Aufgabe Die Erfahrung lehrt, dass oft Gebäude trotz womöglich umfangreicher technischer Ausstattung (Heiz-, Kühl-, Lüftungs- und Regelungstechnik) nicht richtig funk-tionieren: unangenehme Innentemperaturen, schlechte Luft und hohe Energiekosten sind nur einige Beispiele schlechter Architektur und darauf nicht optimal abgestimmter Gebäudetechnik. Schon mit der ersten Kaligrafie des Architekten ent-scheidet sich die klimatische Güte eines Gebäudeentwurfs. Ist der Entwurf nicht klimagerecht gestaltet führt dies später unweigerlich zu unangenehmen Raumzuständen, denen man nur mit aufwändiger Technik und hohen Energiekosten begegnen kann.

3D-Ergebnisgrafik einer Computersimulation

Das Gebäudedesign des Architekten bestimmt die späteren Betriebskosten!

Über die Jahre kumulierende Betriebskosten können in gewerblichen Objekten schon ab dem 7. Betriebsjahr die ursprünglichen Erstellungskosten des gesamten Gebäudes überschreiten. Für den Nutzer bzw. Mieter eines Objektes schlägt sich dies in einer „zweiten Miete“ (Nebenkosten) nieder, welche heute schon oft die Kaltmiete übersteigt. Für den Vermieter bzw. Eigentümer wird diese Tatsache zu einem zunehmenden Problem: Immer mehr Immobilien mit hohen Betriebskosten stehen leer. Dieser Trend verschärft sich mit zunehmenden heißen Sommermonaten (Betrieb von Klimaanlagen!), stetig steigenden Energiekosten und der bevorstehenden Einführung des Energie- und Betriebskostenpasses für jedes Gebäude.

Ziel muss es also sein das in jedem neu zu erstellenden wie auch bestehenden Gebäude schlummernde Optimierungspotenzial nach der Devise „Erst optimieren dann investieren“ hinsichtlich

zu erschließen. Mit Zunahme der technischen Komplexität von Gebäuden ist die Betrachtung der dynamischen Wechselwirkung zwischen Wetter, Nutzer, Bauphysik und Technik zwingende Voraussetzung zum Erzielen behaglich temperierter, belüfteter und beleuchteter Räume eines Gebäudes. Dazu ist eine vernetzende Expertenleistung gefragt, welche bauphysikalische, technische, gesundheitliche und kaufmännische Optimierungsmaßnahmen umfasst.


LÖSUNG

Was man früher nur durch aufwändige Versuche und Messungen an unterschiedlichen Varianten eines technischen Produkts herausfinden konnte kann man heute mit computergestützter dynamischer Simulation sehr präzise prognostizieren.
Simulation ist die wirklichkeitsnahe Nachahmung realer technischer Vorgänge. Dazu werden international wissenschaftlich anerkannte, mathematische Rechenmodelle verwendet. Sie sind der Kern eines Simulationsprogramms, das auf einem leistungsfähigen PC zum Einsatz kommt. Mit Hilfe des Gebäudesimulationsprogramms kann die Komplexität der Wechselwirkungen der inneren und äußeren Einflüsse auf ein Gebäude wie Außentemperatur, Sonneneinstrahlung, Wind, Verschattung, Nutzerverhalten, innere Wärmequellen, Lüftung usw. realitätsnah nachgebildet werden. Dies ist mit den Auslegungsvorschriften nach DIN oder VDI kaum möglich.
Erst durch Auswertung der Simulationsergebnisse wird es dem Planer überhaupt ermöglicht, ein Gebäude sowohl in energetischer als auch ökonomischer Sicht zu optimieren. Dies gilt nicht nur für den Entwurf von Neubauten, sondern auch für die Analyse und Optimierung von Altbauten.

REALISIERUNG Im Jahr 1996 wurde von Dipl.-Ing. Markus Werner, Geschäftsführer und Gesellschafter des 2001 gegründeten Unternehmens MeteoViva® GmbH, der Grundstein des Analyse- und Simulationsinstrumentes Lacasa gelegt. Lacasa ist aus der Entwicklung der TriSolar® - Wettervorhersage-Steuerung (siehe gesonderte Funktionsbeschreibung) hervorgegangen. Es erlaubt die modulare, mathematische Abbildung eines realen Gebäudes inklusive seiner Anlagentechnik und Nutzung „1:1“ auf einem Computer. Es werden Messreihen und Wetterdatensätze verwendet um beispielsweise in 15-minütiger Auflösung das dynamische Verhalten des Gebäudes hinsichtlich Raumtemperatur, Luftfeuchte und Luftqualität, Heiz- und Kühlleistung und Kosten für jeden Tag eines Jahres prognostizieren zu können.

Modell eines Raums mit Wänden, Fenster, Decke, Fußboden, Lüftung, Heizkörper und Regelung

Damit können die in der Dynamik eines Gebäudes schlummernden Investitions- und Betriebskosten-Einsparpotenziale sichtbar gemacht und quantifiziert werden. Vor allem können exakte Prognosen zu dem thermischen Verhalten des Gebäudes (z.B. Raumtemperaturen an heißen Sommertagen) und damit zu dem zu erwartenden thermischen Komfort innerhalb eines Gebäudes getroffen werden. Dieser Aspekt wird üblicherweise im Wohnungsbau völlig ignoriert!

Die Simulation muss im Rahmen der Konzeptberatung schon zu Beginn der Entwurfs- und Planungsarbeiten mit der ersten Kaligrafie des Architekten erfolgen, da nur so schwerwiegende - mit dem Baufortschritt nur teuer zu korrigierende - Gestaltungsfehler erkannt und im Sinne eines später angenehmen Raumklimas, geringer Investitions- und Betriebskosten behoben werden können. Je später im Planungsprozess Änderungen erfolgen, desto geringer in ihrer Wirkung und teuerer in ihrer Umsetzung sind diese Änderungen. Das bedeutet:

Die Optimierung muss von Anfang an Begleiter der Entwurfs- und Planungsarbeiten sein!

Die von MeteoViva® getroffenen Annahmen für Simulationsaufgaben werden grundsätzlich mit den planenden und auf der späteren Baustelle ausführenden TriSolar®-Partnerfirmen abgestimmt. Damit ist sichergestellt, dass MeteoViva® für seine Kunden eine optimale Lösung findet.

MERKMALE

Die Entwicklung von Lacasa wurde von Werner in seiner früheren Tätigkeit am Solar-Institut Jülich initiiert, geleitet und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) mit 0,9 Mio. € gefördert. MeteoViva® ist seit Frühjahr 2004 offizieller Kooperationspartner des Solar-Instituts Jülich / Fachhochschule Aachen. Lacasa wird kontinuierlich weiterentwickelt und um aktuelle technische Komponenten ergänzt. So hat MeteoViva® stets einen Vorsprung, wovon der Kunde profitiert.

Der Einsatz von Simulationswerkzeugen ist nur insoweit vorteilhaft wie die Berechnungen belastbare, d.h. realitätsnahe Ergebnisse liefern. Die Genauigkeit hängt von einer Vielzahl von Einflüssen ab, dazu zählen u.a. die gewählten Rechenmodelle, der Wetterdatensatz, die Bauteildaten und natürlich die korrekte Bedienung des Programms durch den erfahrenen Konzeptberater von MeteoViva®.
Für den erfolgreichen Einsatz komplexer Werkzeuge wie Lacasa bedarf es unbedingt des Wissens über die Möglichkeiten und Grenzen der in der Software verwendeten mathematischen Modelle, sonst läuft man Gefahr den Ergebnissen der Software blind zu vertrauen ohne zu merken, dass womöglich für die Aufgabe nicht geeignete Modelle oder falsche Eingaben verwendet wurden, die zu unsinnigen Ergebnissen führen.

Hier zeigt sich eine wesentliche Stärke von MeteoViva®, denn der Geschäftsführer ist der „geistige Vater“ und Entwickler der Software und ist somit Experte für die zielgerichtete, belastbare Anwendung von Lacasa. Generell gilt, dass man mit dynamischer Simulation überhaupt erst in die Lage versetzt wird, die Realität auf dem PC abzubilden und verlässliche Prognosen zu treffen. Mit den Rechengängen nach DIN oder VDI ist dies kaum oder nur in sehr beschränktem Umfang möglich. Die Energieeinspar-Verordnung (EnEV) berücksichtigt zwar verschiedene Haustechnik-Konzepte, ist aber nicht in der Lage dynamische Vorgänge, insbesondere die Temperatur- und Leistungsdynamik innerhalb eines Tages abzubilden. Sie orientiert sich schwerpunktmäßig nur an Energiemengen, nicht aber an Kriterien des thermischen Komforts und der Betriebsweise der Technik.

Vergleich Messung und Simulation eines Solarkollektor-Modells: Monatsbilanzen (links) und Tagesverlauf (rechts)

Mit Lacasa können sowohl kleinere Objekte wie Einfamilien- oder Mehrfamilienwohnhäuser als auch komplexe Gebilde wie technisch aufwändig ausgestattete Krankenhäuser und Gebäude abgebildet und optimiert werden. Wegen seiner Modularität ist es frei skalierbar, d.h. jedes erdenkliche Gebäude kann mit seiner technischen Ausstattung abgebildet und optimiert werden. Das selbe Simulationsmodell, das in der Planungs- und Optimierungsphase zum Einsatz kommt, wird später identisch in die TriSolar® - Wettervorhersage-Steuerung implementiert, so dass eine exakte Steuerung der Heizung, Kühlung und Lüftung möglich wird und stets optimale Temperaturen und Luftzustände in dem TriSolar® - Gebäude erzielt werden. Die Ergebnisse der von MeteoViva® mit Lacasa und anderen Werkzeugen durchgeführten Berechnungen fließen unmittelbar in das Sonnenhaus-Zertifikat des Solar-Instituts Jülich ein, womit der Bauherr einen belastbaren und wissenschaftlich geprüften Qualitätsnachweis für sein Vorhaben ausgehändigt bekommt.

Raumtemperaturen eines Holzhauses im Sommer: VOR (oben) und NACH (unten) der Optimierung des Entwurfs

Das Unternehmen MeteoViva® GmbH, Aachen ist nach 12-jähriger Forschungsarbeit an der RWTH Aachen und am Solar-Institut Jülich im Juli 2001 gegründet worden.

Der Geschäftsführer Dipl.-Ing. Markus Werner arbeitet als Konzeptberater und pflegt den Kontakt sowohl zur Praxis als auch zur Forschung und Entwicklung, so dass eine kontinuierliche Weiterentwicklung wissenschaftlicher Forschungsergebnisse für die praktische Anwendung gewährleistet ist. MeteoViva® GmbH betreibt Rechenzentren für die TriSolar® - Wettervorhersage-Steuerung und liefert die Steuerdaten für den optimierten Betrieb der Gebäudetechnik an die Kunden von TriSolar®- Sonnenhäusern und auch anderen Gebäuden.