Promotion am Lehrstuhl für Lehrstuhl für Elektrische Energieversorgungstechnik, Prof. Dr.-Ing. Markus Zdrallek, in Zusammenarbeit mit Prof. Dr.-Ing Karsten Voss, Lehrstuhl für Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung

Die Umstellung der Energieversorgung stellt eine große Herausforderung für die NW dar. So müssen diese in Zukunft flexibel in ihrem Energiebezug sein und auch in der Lage sein, Energie für Zeiten, in denen wenig erneuerbare Energien zur Verfügung stehen, zu speichern. Die hierfür zur Verfügung stehenden Technologien wie PVA, EBS, LIS, aber auch das NW selbst mit einem GMS können entscheidend dazu beitragen, dass die Energiewende in Deutschland gelingt. Trotzdem bleibt die Herausforderung, diese Technologien in einem gemeinsamen System zu vereinen, welches die Flexibilitäten des NW wirtschaftlich, aber auch netzdienlich, nutzen kann. Dies erfordert genaue Prognosen zum Gebäudezustand, damit der Gebäudebetrieb an die Verfügbarkeit der erneuerbaren Energien angepasst werden kann. Diese Anpassung muss von einem Regelungs-system durchgeführt werden, welches den Gebäudebetrieb überwacht und regelt. Es ergibt sich allerdings die Schwierigkeit, dass sich NW stark voneinander unterscheiden, sowohl in der Nutzungsart als auch in Form, Größe und Aufbau. Eine Ausbringung an flächendeckenden Regelungssystemen mit genauen Prognosen zum Gebäudebetrieb gestaltet sich als äußerst zeitintensiv, sollten konventionelle Methoden wie die PM oder regelbasierte Regelungen genutzt werden. Um die Energiewende in Deutschland schnell voranzutreiben und die Ziele der Bundesregierung umzusetzen, werden daher neue Ansätze benötigt.

Hier rücken Methoden des ML in den Fokus, da die Digitalisierung in Gebäuden voranschreitet und somit immer mehr Daten zum Trainieren von ML-Modellen zur Verfügung stehen. Der große Vorteil des ML ist, dass die Maschine selbstständig lernt und sich an gegebene Umstände und Situationen anpassen kann. Konkret bedeutet dies, dass Modelle für die Prognose des Gebäudezustandes von unterschiedlichen NW schneller mithilfe des ML entwickelt werden können, als mit konventionellen Ansätzen. Gleichzeitig können Regelungen für unterschiedliche NW von Agenten, welche auf dem BL basieren, erlernt werden und müssen nicht für jedes Gebäude speziell entwickelt werden.

Das Hauptziel dieser Arbeit besteht daher im Aufbau eines Selbstlernenden Regelungssystems (SR) für NW, welches lernt, die vorhandenen Flexibilitäten zu prognostizieren und diese wirtschaftlich aber auch netzdienlich nutzt. Ein solches Regelungssystem müsste dementsprechend nicht für jedes einzelne NW parametriert und entwickelt werden, sondern würde in einer Trainingsphase den Betrieb des NW aufzeichnen und erlernen. Mit diesem System ist somit eine schnellere flächendeckende Ausbringung von Regelungssystemen, welche ein NW wirtschaftlich und netzdienlich betreiben können, möglich.

Um dieses Regelungssystem aufzubauen, wird zunächst in Kapitel 0 der vorliegenden Arbeit das Flexibilitätspotential von NW anhand einer Literaturrecherche untersucht. Hierbei sollen die einzelnen Anlagen des NW betrachtet und herausgearbeitet werden, welche Flexibilitäten diese liefern können und in welcher Form sie zur Verfügung stehen. Dieser Schritt ist notwendig, da nur so geeignete Modelle zur Prognose der verfügbaren Flexibilitäten erstellt werden können. Diese Flexibilitäten sollen genutzt werden, um einen wirtschaftlichen und einen netzdienlichen Betrieb umzusetzen. Für den wirtschaftlichen Betrieb wird vorgestellt, an welchen Energiemärkten das NW agieren kann und für den netzdienlichen Betrieb wird vorgestellt, wie sich ein NW netzdienlich, also beim Auftreten von Grenzwertverletzungen im elektrischen Verteilnetz, verhalten kann.

In Kapitel 3 wird das ML erläutert und welche unterschiedlichen Ansätze existieren. Dies dient als Grundlage für die folgenden Kapitel, da die Modelle zur Prognose der Flexibilitäten einzelner Anlagen des NW mithilfe von Methoden des ML aufgebaut werden. Auch die Regelung des Gesamtsystems wird auf Basis des ML umgesetzt. Im weiteren Verlauf werden die unterschiedlichen Techniken beschrieben, welche genutzt werden, um die Modelle für die einzelnen Anlagen aufzubauen. Abschließend zu diesem Kapitel wird das SR und dessen Umsetzung vorgestellt.

Kapitel 1 umfasst die Entwicklung der ML-Modelle zur Prognose der Flexibilitäten der einzelnen Anlagen des NW. Es werden ML-Modelle für die raumlufttechnischen Anlagen (RLT), die PVA, das EBS und die LIS für E-Kfz vorgestellt. Zunächst wird darauf eingegangen, welche Datengrundlagen für die Anlagen zur Verfügung stehen und wie diese aufbereitet werden müssen, um ein ML-Modell zu trainieren. Außerdem wird erläutert, welche Techniken des ML genutzt werden und verglichen, welches ML-Modell die genauesten Prognosen liefert. Des Weiteren werden die ML-Modelle mit realen Daten und simulierten Daten von einem PM verglichen. Hieraus ergibt sich die erste Forschungsfrage für diese Arbeit, welche lautet: Bieten ML-Modelle eine höhere oder niedrigere Prognosegenauigkeit als PM? Mit der Information, ob die erstellten ML-Modell eine höhere oder niedrigere Genauigkeit als konventionelle PM bieten, können in einem nächsten Schritt die Flexibilitäten der flexiblen Anlagen mithilfe der genauesten Modelle prognostiziert werden.

Die agentenbasierte BL-Regelung des NW wird in Kapitel 5 erläutert. Hier wird zunächst vorgestellt, wie Agenten auf Basis des BL entwickelt werden. Dafür wird eine Testumgebung benötigt, mit welcher ein Agent interagieren kann, um schnell Erfahrungen zu sammeln. Außerdem wird die Belohnungsfunktion beschrieben, welche das Verhalten der Agenten basierend auf vorgegebenen Zielen belohnt oder bestraft. Dabei gibt es zwei Betriebsarten, die von den Agenten erlernt werden müssen, der wirtschaftliche und der netzdienliche Betrieb. Hier ergibt sich die zweite Forschungsfrage, welche lautet: Kann ein NW durch eine agentenbasierte BL-Regelung wirtschaftlich und netzdienlich betrieben werden? Dafür wird die entwickelte Regelung des trainierten Agenten vorgestellt und kritisch gewürdigt.

Das Gesamtkonzept eines SR für NW wird in Kapitel 6 erprobt. Hierfür steht ein Gebäude für einen Feldtest zur Verfügung. Dieses und die dort vorhandenen flexiblen Anlagen werden zunächst vorgestellt. Das erlernte Regelungskonzept für das Gebäude sowie die Prognosegüte der ML-Modelle für die flexiblen Anlagen werden kritisch analysiert. Hier ergibt sich die dritte Forschungsfrage: Kann die Entwicklung eines SR für NW Vorteile gegenüber konventionellen EMS bieten? Das gesamte SR wird zuletzt kritisch gewürdigt.

Abschließend werden in Kapitel 7 die Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefasst und ein Fazit aus den Erkenntnissen gezogen. Außerdem wird erläutert, welcher weiterer Forschungsbedarf besteht.

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This research is concerned with the use of Building Performance Simulation (BPS) integrated with design in architectural education. In the midst of climate change, with time running out to achieve sustainable future goals, it is becoming increasingly difficult to create a built environment with low environmental impact yet high comfort, while achieving energy efficiency and maintaining aesthetic quality. To overcome the multidimensional and highly interactive challenges in the field of architecture and thus realize this multi-purpose built environment, a wider adoption of interdisciplinary approaches that address multiple parameters in an integrated manner is a necessity rather than an option. The practical application of integrated approaches depends, among other things, to a significant extent on whether practitioners are familiar with integrated approaches and have acquired the necessary knowledge and skills during their higher education. However, BPS is often an add-on rather than a natural part of design education, so new methods are needed to provide design-integrated experiences in education. This research explores how BPS is used in practice and education, and specifically how it is taught in architectural education, and presents a framework for teaching performance-based design in architectural education. The main contribution of this thesis to the research field lies in providing methods within a structured framework for combining design and BPS to better integrate BPS in architectural education. The thesis aims to serve the engagement of the fields of architectural design and performance education by providing concrete future perspectives on the integrated use of BPS in architectural design education for educators and all relevant actors.

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At around 40 %, the building sector makes a significant contribution to final energy consumption and CO2 emissions in the EU. At the same time, user comfort and wellbeing play a major role in building operation. Building automation systems (BAS) with intelligent controls enable the efficient operation of heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) systems to ensure the desired comfort level. However, the increasingcomplexity of HVAC systems in buildings is a major challenge for the development of intelligent controls. In building practice, a number of deficits can be observed at the interface between HVAC systems and BAS: Firstly, the level of detail of controls often remains low in the designphase and programming only takes place shortly before commissioning. Secondly, textual and graphical formats are used to communicate controls between planning offices and contractors, which are often ambiguous. Finally, the control actually implemented during operation is often unclear. As a result, this leads to discrepancies between expectations and measured performance and increased energy consumption overall. These deficits also make the efficient use of digital twins more difficult. Such digital twins are a promising approach that links models of buildings with data from live operation. This promotes a variety of model-based use cases in operation such as performance gap analyses, fault detection, or “what-if” analyses. Against this background, this work is dedicated to the question of how to ensure that HVAC systems are operated exactly according to specifications from the design phase. The tools and methods required for this are described in a three-step approach in planning, commissioning and operation. The starting point is the detailed development and definition of controls for HVAC systems at code level as early as the design phase. These controls are tested on building and HVAC models in Building Performance Simulation (BPS) environments. This creates a detailed Digital Twin of buildings, HVAC systems and controls as early as the planning phase. The direct implementation of the previously developed controls in the commissioning phase eliminates the performance gap caused by textual and graphical communication formats. Various approaches are described and compared for this transfer. Such an approach opens up a number of opportunities, above all the development of efficient controls that are tailored to the building characteristics. At the same time, it ensures that the Digital Twin and the real building have identical controls, which enables the efficient implementation of model-based Digital Twin applications in building operation. This approach is validated in three large-scale tests on air handling units (AHUs) in an industrial production building under realistic conditions. The experiments differ in how the control logic developed in BPS environments is implemented in building operation. The use of graphical schemas as a normative standard initially illustrates the basic suitability of the controls developed in BPS tools. For the first time, a prototype tool chain that allows the simulation of control code according to IEC 61131 in the BPS environment IDA ICE was then successfully implemented in a large-scale building application. The PLCopen XML format then enables the digital transfer from the planning phase to building controllers. In addition, the direct execution in the loop of controllers in IDA ICE for the operation of AHUs was also successfully implemented. In all three implementations, considerable savings were achieved compared to the original operation. The results and experiences thus underline the potential of model based control development. Performance analyses of simulation and measurement at control, system and room level illustrate deviations that can be attributed to model simplifications. The analyses also include organizational aspects at the interface between planning and execution. The described and validated methods contribute to increasing the quality of the planning phase with regard to controls for HVAC systems. The combination of model based design and model-based applications in operation provides important impetus for the establishment of Digital Twins in the building sector.

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Der Klimaschutz ist zu einer weltweit essenziellen Notwendigkeit geworden. Die dafür gesteckten europäischen und nationalen Umsetzungsstrategien unterscheiden sich erheblich. Ein wichtiger Anwendungsbereich betrifft den Gebäudesektor, da in Deutschland und Europa Gebäude ein Drittel des Bruttoenergieverbrauches ausmachen. Aufgrund des Klimaschutzes hat sich das Bauen bereits verändert und wird voraussichtlich weiter transformiert werden. Hierfür ist das Zusammenspiel aus Vorgaben von Seiten der Politik, effektiven Umsetzungsstrategien in der Praxis und Erkenntnissen zur Wirksamkeit und Optimierungen aus der Forschung entscheidend. Der Druck, schnell klimagerechter zu bauen und zu wohnen, ist hoch. Der Studierendenwettbewerb Solar Decathlon (SD) kann mit neuen Impulsen diese notwendigen Entwicklungen unterstützen. 

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, Schnittstellen zwischen dem SD und Politik, Forschung und Praxis aufzuzeigen und nachzuweisen, dass ein derartiger Dialog gewinnbringend für die Umsetzung der Klimaziele sein kann. Im Rahmen vergleichender Gegenüberstellungen wird untersucht, in welchem Maße Klimaziele in Deutschland bisher erreicht wurden, welche Wirksamkeit die dafür eingesetzten Maßnahmen hatten und inwieweit die innovativen Lösungen, die im SD präsentiert werden, die Entwicklungen in Politik und Praxis unterstützen können. Im Dialog von SD und Forschung wird hierfür untersucht, wie die SD-Ergebnisse gewinnbringend für die Gebäudeforschung eingesetzt werden können. 

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Automatisierte Beschattungssysteme sind eine vielversprechende Lösung zur Verbesserung der thermischen und visuellen Bedingungen in Innenräumen und zur Energieeinsparung. Frühere Studien haben jedoch gezeigt, dass viele der bestehenden automatischen Beschattungssysteme nicht in der Lage sind den vi­suellen Komfort der Nutzer zu verbessern und den Energieverbrauch wie in der Planungsphase vorgesehen zu senken. Daher setzen die Nutzer diese Systeme häufig außer Kraft oder deaktivieren sie, um ihr Unbehagen oder ihrem Wun­sch nach einem individuell angepassten Innenraumklima zum Ausdruck zu brin­gen. Die Vernachlässigung der Bedürfnisse und Erwartungen der Nutzer bei der Planung und dem Betrieb von Gebäuden kann daher zu Diskrepanzen zwis­chen der vorhergesagten und der tatsächlichen Energieleistung und zu subop­timalen Planungsentscheidungen führen. Um dieses Problem anzugehen, zielt diese Forschungsarbeit darauf ab, die Nutzung und Funktion automatischer Beschattungssysteme in Büroumgebungen zu untersuchen und zu bewerten, um die Planung und den Betrieb automatischer Beschattungssysteme in bestehenden und neuen Gebäuden zu optimieren. 

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Auf Grund steigender Energiekosten sowie erhöhter öffentlich-rechtlicher und normativer Anforderungen an den Energiebedarf von Gebäuden gewinnen energieeffiziente passive Kühltechniken zunehmend an Bedeutung. Eine vergleichsweise einfache und nahezu überall mögliche Form passiver Kühlung ist die Nachtlüftung. Sie nutzt das Kühlpotential niedriger nächtlicher Umgebungstemperaturen, um die tagsüber erwärmten Gebäudestrukturen zu kühlen. Dieses Kühlkonzept bedingt eine raumweise Zuführung von Außenluft, zumeist durch fassadenintegrierte Lüftungsöffnungen. Mikroklimatische Einflüsse aus dem Gebäudeumfeld und aus der solaren Einstrahlung auf die Fassade können hier zu einer Erwärmung der Zuluft führen und sich somit in sommerlichen Witterungsphasen nachteilig auf das Raumklima bzw. den Kühlbedarf auswirken.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird an Räumen mit außenwandintegrierten Zuluftöffnungen untersucht, in welchem Maß diese äußeren Einflüsse einen Anstieg der Ansaug- und somit der Raumtemperaturen hervorrufen, welche Auswirkungen die prognostizierte Klimaerwärmung hat und wie sich die Nachtlüftungseffektivität durch günstige Zu- und Abströmöffnungen optimieren lässt.

Bei Feldmessungen an acht Bürogebäuden werden verschiedene Fassaden- und Ansaugkonstruktionen hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Ansaug- und Zulufttemperaturen verglichen und vorteilhafte Konstruktionen bzw. Konstruktionsmerkmale identifiziert. Mikroklimatische Einflüsse, z.B. aus umliegender Bebauung oder Topographie, werden durch die Gegenüberstellung lokal und meteorologisch gemessener Wetterdaten ermittelt.

Parallel zu den Feldmessungen werden kohärente Untersuchungen – frei von Nutzereinflüssen – an einem Messraum auf dem Campus der Universität Wuppertal durchgeführt. Eine in dem Zusammenhang getestete Zuluftkühlung mittels Latentwärmespeichern erwies sich als sehr effektiv.

Aus den Messdaten des Testraums werden ferner Formeln zur Berechnung von Ansaug- und Zulufttemperaturen unter Berücksichtigung von Solar- und Windeinflüssen abgeleitet. Die zu Grunde liegenden Verfahren sind dokumentiert und können zur Herleitung vergleichbarer Formeln für andere bauliche Situationen verwendet werden.

Mit den so gewonnenen Formeln werden anschließend in dynamischen Gebäudesimulationen die Auswirkungen verschiedener Ansaug-Konfigurationen und Wetterdaten auf das Raumklima und den Jahreskühlenergiebedarf verglichen. Die Berücksichtigung der Solareinflüsse an der Fassade führt dabei zu einem signifikant wärmeren Raumklima bzw. zu einem bis zu 80 % höheren Kühlenergiebedarf; der Heizenergiebedarf reduziert sich hingegen um bis zu 20 %. Außerdem zeigen die Simulationen, dass Wetterdaten von meteorologischen Mess-Stationen kaum geeignet sind, die Raumtemperaturen an eng bebauten städtischen Standorten realitätsnah abzubilden.

Für weitere Analysen werden daher auf die meteorologischen Daten des Testreferenzjahrs parameter-basiert Stadteffekte aufgeprägt. In verschiedener Ausprägung bilden diese in Kombination mit Datensätzen unterschiedlicher Temperaturcharakteristik die Basis für Sensitivitätsanalysen des Raumklimas und des Energiebedarfs. Mit den Daten zweier Klima-Prognosen wird ermittelt, dass bis zum Jahr 2050 eine passive Kühlung von Gebäuden nur noch mit großem technischen Aufwand bzw. einer Kombination verschiedener Systeme möglich ist. Auf Grund der potentiell langen Nutzungsdauer von Gebäuden sollte daher bereits heute bei der Planung neuer Gebäude bedacht werden, wie sich deren Kühlleistung später an die erhöhten Anforderungen anpassen lässt.

Die beim Kühlbetrieb während der Nachtlüftung auftretenden Wärmeaustauschprozesse werden detailliert mit transienten dreidimensionalen Strömungssimulationen untersucht. Dabei werden besonders effiziente Lüftungskonfigurationen identifiziert und Wärmeübergangskoeffizienten zur Nutzung in thermischen Gebäudesimulationen ermittelt und tabelliert.

Die Ergebnisse aller in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen sind abschließend in leicht verständlichen Planungshinweisen und -empfehlungen zusammengefasst.

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Die EU fordert für Neubauten ab 2019 (öffentlich) bzw. 2020 (privat) einen national zu definierenden Standard des Niedrigstenergiegebäudes. In Deutschland ist im Rahmen der Energiewende zudem das Ziel des Klimaneutralen Gebäudebestands bis 2050 formuliert. Aufbauend auf der Motivation Energie(kosten), Klimagasemissionen und/oder den Ressourcenverbrauch zu verringern, entstehen weltweit bereits seit vielen Jahren Gebäude mit dem Anspruch an eine ausgeglichene Energiebilanz - sog. Nullenergiegebäude. Die Umsetzung dieser (Ziele durch) Nullenergiegebäude und die in der Praxis genutzten Umsetzungsstrategien und -maßnahmen, die möglichen methodischen Festlegungen innerhalb einer Energiebilanz (Indikatoren, Bewertungsverfahren, Bilanzgrenzen und -rahmen oder mögliche Quantifizierungsgrößen) sowie deren Einfluss auf die Gebäudegestaltung werden im Zuge dieser Arbeit analysiert. Es werden energetische und formale Trends für die typische und typologiespezifische Umsetzung von Nullenergiegebäuden dargestellt.

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Mit der Anwendung im Studierendenwohnheim findet das vom Wohnungsbau bis zur Produktionshalle umgesetzte Prinzip des Passivhauses in einer weiteren Gebäudetypologie Anwendung. Die Arbeit analysiert mehrere als Passivhaus umgesetzte Studierenden- wohnheime. Gegenstand der Analysen ist, wie sich die Anwendung von passivhaus-typischen Merkmalen, also hochwertiger Wärmeschutz der Gebäudehülle, ventilatorgestützte Lüftung mit Wärmerückgewinnung und umfangreiche Nutzung interner und solarer Gewinne im Kontext dieser spezifischen Nutzungsstruktur darstellt.

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Die energetische Bilanzierung von Nichtwohngebäuden macht in der Regel eine umfangreiche Zonierung der Gebäude und damit verbunden eine zeitaufwändige Ermittlung der Hüllflächen erforderlich. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Validierung von Vereinfachungsansätzen, sodass eine konsequente Energieplanung vom Planungsbeginn bis zur Gebäudezertifizierung auch bei komplexen Gebäuden mit vertretbarem Aufwand durchführbar wird.

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Viele der Bürogebäude, die vor 30 bis 40 Jahren gebaut wurden, weisen einen Sanierungsbedarf auf, da sie nicht mehr an heutige Bedürfnisse angepasst sind. Anforderungen aus der Nutzung, wirtschaftliche Erwägungen und Anpassungen an eine Klimaveränderung machen eine Sanierung erforderlich. Bestehen Probleme mit dem sommerlichen Raumklima, so können passive Kühlkonzepte den thermischen Komfort verbessern. Mit Verzicht auf eine aktive Kühlung und Klimatisierung von Gebäuden sind wesentliche Energieeinsparungen erreichbar.

Die Arbeit untersucht die Hypothesen zum einen durch theoretische Grundlagen, zum anderen über Fallstudien und -beispiele. Die Überprüfung durch Fallstudien greift auf die beiden Typologiegebäude sowie auf bereits realisierte Sanierungen aus der Literatur zurück. Zur theoretischen Abklärung werden Themen wie Arbeitsplatzanforderungen, thermischer Komfort und Möglichkeiten seiner Beurteilung, sowie die bauphysikalischen Grundlagen erörtert. Dies geschieht aus zwei Perspektiven: zum einen aus der übergeordneten Sicht der allgemeinen Anforderungen, zum anderen mit Bezug auf die speziellen Belange der Sanierung. Neben der wissenschaftlichen Literatur knüpft die Arbeit dabei an Erkenntnisse, die bei den Demonstrationsprojekten des BMWI Förderkonzeptes „Energieoptimiertes Bauen“ (EnOB) hinsichtlich der passiven Kühlung gewonnen wurden, an und überprüft die Übertragbarkeit und Anwendbarkeit auf die Gebäudesanierung.

Anhand einer Gebäudetypologie wird geklärt, unter welchen Voraussetzungen eine Sanierung mit Maßnahmen der passiven Kühlung sinnvoll und erfolgversprechend ist. Kriterien zur Beurteilung des Gebäudepotentials für die passive Kühlung lassen
sich auf zwei Ebenen identifizieren:
- gebäudeunabhängige Faktoren, die entweder auf das Gebäude einwirken (Klima) oder mit der Gebäudenutzung (Kleiderordnung) im Zusammenhang stehen, aber nicht vom Gebäude oder seiner Gestalt herrühren.
- gebäudebezogene Größen (Bauweise, innere Aufteilung).

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