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20.03.2020 | Malin Johanna Berges, Michael Zibell, Dr.-Ing. habil. Anica Meins-Becker, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karsten Voss

Gebäudeperformance ist Klimaschutz

Optimierung von Gebäuden

Viele Gebäude werden unter ihrem Potenzial geplant, gebaut und betrieben. Das Forschungsprojekt „LivingLab Gebäudeperformance“ der Bergischen Universität Wuppertal untersucht, wie sich die Gebäudeperformance optimieren lässt – auch mit der BIM-Methodik.

Der Klimaschutz als gesellschaftliches Thema rückt zunehmend in das Bewusstsein der Öffentlichkeit. In diesem Rahmen kommt der Bau- und Immobilienwirtschaft mit der Erstellung und dem Betrieb von Bauwerken eine wesentliche Verantwortung zu. Gebäude verursachen allein in Deutschland 24 Prozent der Treibhausgasemissionen sowie 35 Prozent des Gesamtendenergieverbrauchs. Von Letzterem entfallen 13 Prozentpunkte auf den Nichtwohngebäudebestand. Die beiden größten Verbrauchsanteile dieser gebäudebedingten Endenergieverbräuche in Nichtwohngebäuden werden durch Beheizung (73 Prozent im Jahr 2017) und Beleuchtung (17 Prozent im Jahr 2017) verursacht (Quelle: dena Gebäudereporte 2016, 2018 und 2019).

Festlegung messbarer Zielwerte

Insbesondere vor diesem Hintergrund gewinnt die Betrachtung der Gebäudeperformance zunehmend an Bedeutung. Gebäudeperformance beschreibt, wie erfolgreich ein Gebäude festgelegte Ziele für Betriebskennwerte – sogenannte Performance-Indikatoren – erreicht. Die Performance eines Gebäudes kann auf unterschiedlichen Ebenen bewertet werden, von Energieverbrauch und Treibhausgasemissionen über Raumklima und Komfort bis hin zu Netzdienlichkeit oder Barrierefreiheit.

Für die Bewertung der Performance müssen im ersten Schritt geeignete und messbare Zielwerte festgelegt werden, damit diese im zweiten Schritt überprüft werden können. Die ersten Zielsetzungen an ein Gebäude werden bereits in der Grundlagenermittlung benannt. Allerdings werden hier häufig sehr allgemeine und nicht konkret messbare Formulierungen gewählt.

In Ausschreibungstexten heißt es beispielsweise: „Für sämtliche Flächen soll die bestmögliche Nutzbarkeit des Tageslichts erreicht werden. Eine freundliche, helle Atmosphäre und lichtdurchflutete Räume sind essenziell, um attraktive Arbeitsplätze zu schaffen. Ziel ist es, den akustischen Komfort innerhalb der Funktionsbereiche zu optimieren.“

Hierin sind keine konkret überprüfbaren Sollwerte enthalten, sodass später eine objektive Überprüfung der Erfüllung nicht umsetzbar ist. Energetische Zielsetzungen können in der Praxis oft nicht validiert werden, da entsprechende Zähler nicht vorhanden sind oder nicht ausgewertet werden. Vielfach existieren heute noch Stromzähler für ganze Liegenschaften und nicht für deren einzelne Gebäude oder Verbrauchsbereiche wie die Beleuchtung oder Klimakälte.

Auch im weiteren Projektverlauf fehlen oft hinreichend spezifisch definierte Ziele und Anforderungen an die Gebäudeperformance, sodass die Erfüllung der geforderten, grob formulierten Leistungen Auslegungssache ist. Für diesen Umstand gibt es unterschiedliche Ursachen, wie beispielsweise:

  •  Die Interessengruppen am Bau verfolgen unterschiedliche wirtschaftliche Ziele
  • Unzureichendes Schnittstellenmanagement führt zu unklaren Zuständigkeiten und Verantwortlichkeiten
  • Die Komplexität der Komponenten und Systeme in einem Gebäude erschwert eine strukturierte Betrachtung
  • Gewerke werden zu isoliert voneinander betrachtet und zu wenig als Gesamtsystem „Gebäude“
  • Dokumentationen wie Simulationsergebnisse werden nicht oder unvollständig übergeben, z. B. von der Realisierung¬ in den Betrieb
  • Anforderungen an Inhalte und Strukturen von Planungsunterlagen und Dokumentationen für die Gebäudeperformance sind nicht ausreichend standardisiert

Das Forschungsprojekt „LivingLab Gebäudeperformance“ der Bergischen Universität Wuppertal beabsichtigt, die wesentlichen Anforderungen für eine lebenszyklusübergreifende Betrachtung der Gebäudeperformance aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufzustellen. Das interdisziplinäre Team setzt sich aus den Fachgebieten Bauphysik und TGA, Baubetrieb und Bauwirtschaft inklusive BIM-Institut, Werkstoffe im Bauwesen (Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen) sowie Elektrische Energieversorgungstechnik (Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik und Medientechnik) zusammen. Gefördert wird das Projekt durch die europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) „Investitionen in Wachstum und Beschäftigung“ in Verbindung mit Landesmitteln des Ministeriums für Heimat, Kommunales, Bau und Gleichstellung des Landes Nordrhein-Westfalen (MHKBG NRW) mit einer Laufzeit bis 2020.

Lebenszyklus eines Gebäudes (Bild: Lehr- und Forschungsgebiet Baubetrieb und Bauwirtschaft der Bergischen Universität Wuppertal)

Datensammelwut ist nicht sinnvoll

Mit der zunehmenden Digitalisierung der Bau- und Immobilienwirtschaft und dem Einsatz der Methode Building Information Modeling in Deutschland entstehen vermehrt technische Möglichkeiten, um Informationen digital zu erzeugen, vorzuhalten und zu verarbeiten. Der Abbau technischer Hürden löste in der Vergangenheit häufig eine Begeisterung für das willkürliche Sammeln von allen möglichen verfügbaren Daten aus. Für eine Vorhaltung der Informationen über die Lebensdauer einer Immobilie ist dies mitunter aufwändig und kostenintensiv. Zudem entsteht der Informationsbedarf im Wesentlichen durch konkrete Tätigkeiten wie Wartung und Instandhaltung, Instandsetzung, infrastrukturelle Betreiberpflichten, kaufmännisches Management usw. am oder im Gebäude. Zur Generierung der avisierten Mehrwerte, wie etwa durch automatisierte Abläufe, ist eine gezielte und strukturierte Informationshaltung in der Hauptzahl der Fälle sinnvoll.

Für diese Vorgehensweise sind insbesondere die zuvor benannten Punkte der klaren Verantwortlichkeiten sowie eindeutigen Beschreibungen zu den zu erbringenden Leistungen essenziell. Aber auch andere Aspekte des Projektmanagements wie Informations-Lieferungszeitpunkte, die Inhalte und deren Struktur sind zu beachten. In der Praxis mangelt es jedoch häufig an entsprechenden Überlegungen.

Die Methode Building Information Modeling umfasst unterschiedliche Elemente zur Planung und Umsetzung einer digital gestützten Projektabwicklung. Im Kern geht es darum, relevante Informationen in ein Bauwerksdatenmodell zu integrieren und untereinander zu verknüpfen, um den Informationsfluss im Projekt zu verbessern. Dazu werden zu einem frühen Zeitpunkt Organisations- und Projektziele von Bauherren definiert.

Im Anschluss werden den Zielen relevante Anwendungsfälle zugeordnet, wie die Analyse der Gebäudeperformance. Anwendungsfälle beschreiben eine Reihe zusammenhängender Prozesse, die zur Erreichung eines Projektziels erforderlich sind – auch über Lebenszyklusphasen hinweg. Hierbei ist stets die Frage zu beantworten, welcher Projektverantwortliche zu welchem Zeitpunkt welche Information in welcher Datenstruktur (z. B. Datenformat) in das Bauwerksinformationsmodell einpflegen oder damit verknüpfen muss. Je detaillierter die zu den Anwendungsfällen zugehörigen Informationsanforderungen formuliert werden, desto gesicherter ist das Erreichen der zu Beginn definierten Ziele.

Probleme bei der Gebäudeperformance

In der Praxis scheinen zwei Hürden bei der Analyse der Gebäudeperformance mit BIM zu bestehen. Zum einen fehlen Beschreibungen, wie messbare Ziele im Hinblick auf die Gebäudeperformance definiert werden müssen. Zum anderen existieren keine Vorlagen für Anwendungsfälle, die Anhaltspunkte für die Informationsanforderungen an die Gebäudeperformance liefern. Dies hat das Projektteam zum Anlass genommen, vorhandene Erkenntnisse zur Betrachtung der Gebäudeperformance aus Forschung und Praxis in Vorschlägen für Anwendungsfälle auszuarbeiten und auszugsweise technisch umzusetzen.

An der Bergischen Universität Wuppertal wurde bereits in den vergangenen fünf Jahren ein komplexes datenbankgestütztes Prozessmodell aufgebaut, in dem unterschiedlichste BIM-Anwendungsfälle und ihre Informationsanforderungen abgelegt wurden. Die Anwendungsfälle der Gebäudeperformance werden ebenfalls in diese Prozesslandkarte eingebettet. Im Ergebnis entsteht eine Vorlage zur Definition von Zielen, Anwendungsfällen und Informationsanforderungen der Gebäudeperformance. Die Ergebnisse werden im Rahmen der Standardisierungsarbeiten des VDI zum Thema BIM und Anwendungsfälle Berücksichtigung finden.

Übersicht des Anwendungsfalls „Gebäudeperformance“ (Bild: Lehr- und Forschungsgebiet Baubetrieb und Bauwirtschaft der Bergischen Universität Wuppertal)

Der Anwendungsfall der Gebäudeperformance beschreibt konkret das zur Überprüfung eines Performance-Indikators notwendige Informationsmanagement. Es setzt sich zusammen aus den Informationen, die in den einzelnen Lebenszyklusphasen erhoben werden müssen. Dazu gehören die Definition von Performance-Zielen (z. B. hinsichtlich der jährlichen Treibhausgasemissionen), die Simulation der zugehörigen Performance-Indikatoren (z. B. Prognose des Strom- und Wärmeverbrauchs) und die Planung eines geeigneten Energie-Monitorings in der Planungsphase, der Beginn des Monitorings während der Inbetriebnahme sowie die Verstetigung des Monitorings während des Betriebs gemäß PDCA-Zyklus (plan – do – check – act).

Beispiele für Performance-Indikatoren sind:

  • Energieverbräuche pro Verbrauchssegment (z. B. Heizung, Beleuchtung, Lüftung, Kälte, Warmwasser) in Kilowattstunden/m2NGF*a oder Kilowattstunden/Person*a oder Kilowattstunden/Produkt*a
  • Verbrauchsdeckungsanteil durch Eigenstromerzeugung in Prozent
  • Treibhausgasemissionen in CO2-Äquivalenten CO2 e/m2NGF*a
  •  Akustik als Nachhallzeiten in ausgewählten Räumen für Kommunikation in Sekunden
  • Barrierefreiheit als Anteil der Räume oder Fläche, die barrierefrei zugänglich sind in Prozent
  • Medienverbräuche wie Wasser in Liter oder Kubikmeter/m2NGF*a oder Kubikmeter/Person*a oder Kubikmeter/Produkt*a
  • Tageslichtquotient in ausgewählten Räumlichkeiten in Prozent
  • Raumklimaindikatoren (Temperatur, Luftfeuchte und CO2) während der Anwesenheitszeit¬ pro Jahr je Raum in Anlehnung an die Klassifizierung nach DIN EN 15251

Dabei ist es wichtig, Ziele nach dem SMART-Prinzip zu definieren. Es besagt, dass Ziele spezifisch (möglichst präzise was), messbar (wie), abtretbar (klare Zuständigkeiten, wer), realistisch (Umsetzbarkeit) und terminiert (wann) sein müssen. Der folgende Satz verdeutlicht, wie eine derartige Definition von Performance-Zielen lauten sollte:

„Der nach Einbau der Fenster vom Architekten zu messende Tageslichtquotient in den Büros muss bei bedecktem Himmel auf 0,8 Meter Arbeitshöhe auch an der am weitesten von den Fenstern entferntesten Stelle im Raum mindestens 5 Prozent betragen.“

Derzeit laufen außerdem Untersuchungen, inwieweit Daten aus bestehenden Systemen wie der Gebäudeleittechnik (GLT) zur Überprüfung der Performance herangezogen werden können. Hierbei stellt sich die Herausforderung der großen Anzahl sehr verschiedener Systeme, die weder einheitliche Strukturen noch Exporte bereitstellen.

Analog zu dem gesetzlich genormten Stecker für On-Board-Diagnose (OBD) bei Autos sollte es für die GLT ebenfalls einen einheitlichen Output aus dem System geben, um eine qualifizierte externe Datenanalyse sicherzustellen. Ein Beispiel für diese Art der Darstellung eines Outputs sind die Regeln zur Durchführung der Messung von Abgasverlusten nach Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV).

Andere bestehende Instrumente wie der Energiebedarfsausweis sind durch die der Berechnung zugrundeliegenden Annahmen über Referenzklima und Standardnutzungsprofile nicht unmittelbar zum Vergleich mit Energieverbrauchsmessungen geeignet. Durch Anpassungen der Randbedingungen auf das Standortklima und die realen Nutzungsbedingungen können sie aber nutzbar gemacht werden, was leider in der Praxis überwiegend ausbleibt und damit vielfach zu Fehlinterpretationen führt.


Weitere Informationen über das Projekt: Hier klicken

Gefördert durch:

 

© fotomek/stock.adobe.com
Autoren

Dr.-Ing. habil. Anica Meins-Becker ist Akademische Rätin und Leiterin der Arbeitsgruppe „BIM, Digitalisierung und Prozessmanagement“ am Lehr- und Forschungsgebiet Baubetrieb und Bauwirtschaft der Bergischen Universität Wuppertal. Zu den Forschungsschwerpunkten zählen u. a. das prozessorientierte Planen, Erfassen, Kontrollieren, Steuern und Dokumentieren mittels AutoID-Techniken, das Forschungscluster Baulogistik und die Anwendung der Methode Building Information Modeling. biminstitut.de


Malin Johanna Berges, M. Eng. absolvierte ein Studium zum Master of Engineering in Nachhaltigem Bauen und Betreiben sowie zum Bachelor of Engineering in Total
Facility Management. Seit 2016 arbeitet sie am Lehrstuhl für Bauphysik und TGA in der Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen der Bergischen Universität Wuppertal. Ihr Forschungsschwerpunkt ist die Performance von Nichtwohngebäuden im Bestand. btga-arch.uni-wuppertal.de


Michael Zibell, M.Sc. ist Promovend am Lehr- und Forschungsgebiet Baubetrieb und Bauwirtschaft an der Bergischen Universität Wuppertal. Zu seinen Forschungsschwerpunkten zählen das Erfassen, Definieren und Analysieren von Prozessen in der Wertschöpfungskette Bau sowie deren Veränderungen im Zuge der Digitalisierung. Zudem befasst er sich mit der Entwicklung von Softwarelösungen zum Aufbau von Datendurchgängigkeit und -verfügbarkeit in der Bau- und Immobilienwirtschaft. biminstitut.de


Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karsten Voss doziert Bauphysik und TGA an der Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen der Bergischen Universität Wuppertal. Er leitet den Studienschwerpunkt „Nachhaltiges Bauen und Gebäudeperformance“ und ist Mitglied des Leitungsteams der wissenschaftlichen Begleitforschung für den Demonstrationsbereich der Forschungsinitiative Energieoptimiertes Bauen des BMWi. btga-arch.uni-wuppertal.de

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