handhabbare Modelle notwendig.

Der Endenergiebedarf wird rein technisch von der Effizienz der dabei nötigen Energiewandlung und des Energietransportes bestimmt und hängt sowohl von der Anlagentechnik selbst als auch von der Betriebsweise ab. Energieverluste bleiben, von finanziellen Aspekten einmal abgesehen, dabei ohne Auswirkungen auf das Wohlbefinden des Nutzers. Im Falle der Erzeugung von Endenergie kann der Nutzer durch die Auswahl des Versorgers selbst einen Einfluss auf den Kohlendioxid-Ausstoß nehmen, der je nach Primärenergieträger unterschiedlich ist; bei der Wahl eines Versorgers mit ausschließlich erneuerbaren Quellen fällt die energetischen Bewertung sogar klimaneutral aus.

Bei der generellen Bewertung von Stoff- und Energieströmen ist als ein neuer Aspekt auch die Nutzungsintensität mit Personennutzungsstunden zu berücksichtigen. Neben der Nutzungsintensität beeinflusst der Nutzer mit seinen Anforderungen selbst entscheidend den Energieverbrauch im Gebäude, so dass die vorhandenen, verbesserten Techniken von Einzelelementen eines Gebäudes erst in Verbindung mit einem energetisch geschulten Nutzer ihr Potenzial vollständig ausschöpfen können. Welche Anforderungen die Nutzer unter Wohlbefindensaspekten an die Technik stellen, wird nachfolgend aufgeführt.

Wohlbefinden in Gebäuden: Einflussgrößen

Auch wenn aus der Forschung bekannt ist, dass auch die ästhetische Gestaltung von Räumen die Raumklimawahrnehmung beeinflusst – so führt etwa nach Rohles[1] (1981) die unterschiedliche Materialität von Büromöbeln zu einer Veränderung in der Raumklimawahrnehmung –, sind unter Energieaspekten zunächst einmal die physischen Faktoren von Interesse. Im Wohnkontext spielen ferner die Energiekosten eine nicht unerhebliche Rolle, denn zur Reduktion der monetären Aufwendungen für Energie werden mitunter Befindlichkeitseinbußen oder gar Gesundheitsrisiken akzeptiert. Abbildung 1 illustriert die Einflüsse auf das thermische Wohlbefinden und macht deutlich, dass eine nur auf die Physiologie fokussierende Betrachtung der thermischen Wahrnehmung zu kurz greift.

Abbildung 1: Feedbackmodell der thermischen Behaglichkeit (in Anlehnung an de Dear et al.[2])
Abbildung 1: Feedbackmodell der thermischen Behaglichkeit (in Anlehnung an de Dear et al.[2])

Dass die Raumklimawahrnehmung wesentlich von individuellen Kontrollmöglichkeiten geprägt wird, illustriert eine im Rahmen von INNOSEG realisierte Detailanalyse der der ProKlimA-Studie, die auf Bürogebäude abhebt. Sie weist darauf hin, dass die von Fachleuten vermutete (positive) Wirkung des Nutzereinflusses auf die Äußerung thermischen Wohlbefindens bestätigt werden kann. Sofern ein nutzerseitiger Einfluss auf die entsprechenden Parameter (Raumtemperatur, Luftbewegung und Licht) möglich ist, werden von den Nutzern signifikant w Negativeinschätzungen zu diesen Parametern getroffen – wobei dieser Befund gleichermaßen für natürlich belüftete Räume als auch unter klimatisierten Bedingungen gilt.

Für die Betrachtung der Innenraumluftqualität gilt, dass zahlreiche Debatten über die Luftverschmutzung zwar zu stärkeren Restriktionen der Emissionen von Schadstoffen in der Außenluft geführt haben, die Innenluft nach wie vor zumeist jedoch nur durch sporadische Stichproben überwacht wird. Einen wichtiger Bestandteil der Innenraumluft bildet das Kohlendioxid, das schon von Pettenkofer[3] als Summenmaß für die Raumbelastung herangezogen wurde. Dieser traditionelle Luftqualitätsmarker gilt auch als Indikator für andere Emissionen des Menschen, so z. B. Feuchtigkeit und Geruchsstoffe. Die Einhaltung einer CO2–Konzentration <1.000 ppm gewährleistet in von Menschen genutzten Räumen eine gute Luftqualität. Stark individuell geprägt ist jedoch die Empfindung unangenehmen Geruchs, die u. a. vom Hygienestandard oder von der gewählten Nahrung der betrachteten Personen abhängig ist. Vor allem der Effekt der Gewöhnung ist häufig zu beobachten, wenn Menschen von außen einen geruchsbelasteten Raum betreten, wohingegen die sich darin aufhaltenden Menschen bis dahin die Luftverunreinigung nicht registriert haben. Bei Luftqualitätsuntersuchungen mit Nutzern und einem externen Riechteam wurde in klimatisierten Gebäuden ein auffällig negativer Zusammenhang zwischen Luftqualität und Kohlendioxidkonzentration festgestellt. Dies legt den Schluss nahe, dass eine zu geringe Konzentration der Behaglichkeit möglicherweise abträglich ist. Die Interindividualität des Nutzers beim Empfinden der Luftqualität deutet also bereits auf entsprechende Unterschiede bei der Lüftung hin. Wenn nicht mehr sicher ist, dass hohe Luftwechsel ein höheres Maß an empfundener Luftqualität erzeugen, kann der Luftwechsel in der Heizperiode abgesenkt werden und somit der Wärmeverbrauch gesenkt werden.

Bezüglich der Beleuchtung existieren nur für Büroräume Vorgaben für die künstliche Beleuchtung, die jedoch keine Garantie für Wohlbefinden sind, da – wie im privaten Bereich – verstärkt individuelle Präferenzen eine Rolle spielen. Allein deshalb sollte der Nutzer verstärkt Einfluss auf die Beleuchtungsstärke (etwa durch Dimmung) nehmen können. Neben der Beleuchtungsstärke beeinflusst auch die Blendwirkung das Wohlbefinden. Zur Verminderung großer Leuchtkontraste kann z. B. der hellere Teil verdunkelt werden, was im Sommer zumeist mit dem notwendigen Sonnenschutz einhergeht, der eine Überhitzung des Raumes verhindert. Einen Kompromiss (i. S. eines guten Betriebspunktes) zwischen hoher Tageslichtausbeute, thermischem Komfort und guter Luftqualität zu finden, hängt von den Spezifika des Raumes und der Technik – aber auch von den Vorlieben der jeweiligen Personen ab. Auch hier sind dem Nutzer Bedienungs- und Steuerungsmöglichkeiten einzuräumen, da sich keine eindeutigen Profile der Nutzer abzeichnen.

Neben den eher physiologisch konnotierten Parametern sind aus Sicht des Nutzers auch zahlreiche psychologische Komponenten für eine Qualitätseinschätzung von Räumen und Gebäuden und damit dem Wohlbefinden wichtig. Funktionale Elemente, die die Passung zwischen Nutzer­aktivitäten und Wohnumwelt­merkmalen abbilden, bilden die Klammer zwischen den physiologischen und den psychologischen Elementen. Eine mit Wohnungsnutzern („Bewohnern“) und Büronutzern realisierte qualitative Studie, in der die Befragten eine Rangliste von Wohlbefinden beeinflussenden Faktoren (die zuvor in einem mehrstufigen Bestimmungsverfahren mit Experten ausgewählt wurden) bilden sollten, zeigt folgendes Bild (vgl. Tabelle 1):

Tabelle 1: Rangordnung der Befindlichkeitsfaktoren
Tabelle 1: Rangordnung der Befindlichkeitsfaktoren

Dabei ist festzuhalten, dass in Wohn- und Arbeitsumwelten systematische Unterschiede in der Gewichtung verschiedener Faktoren auf das Wohlbefinden bestehen und im Wohnkontext physiologisch relevante Befindlichkeits­faktoren als wichtiger beurteilt werden als nicht-physiologische – einmal mehr Ausdruck der an Wohnräume gerichteten „homöostatischen Ansprüche“ und für Büroräume zugleich ein Hinweis darauf, neben objektiven Raum­qualitäts­optimierungen immer auch Modifikationen in Arbeitsablauf und -struktur mit zu realisieren. Die Befunde der qualitativen Studie konnten durch die quantitativen Daten untermauert werden.

Auch wenn wesentliche Energieeinsparpotenziale die Raumtemperatur betreffen, so birgt diese Fokussierung aufgrund der subjektiven Wichtigkeit dieses Parameters auch Risiken: Wie kein anderer Faktor repräsentiert Raumtemperatur das individuelle Wohlfühlen in Wohnungen und Wohnräumen. Veränderungen werden hier besonders aufmerksam wahrgenommen, da hier ein grundlegendes physiologisches Bedürfnis angesprochen ist. Maßnahmen zur Energieeinsparung, so wird vermutet, werden vom Nutzer vor allem dann als gewinnbringend erlebt werden, wenn diese sich unmittelbar positiv auf das Wohlbefinden auswirken (gleichwohl mit monetären Gewinnen). Für Arbeits- und Büroräume erscheint das Energie­einspar­potenzial Raum­temperatur nicht zuletzt deshalb einfacher erschließbar, weil bei der Hierarchisierung der Beleuchtungs­aspekt von besonderem Interesse ist. Aufgrund der Verkopplung mit arbeits­organisatorischen Aspekten gelingt eine vollständige Realisierung von Energie­einspar­potenzialen wahrscheinlich am besten, wenn zuvor eine Arbeitsplatz­analyse durchgeführt wird.

Aus der Perspektive der Wohlbefindensbetrachtung sind individuelle Steuerungs- und Anpassungsmöglichkeiten im Wohnungsbereich notwendig, da die Behaglichkeits­grenzen für Raumklima individuell sehr verschieden sind und die Mehrheit der Personen auf deren Unter- oder Überschreiten sensibel reagiert. Die individuelle Kontrolle ist für Arbeitsräume auch zu empfehlen, es dürfte jedoch vermutlich ausreichen, überhaupt die Einstellungen der Technischen Gebäudeanlagen individuell abändern zu können. Um bestmögliche Einsparungen zu erzielen sollten die eingesetzten Techniken möglichst unkompliziert und flexibel sich den (auch ggf. unregelmäßigen) Arbeitsrhythmen der Büronutzerinnen und -nutzern anpassen. Ein neuer Ansatz wäre, Behaglichkeit anhand von Beschwerdemeldungen[4] zu analysieren oder – bei Gebäuden mit ausschließlich hohen Freiheitsgraden der Anlagentechnik – die von den Nutzern während ihrer Anwesenheit tatsächlich eingestellten Werte ausfindig zu machen, um so die praktische Relevanz der abgegebenen Urteile bemessen zu können.

[1]   Rohles, F. H. (1981). Thermal comfort and strategies for energy conservation. Journal of social issues. 37 (2), 132-149.

[2]  de Dear, R.; Brager, G. & Cooper, D. (1997). Developing an Adaptive Model of thermal Comfort and Preference – final report ASHRAE RP-884. Inc. and Macquarie Research, Ltd.

[3]   Pettenkofer, M. v. (1858). Über den Luftwechsel in Wohngebäuden. München: Literarisch-Artisti­sche Anstalt der J. G. Cotta'schen Buchhandlung.

[4]  Bischof, W.; Hellwig, T. R. & Brasche, S. (2007). Thermischer Komfort – die extraphysikalischen Aspekte. Bauphysik, 29 (3), 208-212.

Das Gebäude: Eine komplexe Anlage

In der bisherigen Gebäudeforschung werden Gebäude, Gebäudetechnik und Nutzer überwiegend getrennt voneinander betrachtet. Neuere Entwicklungen (unter dem Schlagwort „Intelligentes Haus“) beleuchteten das Problemfeld zwischen Gebäude­technologie und Nutzer i. d. R. nur unter dem Fokus der Technologieakzeptanz oder der Techniksoziologie. Ursachen für die unzureichende Berücksichtigung des Einsparpotenzials durch Nutzer liegen u. a. in der mit steigender Anzahl von Gebäudetechnik zunehmenden Komplexität der Abhängigkeiten im Gebäude sowie in ungenügenden (oder zu komplizierten) Bedieninformationen für den Nutzer. Letzteres kann den technischen Vorteil einer funktionierenden Technik aufheben oder gar konterkarieren. Um hier Ansatzpunkte zur Optimierung des Nutzerverhaltens zu identifizieren, können Fehlertaxonomien ein gutes Beurteilungsschema darstellen. Der in INNOSEG verfolgte Ansatz sieht drei Fehlerkategorien vor:

 

* (a) Fehler aufgrund objektiven Fehlens relevanter Informationen,

* (b) Fehler aufgrund fehlender Verarbeitung vorhandener Informationen und

* (c) Fehler aufgrund falscher Verarbeitung vorhandener Informationen,

 

die für eine Ableitung systematischer Interventionen zur Optimierung von Energie- und Stoffströmen auf technischer und sozialer Seite geeignet sind.

 

Wie Fehler im Umgang mit Informationen minimiert werden könne, illustriert eine in INNOSEG entwickelte nutzeroptimierte Schnittstelle, deren Erstentwurf auf Forderungen bestehender Richtlinien und Normen basierte und die im Vorhabensverlauf unter der Prämisse eines möglichst hohen Aufforderungscharakter weiterentwickelt wurde. Mithilfe der Paper-Prototyping-Methode wurde die von verschiedenen Nutzergruppen gewünschte Darstellungsform festgelegt. Die so entstandene grafische Lösung bietet eine Bedienoberfläche zur realistischen Steuerung der Anlagentechnik und gewährleistet zudem einen Wiedererkennungseffekt, da das Design der Schnittstelle zur Verwendung auf verschiedenen Eingabegeräten konzipiert wurde.

 

Von allen Befragten ist die eindeutige Symboldarstellung gegenüber der Textform vorgezogen und die Übersteuerbarkeit der Anlagen als das wichtigste Bedienmerkmal eingeschätzt worden. Die im Labor durchgeführte qualitative und internetbasierte quantitative Befragung bestätigt, dass gerade aufgrund der hohen Komplexität der Raumautomation auf eine Mehr-Ebenen-Lösung der Schnittstelle zurückgegriffen werden sollte, um die Übersichtlichkeit der Darstellung zu gewährleisten. Weiterhin ist zu konstatieren, dass nutzerseitig explizit Hilfen zu Möglichkeiten des Energiesparens mit der Anlage eingefordert werden. Dass die Kontrolle des Bedieners über die Raumanlagen bei einer nutzerorientierte Schnittstellenentwicklung an erster Stelle stehen muss, eine automatische Steuerung der raumtechnischen Anlagen – bei gegebener Überstimmung durch den Nutzer – jedoch nicht prinzipiell abgelehnt wird, deuten die mittels der Kano-Methode gewonnenen Befunde an. Ferner wurde deutlicht, dass zur Nutzerorientierung die Ermittlung von Nutzergruppen (z. B. Nutzergruppen, die so viele Informationen wie möglich bekommen möchten versus Personen, die nur das absolute Minimum an Informationen durch die Anlage angezeigt bekommen wollen) und deren Berücksichtigung im Planungsprozess eine erste geeignete Annäherung bei der Festlegung von Rahmenbedingungen einer Mensch-Maschine-Schnittstelle ist.

 

Größere Gebäude benötigen komplexe Anlagen, bei deren Planung verschiedene Fachdisziplinen zusammenarbeiten müssen, um ein funktionierendes Produkt „Gebäude“ gemeinsam anzubieten zu können. Diese Zusammenarbeit erfolgt meist nach vorgegebenem Plan, bei dem Erkenntnisgewinne bisher nur schlecht rückgemeldet werden. Dies führt zu Systemen, die häufig Behaglichkeitsmängel aufweisen und im Betrieb deutlich mehr Energie verbrauchen, als bei der Planung an Bedarf berechnet wurde. Um die Effizienz im Betrieb zu verbessern, sind in INNOSEG für die Bereiche Gebäudehülle, technische Ausstattung (TGA) und Gebäudeautomation (GA) Algorithmen analysiert worden, die insbesondere die bedarfsgerechte Anpassung berücksichtigen. Hierbei kann festgestellt werden, dass aufgrund von neuen Entwicklungen auch die Gebäudehülle zunehmend aktiv zur Beeinflussung des Raumklimas herangezogen werden kann. Um diese Konzepte wirksam umsetzen zu können, ist jedoch eine integrale Planung notwendig. Anders als bei der Gebäudehülle ist der Reinvestitionszyklus bei der TGA deutlich kürzer, die Entwicklung neuer effektiver Techniken schneller und damit eine Effizienzsteigerung öfter im Lebenszyklus des Gebäudes möglich. Auch ist die Akzeptanz neuer Technologien im Bereich der TGA beim Nutzer höher, weil der monetäre Nutzen bzw. die Rentabilität der eingesetzten technischen Anlagen aufgrund der Installation von Zählern exakter zuzuordnen und eben auch exakt zu beziffern ist. Dennoch müssen allzu oft Abstriche bei der Effizienz gemacht werden, da zahlreiche Anlagen nur auf einfachen Funktionen und Standardwerten basieren. Eine an das Gebäude angepasste individuelle Justierung der Parameter erfolgt oft nicht oder ungenügend. Für eine sogenannte intelligente adaptive Regelung, die also aus gemessenen und überwachten Größen eine Anpassung der Steuergrößen von selbst vornimmt und dabei automatisch ein energetisches, wirtschaftliches und/oder ein behagliches Optimum ermittelt, besteht noch Forschungsbedarf – was dem Unikatcharakter eines Gebäudes wie auch der subjektiven Bewertung des Kosten/Komfort-Optimums durch den Nutzer geschuldet ist. Auch aus Gründen der Investitionskosten wird eine bedarfsgerechte Steuerung bisher selten umgesetzt, denn je besser Parameter an den aktuellen Betrieb bzw. Bedarf angepasst werden sollen, umso mehr Informationen werden dazu benötigt. Demzufolge ist ein entsprechender Ausstattungsgrad an Gebäudeautomation notwendig; INNOSEG hat für unterschiedliche Ausstattungsgrade die jeweils verfügbaren Optimierungsmöglichkeiten mit den zu erfassenden Größen zusammengestellt.

 

Ein funktionierendes Produkt „Gebäude“ bedarf auch der fehlerfreien Umsetzung der Anlagenprogrammierung. Besonders im Bereich der gewerkeübergreifenden Funktionen sind diesbezüglich häufig Defizite – sowohl planungs- als auch ausführungsseitig – festzustellen. Neben dem Problem der oftmals proprietären, nicht zugänglichen Automationssysteme erschwert die suboptimale Qualität der technischen Dokumentationen von Geräten, von Software und vor Ort realisierten Lösungen sowie eine mangelnde Bedienerfreundlichkeit eine Anpassungen an die geänderten Nutzungsbedingungen. Um hier wesentliche Vorkehrungen im Sinne der Energieeinsparung zu ermöglichen, erscheinen noch erhebliche Anstrengungen erforderlich. Dass Funktionalitäten und Interaktionen im Gebäudekontext gleichwohl abbildbar sind, macht ein in INNOSEG erstelltes integratives Gebäudemodell deutlich. Die Komplexität eines Gebäudes spiegelt sich in diesem Modell wider, in dem alle Teile des Gebäudes selbst, die Technik, die Einflussfaktoren der Umwelt, Eigenschaften, Abhängigkeiten und Zusammenhänge in Form von Funktionsmodulen abgebildet sind. Da sich die Abhängigkeiten im Betrieb von denen der Planung des Gebäudes unterscheiden, wurde speziell für die Anlagentechnik die Komponentenbeeinflussung im Betriebszustand detailliert aufgeschlüsselt, erläutert und dargestellt.

 

Zur Unterstützung der Planung ist ein (Software-) System entworfen worden, dass sowohl statische Planungsdaten halten und verarbeiten als auch Sensordaten speichern und aggregieren kann. Als zentrales Element dieses Systems konnte ein Datenschema erstellt werden, mit dem Gebäudestrukturdaten, Gebäudezusatzinformationen sowie Nutzerverhalten und Nutzereigenschaften erfasst werden können. Dazu wurden ein Datenscha mit zwei Ausprägungen definiert: eine zur Speicherung der Bestandsdaten und eine zur Speicherung sämtlicher Massendaten, um langfristigen Zugriff auf Sensordaten und eine einfache Wartung zu gewährleisten. Als Schnittstelle dient, nach dem Vorbild der IFC, ein auf der Metasprache XML basiertes Schema, welches die relevanten Parameter definiert. Innerhalb der geschaffenen Datenbank werden sowohl ein globales XML-Datenschema vorgehalten, als auch das vollständig integrierte Gebäudemodell bzw. seine Entwürfe.

Energetische Optimierung im Betrieb

Der Energieverbrauch eines Gebäudes kann nutzerverhaltensbedingt um bis zu 100 % schwanken (vgl. Casties, 2000[5]). Da sich ein potenzieller Mehrverbrauch auch in den finanziellen Aufwendungen des Nutzers niederschlägt, kann angenommen werden, dass aufklärerische Maßnahmen über energiesparendes Verhalten und die Funktionen der verfügbaren (Gebäude)Technik, Schulungen oder eine einfache Anleitung auch in seinem Interesse sind. Die in INNOSEG gewonnenen Befunde verdeutlichen, dass zwar ein Energiebewusstsein beim Nutzer vorhanden ist, es jedoch in Abhängigkeit des Kontextes eine unterschiedliche Priorität besitzt. Insbesondere in Bürokontexten, in denen das Energieeinsparpotenzial eher höher ist, haben energetische Aspekte aus der Sicht der Nutzer keinen vorrangigen Stellenwert; hier erscheinen Einspareffekte nur durch gezielte Partizipationsmaßnahmen erschließbar.

 

Auf Seiten der Technik durchgeführte Thermographieaufnahmen können ebenfalls zu einer energetischen Optimierung im Betrieb beitragen, da sie Baumängel aufdecken und auf Temperaturasymmetrien hinweisen, die wiederum Behaglichkeitsdefizite auslösen können. Weitere Potenziale können im Rahmen eines Monitoring erschlossen werden; das in INNOSEG begleitend zu den Untersuchungen an Praxisprojekten der Region Thüringen realisierte Monitoringkonzept macht auch deutlich, welche konkreten non-investiven Maßnahmen zur Energieeinsparung im Betrieb möglich sind. Hier lässt sich zusammenfassend festhalten, dass nicht unerhebliche Energiereserven durch eine gebäudespezifische Anpassung von Steuerungsparametern erschlossen werden können. Die möglichen Einsparungen über die Senkung der Raumtemperatur sind weit gespreizt, bestätigen aber im Gesamtdurchschnitt die bekannte Faustregel, dass das Absenken der Temperatur um 1°C etwa 6% der Heizkosten einspart.

 

[5] Casties, M. (2000). Was ist Nutzerverhalten? Technische und verhaltensorientierte Sichtweisen am Beispiel des Heizenergieverbrauchs von Wohngebäuden. Düsseldorf: VDI-Verlag.

Nutzerorientierte und energieoptimierende Planung von Gebäuden

Aufgrund des Unikatcharakters eines Gebäudes erscheint es zielführend, die darin zukünftig verbaute Technik hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf den Energieverbrauch zu überprüfen als auch dahingehend zu testen, wie potenzielle Nutzer diese einzusetzen gedenken. Mögliche Probleme können so im Vorfeld bereits erkannt und zu diesem Planungsstadium noch nahezu kostenneutral beseitigt werden. Auch lassen sich die für die Anlagentechnik berechneten Parameter überprüfen und im Variantenvergleich an das konkrete Gebäude anpassen. Damit wäre die Grundlage für einen energieeffizienten Betrieb sowie für die Zufriedenheit von Nutzern schon bei der ersten (Be-)Nutzung der Gebäudetechnik geschaffen. So plausibel diese Forderung klingt, so schwierig ist jedoch die Durchführung einer solchen Simulation, da mit zunehmenden Freiheitsgraden der Aufwand für die Eingabe aller Parameter steigt und die Fehlerwahrscheinlichkeit deutlich zunimmt, da zahlreiche technische Details im Planungsstadium oftmals noch nicht bekannt sind. Einfache Simulationen hingegen sind zwar kostengünstig, deren Beschränkungen müssen jedoch für die Interpretation und Einschätzung der Simulationsergebnisse berücksichtigt werden. Wünschens und entwicklungswert wären Simulationsprogramme, die in abgestufter Genauigkeit auch mit wenigen Parametern bereits hinreichend genaue Ergebnisse liefern und mit steigender Parameteranzahl genauere Ergebnisse bereitstellen. Derartige Programme sollten auch die Möglichkeit eröffnen, mit unterschiedlicher zeitlicher Schrittweite auch Regelungen zu simulieren.

 

Geht man über die Bilanzierung durch Simulationen vor der Erstellung eines Gebäudes hinaus, so fehlt es an Lösungen für eine Optimierungssimulation im Betrieb. Den gängigen Programmen fehlen neben entsprechenden Schnittstellen insbesondere variable Zeitschritte, die kleiner als eine Stunde sind. Daher wurde in INNOSEG zunächst ein Simulationsmodell für die Gebäudeautomation entwickelt, das eine Kombination innovativer Regelungstechniken für die Gebäudetechnik anbietet und somit geeignet erscheint, energieoptimierte Fahrweisen des Gebäudebetriebs zu gestalten. Zur Lösung des oben dargestellten Dilemmas ist ferner ein Raummodell zur thermischen Simulation erstellt und mit etablierten Programmen validiert worden. Die zur Entwicklung der Modelle verwendete Software bietet eine gemeinsam nutzbare Schnittstelle und ermöglicht damit den Austausch der Simulationsdaten. Weiterhin wurde eine Schnittstelle geschaffen, die auch die Anbindung an Informationen aus Datenbanken bietet, um ein konsistentes Datenmanagement zu betreiben und einen gemeinsamen Datenstamm auch für diese Aufgaben verwenden zu können. Betrachtet man beiden Modelle gemeinsam, so bieten sich zahlreiche Vorteile gegenüber bisherigen Lösungen – und zwar sowohl für die Planung als auch für den Gebäudebetrieb.

 

Da ein wesentlicher Anteil des Energieverbrauchs eines Gebäudes auf das Nutzerverhalten zurückzuführen ist, sollte schon bei der Planung von Gebäuden und Gebäudeanlagen eine Integration der Nutzer – oder zumindest eine Nutzerorientierung – selbstverständlich sein. Im Projekt wurden mehrere Wege dieser Nutzerbeteiligung untersucht: Zum einen wurde ein Modell energierelevanten Verhaltens erstellt, das eine zukünftige Grundlage für ein verbessertes Verständnis der Einflussfaktoren auf Energieverhalten darstellen könnte. Diese theoretische Modellentwicklung ist insbesondere deshalb notwendig, da bisherige Ansätze der Modellierung von Energieverhalten wichtige Einzel- bzw. Ordnungsaspekte – etwa die Unterscheidung von situativen und langfristigen Einflussfaktoren auf das Energieverhalten – vermissen ließen. Beide Faktoren wirken auf unterschiedlichen Wegen auf das Verhalten ein; für die situativen Einflusssfaktoren gilt, dass sie langfristigen Faktoren immer wieder überschreiben können – und mithin gerade sie maßgeblich für die große Schwankungsbreite im gezeigten Nutzerverhalten verantwortlich gemacht werden können. Ein gleichermaßen energieoptimierter wie nutzerorientierter Gebäudebetrieb sollte gerade diesen Faktor kontinuierlich erfassen.

 

Da gleichwohl die kontinuierliche Erfassung aller relevanten Einflussfaktoren in der Praxis kaum zu bewerkstelligen ist, ist ein zweiter, einfacherer Weg der Nutzerorientierung mit der Entwicklung von verhaltens- und zeitbezogenen Nutzerprofilen verfolgt worden: Dabei sind auf der Basis von theoretischen Grundlagen (Lebensphasen- und Tätigkeitsmodellen), von Normen und von empirischen Daten modellhaft fünf Nutzerprofile expliziert worden, von denen sich zwei auf den Bürokontext und drei auf den Wohnkontext beziehen. Auf der Basis dieser Modelle wurden jeweils Betriebsdiagramme entwickelt, die – je nach den nutzer- und zeitspezifischen Anforderungen – drei Betriebsarten der Anlagen vorschlagen. Die entwickelten Beispiel-Profile können einerseits als Simulationsgrundlage für energetische Berechnungen während der Planungsphase genutzt werden, andererseits können sie auch als Ausgangspunkt für die Erstellung realer individueller Nutzungsprofile im Gebäudebetrieb dienen, in dem die Profile durch die Erfassung von Präsenzzeiten und Verhalten systematisch an die konkrete Nutzung angepasst werden.

 

Ein weiterer – dritter – Ansatzpunkt der Nutzerorientierung ist das in den Planungsmethodiken sichtbare Ausmaß der Nutzerintegration. Bereits etablierte Methoden, wie sie zum Beispiel aus der Softwareentwicklung bekannt sind, kommen hier allerdings nicht zur Verwendung, da sich Gebäude und Konsumgüter grundlegend unterscheiden. So ist bei der Planung und Erstellung eines Gebäude die Anzahl der Beteiligten und Beteiligtengruppen deutlich höher, die Lebensdauer eines Gebäudes überschreitet die von Konsumgütern deutlich, Gebäude sind im Vergleich zu Konsumgütern deutlich komplexer und Gebäude mit ihren Anlagen weisen einen deutlicheren Unikat-Charakter auf als dieser Konsumgütern zugebilligt werden kann. All diese – und weitere – Merkmale müssen in der Betrachtung der Planungsmethodiken berücksichtigt werden. Praktische Erfahrungen offenbaren, dass die Nutzer eines Gebäudes während seiner Planungs- und Bauphase zu wenig integriert werden, obwohl etwa die umwelt- und architekturpsychologische Forschung seit Mitte der 1970er Jahre explizit Methoden zur Nutzerorientierung anbieten. In INNOSEG wurde daher ein aktueller Reformansatz – der Integrale Planungsprozess von Löhnert (2007)[6] – um diese psychologischen Methoden erweitert, da diese sich, den Integralen Planungsprozess ergänzend, zeitlich sowohl vor als auch nach den eigentlichen Planungsschritten einsetzen lassen. Um die nachhaltige Übernahme sowohl des Integralen Planungsprozesses als auch des Erweiterten Integralen Planungsprozesses in die Baupraxis zu befördern, sind sowohl der Gesetzgeber, die Bauunternehmen und die Ausbilder von Architekten und Fachplanern gefordert. Nur durch die gemeinsame Veränderung der bestehenden Verhältnisse in Vergabevorschriften, Planungs- und Bauprojekten sowie in den Ausbildungscurricula kann eine langfristige Nutzerorientierung am Bau erfolgen.

 

[6] Löhnert, G. (2007). Der Integrale Planungsprozess. Verfügbar unter: www.solarbau.de/monitor/doku/proj00/dokuproj/Beitrag-1.pdf [Zugriff vom 20.06.2007].

Gesamtfazit

Nutzerorientierung und -partizipation bei der Planung und beim Betrieb von Gebäuden haben eine erheblich optimierte Übereinstimmung zwischen dem Anspruch an und der Fähigkeit von Gebäuden und ihren Anlagen zur Folge. Aufgrund dieser Deckungsgesichtspunkte ist eine Optimierung von Energieströmen auch nur unter Einbeziehung der Nutzer zielführend. Dazu muss eine Passung der Interaktion von Mensch und Technik im Gebäude bestehen; die Projektergebnisse geben Hinweise darauf, wie eine nutzerorientierte Schnittstelle gestaltet sein kann, die einfach bedienbar ist und zugleich Feedback über den Energieverbrauch gibt. Zur Anpassung der verschiedenen Techniken im Gebäude auf die spezifischen Nutzerbedürfnisse empfiehlt sich in Vorplanung, Planung und Betrieb die Simulation energetischer Prozesse unter ausdrücklicher Einbeziehung von Nutzer(zeit)profilen und -anforderungen sowie unter Berücksichtigung der Regelungsalgorithmen. Adaptierbare Simulationsmodelle mit zeitlich variablen Schrittweiten erhöhen die Vorhersagegenauigkeit und sind sowohl in der Planung als auch zur Evaluation im Betrieb geeignet.

 

An Messungen und Analysen in Praxisobjekten ist die Bedeutung der Nutzerpartizipation sowie eines durchgängigen energetischen Monitorings bekräftigt worden, wie eine solche konsistente Datenverwaltung (inklusive der Nutzerspezifika) über die Lebenszeit eines Gebäudes mittels einer Datenbank ausgestaltet sein kann, wird aufgezeigt. Die Ergebnisse des Projekts sind im Rahmen der InnoRegio Bautronic realisiert worden und werden auch weiterhin in den regionalen Verbund eingebracht, dort diskutiert, verwendet und ergänzt.

I nterdisziplinäre
N utzerorientierte
N achhaltige
O ptimierung von
S toff- und
E nergieflüssen in
G ebäuden




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