A05 - Systemkonzepte und Planungsmethoden für bauphysikalische Auslegung und Betrieb von adaptiven Gebäuden

A: Entwurfs- und Planungsmethodik

Adaptive, ultraleichte Gebäude fordern die bauphysikalische Planung heraus, da die bisherigen weit verbreiteten und etablierten Ingenieurwerkzeuge für die Gebäude- und Anlagensimulation sowie bislang bewährte Bewertungsmethoden hinsichtlich des thermischen Komforts nur noch eingeschränkt bzw. nicht mehr anwendbar sind. Zur Auslegung von adaptiven ultraleichten Fassadenelementen zur lokalen Klimatisierung fehlen bislang geeignete Methoden zur Komfortbewertung.

Energiespeicherprozess auf Basis von gebranntem Kalk und Wasser

Foto: (c) DLR

Gebäude-Netzwerk mit nachhaltiger Energieerzeugung, Speicherung und adaptiven Fassaden.

Systemkonzepte und Planungsmethoden für bauphysikalische Auslegung und Betrieb von adaptiven Gebäuden

Ein Großteil der in der Betriebsphase eines Gebäudes aufgewendeten Ressourcen wird für die thermische Konditionierung des Innenraums benötigt. 

Dieser Energiebedarf ist durch zwei Merkmale gekennzeichnet: 

  1. aktuell erfolgt die Deckung des Bedarfs in Deutschland zu einem überwiegenden Teil aus fossilen Quellen und
  2. der Energiebedarf unterliegt einer starken saisonalen Schwankung.

Im SFB 1244 werden speicherfähige aktivierbare Fassaden entwickelt, um ressourcenschonende Bauwerke in Errichtung und Betrieb zu erreichen. 

Im Teilprojekt A05 wird zusätzlich ein thermochemischer Energiespeicher auf Basis von Löschkalk in das Gebäude integriert, mit dem überschüssige elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen über lange Zeiträume verlustfrei eingespeichert und bei Bedarf in Form von Wärme verwendet werden kann. Für diese Anwendung müssen materialtechnische Fragen sowie solche nach einer geeigneten Integration der Komponenten in Gebäude beantwortet werden. 

Grundlage für die Verwendung der speicherfähigen Komponenten ist eine Betriebsstrategie, welche bereits im Voraus plant, wann Speicher be- und entladen werden. Neben der langfristigen Planung muss auch der kurzfristige Bedarf bedient werden, der sich durch die thermische Konditionierung des Gebäudes ergibt. Die zugrundeliegende Aufgabe ist ein Optimierungsproblem mit dem Ziel der Minimierung der Umweltschädigung, welches in Form einer modellprädiktiven Regelung wiederholt gelöst wird. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden anhand des in das Demonstrator-Hochhaus integrierten Prototyps demonstriert.

Teilprojektleiter:innen

  • Prof. Dr.-Ing. Oliver  Sawodny, Institut für Systemdynamik
  • Dr. rer. nat. André Thess, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
  • Dr. Marc Linder, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

IABP

Das Teilprojekt untersucht folgende wissenschaftliche Fragen:

  • Kann bei niedrigerer Raumlufttemperatur durch körpernahe Heizung (z. B. durch adaptive Fassadenelemente) eine ebenso behagliche Umgebung geschaffen werden, wie unter neutralen Bedingungen?
  • Unterscheidet sich die Wahrnehmung lokaler Asymmetrie gegenüber homogenen Bedingungen auch bei gleicher gesamter thermischer Last?
  • Beeinflusst die Art der Wärmeübertragung (Strahlung oder Konvektion) und die Positionierung von lokalen Heizelementen die Komfortbewertung?

Der adaptive Ultraleichtbau bietet ein großes Energieeinsparpotenzial durch seine Fähigkeit, sich verändernden Bedingungen anzupassen. Durch adaptive Fassadenelemente und die fehlende thermische Masse können adaptive ultraleichte Gebäude insbesondere bei temporärer Nutzung eines Arbeitsplatzes, lokal und ohne Zeitverzögerung eine optimale Aufenthaltsqualität sicherstellen. Die thermische Konditionierung orientiert sich bislang noch an stationären Temperatursolllinien. Daher muss eine entsprechende Solltemperatur vor Eintreffen des Nutzers im Raum erreicht sein und über die gesamte Nutzungszeit vorgehalten werden. Dabei wird nicht berücksichtigt, ob sich tatsächlich ein Nutzer im Raum aufhält. Durch adaptive Fassadenelemente mit integrierten Heiz- bzw. Kühlelementen ist so während der Heizperiode ein deutlich niedrigeres Temperaturniveau ausreichend. Um die thermische Behaglichkeit unter solchen Bedingungen zu gewährleisten, wird ein Behaglichkeitsmodell entwickelt, mit dem die inhomogenen Randbedingungen hinsichtlich Nutzerkomforts bewertet werden können. Dafür wurden verschiedene Szenarien im Rahmen von Probandentests im HiPIE-Labor am Fraunhofer IBP getestet, auf deren Basis das Modell entwickelt wird.

     
HiPIE-Labor des IBP in Holzkirchen
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ISYS

Das Teilprojekt untersucht folgende wissenschaftliche Fragen:

  • Wie können adaptive Bauteile in bestehende Steuerungs- und Regelungskonzepte integriert werden?
  • Welche Anforderungen ergeben sich aus dem Zusammenspiel von adaptiven Bauteilen und einem transienten Behaglichkeitsmodell an die Aktorik und Sensorik?

Das Ziel ist es, eine modular einsetzbare und parametrierbare Simulationsdatenbank zu erschaffen, mit der unterschiedliche Konfigurationen analysiert werden können. Dazu werden für die Systemkomponenten mit bauphysikalisch adaptiver Funktionalität dynamische Modelle abgeleitet.

Um die modellhaft ermittelten Zusammenhänge zwischen Systemkonzepten auszunutzen und Anforderungen an den Nutzerkomfort zu erfüllen, ist ein aktives Regelungskonzept nötig. Es soll auf der Basis eines neuen Synthesemodells entwickelt werden und dazu dienen, den Nutzerkomfort innerhalb der Räume sicherzustellen.

Aus den Untersuchungen in A05 werden Anforderungen an Aktorik und Sensorik für adaptive Bauteile abgeleitet. Die erarbeiteten Steuerungs- und Regelungskonzepte werden an beispielhaften Raummodellen simulativ getestet und validiert. Im weiteren Projektverlauf soll das Regelsystem beispielhaft in einer Raumeinheit des Demonstrators implementiert und experimentell validiert werden.

Teilprojektleiter:innen

  • Prof. Dr.-Ing. Philip Leistner, Institut für Akustik und Bauphysik
  • Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Oliver Sawodny, Institut für Systemdynamik

Ansprechpersonen

Dieses Bild zeigt Viktor Kühl

Viktor Kühl

Dipl.- Ing.

Doktorand

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