Die Optimierung des funktionalen Zusammenspiels zwischen Gebäudehülle und Gebäudetechnik spielt beim Entwurf und der Planung energieeffizienter Gebäude und Stadtquartiere eine zentrale Rolle. Hierfür müssen die dynamischen Prozesse wie der Wettereinfluss auf die Gebäudehüllen, die Wärme- und Feuchtetransportmechanismen innerhalb des Baukörpers, das Innenraumklima, das Betriebsverhalten der energietechnischen Anlagen sowie das Nutzerverhalten in ihrem Zusammenwirken grundlegend verstanden werden.

Vor diesem Hintergrund haben die Forschungsarbeiten am Fachgebiet für Versorgungsplanung und Versorgungstechnik ihren Schwerpunkt in der Entwicklung von simulationsbasierten Methoden, Modellen und Werkzeugen für einen energieeffizienten Gebäudeentwurf, für die Analyse des bauphysikalischen Gebäudeverhaltens sowie für das energetisch-funktionale Verhalten der Gebäudetechnik. Durch die Forschungsarbeiten sollen die Werkzeuge zur energetischen Gebäude- und Anlagensimulation in die Entwurfs- und Planungsprozesse des Bauwesens besser integriert und leichter nutzbar gemacht werden.

Simulationsbasierter energetischer Entwurf von Gebäudesystemen mit unterschiedlich detaillierten und adaptiven Modellebenen

Es wird eine übergeordnete Modellierungs- und Simulationsmethodik entwickelt, bei der energetische Gebäude- und Anlagenmodelle unterschiedlicher Abbildungsgenauigkeiten (0D, 1D, 3D) und Maßstabsebenen (Bauteil, Raum, Gebäude, Stadtquartier) zusammengeführt werden. Hierzu werden Simulationstechniken wie Mehrskalensimulation, Co-Simulation und adaptive Simulation (Modellstrukturdynamik) genutzt. Eine beispielhafte Anwendung dieses Ansatzes ist die Co-Simulation einer Gebäudeklimatisierung, bei welcher das Raummodell über ein detailliertes dreidimensionale CFD (Computational Fluid Dynamics)-Modell und die Luftheizung (Lufterhitzer, Luftkanalnetz, Ventilatoren, Regelung etc.) über vereinfachte null- und eindimensionale Modelica-Modelle berechnet werden.

Integration von energetischen Simulations- und Entwurfswerkzeugen in den Gebäudeplanungsprozeß

Innerhalb dieses Forschungsthemas werden Möglichkeiten zur effizienteren Integration der energetischen Gebäudesimulation in den Gebäudeplanungsprozeß erarbeitet. Hierzu werden u.a. die Verwendung von Simulationsmodellen zunehmender Komplexität für die einzelnen Schritte im Planungsprozeß untersucht, Algorithmen zur (halb-)automatischen Generierung von energetischen Simulationsmodellen aus den digitalen Gebäudeentwürfen implementiert sowie Techniken zur interaktiven Simulationsanalyse entwickelt.

Interaktive Raum- und Gebäudesimulation in Virtual-Reality-Umgebungen

Auf Basis von Virtual-Reality-Technologien wird eine Methodik entwickelt, die eine vollständig immersive thermische Raum- und Gebäudesimulation ermöglicht. Der Nutzer wird hierbei in ein ein virtuelles Raummodell eingebunden, mit dem er interaktiv agieren kann, in dem er z.B. ein Fenster öffnet, den Sollwert eines Thermostates zur Raumklimatisierung anpasst oder die Position eines Sonnenschutzes verändert. Auf Grund dieser Nutzerinteraktionen wird die Raumenergiebilanz in einem parallel mitlaufenden numerischen Simulationsmodell fortlaufend aktualisiert. Dem Nutzer werden in der virtuellen Simulationsumgebung der Zustand des simulierten Raumklimas visualisiert, alternativ wird ihm das Raumklima über ein thernisches Display auch körperlich erfahrbar gemacht (Projekt GEnEff).

Konzeption energetisch nachhaltiger Stadtquartiere

Dieses Forschungsthema beschäftigt sich mit der Entwicklung einer allgemeinen Methodik zur Konzeption energetisch nachhaltiger Stadtquartiere. Hierfür werden verschiedene Planungs-, Berechnungs- und Simulationsmethoden wie Planungsrichtlinien, Geoinformationssysteme, energetische Gebäude- und Anlagensimulation, Co-Simulation etc. zusammengeführt. Die Methodik wurde und wird innerhalb der Projekte „Young Cities“ , "ATES", "Open eQuarter", "HCBC", "DATES" und "EnergyMap Berlin" entwickelt, evaluiert und stetig erweitert.

Im vom BMWSB geförderten Forschungsvorhaben sollen mit theoretischen und experimentellen Methoden baukonstruktive Lösungen für mehrschichtige Materialkombinationen grundlegend erforscht werden, welche eine hochwertige dünnere hygrische Pufferschicht mit einer dickeren kostengünstigere Dämmstoffschicht kombiniert, um so insgesamt Lösungsansätze für preiswertere und energieeffizientere Innendämmungen aufzuzeigen. Es soll hierbei nicht nur eine bestimmte Materialkombination zweier Produkte untersucht werden, sondern eine Auswahl unterschiedlicher hygrisch aktiver Baustoffe systematisch mit verschiedenen nicht hygrisch aktiven Dämmmaterialien und auch Luftschichten zu Schichtverbünden kombiniert werden. Diese sollen  theoretisch und experimentell auf ihr hygrothemisches Verhalten analysiert und bauphysikalisch sowie ökonomisch optimiert werden. Hierdurch soll neues Wissen zum komplexem hygrothermischen Verhalten von Materialverbünden als Grundlage für kostengünstige und energieeffiziente Innendämmungen aussenluftberührender Bauteile generiert werden.

Im vom BMWK geförderten Forschungsverbundprojekt „EnergyMap Berlin“ wird der Wärmeverbrauch des gesamten Berliner Gebäudebestandes kartiert. In einer datenbankgestützten Multi-User-/Multi-Source-Applikation entsteht unter Einbeziehung einer Online-Plattform ein gebäudescharfes digitales Wärmekataster für das Land Berlin . Geplant ist eine maximal transparente Datengrundlage zum aktuellen räumlich differenzierten energetischen Zustand des Gebäudebestands der Stadt zu schaffen, welche allen gesellschaftlichen Akteuren der Energiewende, als Planungsgrundlage frei zur Verfügung stehen wird.

Das Forschungsvorhaben wird von der UdK Berlin koordiniert und gemeinesam von den Partnern co2online, SEnerCon, LUP und dem Bezirksamt Berlin Charlottenburg-Wilmersdorf bearbeitet.

Nähere Informationen zu dem gebäudescharfen Wärmekataster können der Webseite https://energymap-berlin.de entnommen werden.

Im vom BMWK geförderten Forschungsprojekt EnOB: GEnEff wird in Zusammenabeit mit der TU Berlin eine neuartige Virtual-Reality-Experimentierumgebung entwickelt, in welcher der Nutzer sich in dreidimensionalen virtuellen Innenräumen aufhalten kann und dabei das simulierte thermische Innenraumklima körperlich spürt. Hierzu werden in einer Klimakammer die Luft- und Strahlungstemperaturen, sowie die Luftströmung in unmittelbarer Umgebung des Probanden erzeugt, wobei die Werte dieser Klimaparameter in einem parallel mitlaufenden Simulationsmodell des Innenraumes berechnet werden.

Nähere Informationen zu dem Forschungsprojekt können der Webseite http://www.virtual-climate.de entnommen werden.

Im von BMWK geförderten Verbundprojekt EnEff:Stadt:HCBC aus TU Berlin und UdK Berlin werden in der zweiten Projektphase energetische Sanierungsmaßnahmen sowie Neubauvorhaben im Detail geplant, umgesetzt und in ihrer Wirksamkeit in einem energetischen Monitoring überprüft.

Beispielsweise wurde im Rahmen des Projektes für die Planung einer neuen zentralen Kälteanlage für drei benachbarte Gebäude der UdK Berlin ein dynamisches Gebäudemodell erstellt, mit dem der Verlauf des Kälteleistungsbedarfs detailliert ermittelt werden kann. Zudem ist angedacht, zusammen mit der TU Berlin einen Kälteverbund für die Gebäude des Ost-Campus zu realisieren, wofür der zu erwartende Jahresverlauf der Kältelast benötigt wird.

Ein anderes wirksames Sanierungspaket besteht z.B. in der wärmetechnischen Dachsanierung bei gleichzeitiger Installation einer Dach-Fotovoltaikanlage, welches auf mehrere Bestandsgebäude der UdK Berlin angewnadt werden soll.

Ein interdisziplinäre Gruppe von ca. 40 Studierenden der UdK Berlin und der TU Berlin hatte innerhalb des internationalen Wettbewerbs Solar Decathlon Europe 2014 in Versailles/Frankreich ein kleines Plusenergie-Wohngebäude entworfen, konstruiert und baulich realisiert.  Entsprechend dem Wettbewerbsthema "Städtebauliche Verdichtung" kann es konzeptionell auf den Dächern des Gebäudebestands, z.B. auf einem Berliner Gründerzeitaltbau aufgesetzt werden. Der Berliner Wettbewerbsbeitrag erreichte im Sommer 2014 von 20 internationalen studentischen Teams den vierten Platz in der Gesamtwertung und den dritten Platz in der Einzelwertung "Architektonischer Entwurf". Das Fachgebiet VPT unterstützte das studentische Team gemäß den Wettbewerbsvorgaben als "Faculty Advisor" in administrativen und fachlichen Fragen bei der Projektrealisierung.

Das Forschungsgebäude wurde im Jahre 2017 auf dem Gelände Einsteinufer 43-53 der UdK Berlin wieder aufgebaut und wird jetzt gemeinsam von der UdK Berlin zusammen mit der TU Berlin für Zwecke der Forschung und Lehre betrieben. Das Fachgebiet VPT führt am Gebäude ein energetisches Langzeitmonitoring (Raumklima, Gebäudetechnik, Energiebilanz) durch. Weiterhin dient das Gebäude als Reallabor zur Entwicklung und Erprobung von Smart-Building-Technologien, zur Untersuchung des Nutzerverhaltens sowie der Entwicklung von Algorithmen für ein effizientes Energiemanagement.

Vertiefende und aktuelle Information zum Rooftop-Gebäude finden sich auf der Seite www.solar-rooftop.de.

Am Fachgebiet VPT wird die Modelica-Bibliothek BuildingSystems zur energetischen Simulation von Einzelräumen, Gebäuden sowie Stadtquartieren entwickelt. Die Architektur der Modellbibliothek ist so konzipiert, dass das Simulationsmodell je nach gewünschter Modellskala und Fragestellung sich flexibel in der Abbildungstiefe anpassen lässt.

Die Bibliothek umfasst sowohl Komponenten zur thermischen und hygrischen Modellierung einzelner Bauteile, des gesamten Baukörpers von Gebäuden als auch Komponenten der Heizungs-, Klima- und Solartechnik.

Die Weiterentwicklung der Modellbibliothek findet in internationaler Kooperation mit dem IBPSA Project 1 statt und wird interessierten Nutzern als Open Source-Software zur Verfügung  gestellt.

Im Forschungsprojekt DATES wird in Kooperation mit der TU Berlin und Industriepartnern ein simulationsgestütztes Analysetool zur Erstellung von energetischen Sanierungsfahrplänen für große Gebäudebestände entwickelt und an ca. 900 Nichtwohngebäuden der öffentlichen Hand evaluiert.

Endbericht DATES

Anhang zum Endbericht DATES

Innerhalb des Forschungskollegs Forschungskollegs EnEff.Gebäude.2050 werden fünf Nachwuchswissenschaftler von verschiedenen Hochschulen und Forschungseinrichtungen in Deutschland mit ihren individuellen Themen gefördert.

Parallel hierzu soll durch eine intensive gegenseitige Diskussion der individuell bearbeiten Themen eine Vernetzung der Nachwuchswissenschaftler und ihrer Forschungseinrichtungen innerhalb der Förderinitiative Energiewende Bauen gefördert werden.

An der UdK Berlin wird das Forschungsthema "Energetische Sanierungsstrategien für Quartiere" bearbeitet.

Basierend auf dem Energiewendeziel der Bundesregierung will sich der Hochschulcampus Berlin-Charlottenburg (HCBC) energetisch als vorbildliche Einrichtung etablieren. Dafür sollen im Projekt Eneff:HCBC die Gebäude beider Universitäten (TU Berlin und UdK Berlin) energetisch nachhaltig ertüchtigt werden. Hierbei soll das ganzheitliche Zusammenspiel von Energiegewinnung, Speicherung, Verteilung und Nutzung bestmöglichtst aufeinander abgestimmt sein. Ein Hauptaugenmerk in dem Projekt ist die lokale Gewinnung der Energie dort, wo günstige Bedingungen herrschen, mit der sich anschliessenden Verschiebung von Wärmeenergieströmen. Die Energiebilanzgrenze wird somit vom Haus auf das Quartier verschoben.

Im von BMWi geförderten Verbundprojekt  EnEff:Stadt:HCBC aus TU Berlin und UdK Berlin wurde in der ersten Projektphase zunächst der energtische Ist-Zustand des Campus (Gebäudebestand und die Energieversorgung) umfassend analysiert sowie Sanierungsmaßnahmen entwickelt als auch ökonomisch bewertet.

In diesem von BMWi geförderten Verbundprojekt wurden in Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Gesellschaft und zwei Industriepartnern Planungs- und Steuerungstechniken für eine nachhaltige, ressourcenschonende und wirtschaftliche Nutzung von Energiesystemen zur dezentralen Strom- und Wärmeversorgung in Gebäuden entwickelt. Ein Schwerpunkt hierbei bildeten simulationsbasierte und experimentelle Untersuchungen an Fotovoltaik-Anlagen und Brennstoffzellen-BHKW. Um Energieerzeugung und Verbrauch optimal auf einander abzustimmen, wurden neuartige Optimierungs- und Betriebsführungsalgorithmen entwickelt und an Praxisbeispielen - unter anderem dem Rooftop-Gebäude evaluiert.

Innerhalb des DFG-Verbundprojektes wurde in Kooperation mit Partnern der Informatik und der Numerik der Technischen Universität Berlin eine neue Methodik und Notation zum systematisches Erstellen von modularisierten Modelica-Modellen von technischen Systemen mit hoher numerischer Effizienz entwickelt. Unter Ausnutzung des Wissens um den Modelltyp und die Modellgenauigkeiten (Unsicherheiten) für jede seiner Teilkomponenten (vgl. Bild 8) wird das Systemmodell durch eine neuen mehrstufigen Remodellierungsansatz und durch das adaptive Verfahren der Modellstrukturdynamik in numerisch deutlich schnelleres Ersatzmodell überführt, welches sich in seiner Genauigkeit nur geringfügig unterscheidet. Die neu entwickelte Methodik wurde vom Fachgebiet VPT in der Anwendungsdomäne der energetischen Gebäude- und Anlagensimulation evaluiert, wobei die numerischen Eigenschaften der Remodellierung verifiziert werden.

Im von BMWi geförderten Verbundprojekt mehrerer deutscher Universitäten (RWTH Aachen, KIT, UdK Berlin) und der Fraunhofer-Gesellschaft wurden informationstechnische Methoden für die Planung, Auslegung und Betriebsoptimierung von energieeffizienten Neu- und Bestandsbauten entwickelt und in Anwendungsszenarien getestet. Die Modellierung, Simulation und Betriebsoptimierung erfolgte auf Basis offener Bauwerkinformationsmodelle (BIM) mit dem Ziel, ausgehend von einem digitalen 3D-Planungsmodell einen durchgängigen Datenaustausch in der Fachplanung zu erreichen. Im Gegensatz zur Verfolgung einer Softwareeinzellösung wurde hierbei gezielt auf den objektorientierten Modellierungsansatz von Modelica aufgebaut.

Innerhalb der DFG-Forschergruppe untersuchten Klimatologen, Stadtgeografen, Hydrologen, Mediziner, Ingenieure, Bauphysiker, Stadt- und Landschaftsplaner, sowie Politik- und Sozialwissenschaftler die Auswirkungen des Klimawandels am Beispiel von Berlin. Im Zentrum der wissenschaftlichen Arbeiten standen die Risiken zunehmender Wärmebelastung für den Menschen und verschiedene Minderungs- und Anpassungsmöglichkeiten. Dazu gehören Maßnahmen zur Verbesserung des Innenraumklimas besonders vulnerabler Bevölkerungsgruppen sowie gebäudetechnische und stadtplanerische Maßnahmen. Das Fachgebiet VPT beschäftigte sich im Teilprojekt „Indoor simulations“ mit der Entwicklung von simulationsgestützten Methoden zur Bewertung des Hitzestresses in Innenräumen, welche u.a. bei der vergleichenden Bewertung des Hitzestresses in nicht klimatisierten und klimatisierten Patientenzimmern angewandt wurden.

Im vom BMWi geförderten Verbundprojekt aus TU Berlin, GFZ Potsdam und UdK Berlin wurde ein standortunabhängiges Auslegungskonzeptes für saisonale thermische Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung von Stadtquartieren entwickelt. Dabei spielte insbesondere die betriebssichere Einbindung von Aquiferspeichern, die Weiterentwicklung der zugehörigen Anlagentechnik zur Wärmetransformation sowie die energetische Effizienz des Gesamtsystems eine zentrale Rolle. Das entwickelte Auslegungskonzept wurde am Beispiel der Energieversorgung für die Liegenschaften des Hochschulcampus TU Berlin/UdK Berlin evaluiert und optimiert. Das Fachgebiet VPT beschäftigte sich insbesondere mit der thermischen Modellierung des Gebäudebestands des Hochschulcampus.

Ziel des vom Bauministerium geförderten Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines Open-Source Analyse- und Planungstools zur energetischen Bewertung von Stadtquartieren und ihren energetischen Sanierungsmöglichkeiten (Forschungsbericht Open eQuarter). Das neu entwickelte Planungstool wurde vom Fachgebiet VPT zusammen mit einem Ingenieurbüro für Stadtplanung und in Zusammenarbeit dem Bezirksamt Neukölln (Sanierungsträger) entwickelt und an einem konkreten Wohnviertel, einem neu ausgeschriebenen Sanierungsgebiet in Berlin-Neukölln evaluiert.

Das Open eQuarter Tool wurde als Plugin für die die GIS-Software QGIS entwickelt und steht installerbare QGIS Plugin oder als Quellcode interessierten Nutzern zur Verfügung.

Im vom BMBF geförderten Verbundprojekt aus UdK Berlin, TU Berlin, FU Berlin und der Fraunhofer-Gesellschaft wurde für eine New Town im Nord-Iran ein nachhaltiges Stadtquartier auf einem 35 ha Pilotgelände (ca. 2000 Wohneinheiten für 8000 Bewohner) zusammen mit einem iranischen Bauforschungsinstitut entwickelt. Das Fachgebiet VPT war in diesem Projekt für die Konzeption verschiedener dezentraler, semi-zentraler und zentraler Energieversorgungssysteme verantwortlich. Die Nutzung erneuerbarer Energien spielt in diesem Kontext einen wichtigen Schwerpunkt.