Klima digitalisiert

Längst werden auch in Wettbewerben Energiebilanzaussagen gefordert. Die Softwarebranche, aber auch Hochschulen haben daher Möglichkeiten entwickelt, wie sich »energetisch« digital entwerfen und berechnen lässt.

Text: Gesine Liskien-Penning

Die Zahl mag hinlänglich bekannt sein, aber beeindruckend ist sie immer wieder: Rund 40 % des globalen Energieverbrauchs und der klimawirksamen Treibhausgase entfallen allein auf die Nutzung von Gebäuden. Kein Wunder also, dass das Thema Nachhaltigkeit gerade im Bauwesen mittlerweile eine zentrale Rolle spielt: Gefordert ist eine ökologisch verträgliche, zukunftsfähige und Ressourcen schonende Architektur. Das Aufgabenfeld von Architekten hat sich dementsprechend geändert. Es geht nicht mehr um Gestaltung und Funktion allein, sondern gleichzeitig auch um die ökologisch beste Lösung. Eine herausragende Bedeutung kommt dabei der Energieeffizienz zu und den Optimierungsmöglichkeiten, die sich hier in der Planung ergeben: Etwa durch eine geschickte Nutzung natürlicher Umweltfaktoren wie Licht, Wärme und Luftströmungen, durch eine sinnvolle Ausrichtung des Gebäudes aber auch durch eine nach ökologischen Gesichtspunkten konzipierte Gebäudetechnik.
Abhängigkeiten begreifen
All diese Faktoren zusammen bestimmen letztendlich die ökologische Bilanz und Energieeffizienz eines Gebäudes. Dem Architekten kommt die Aufgabe zu, die verschiedenen Abhängigkeiten zu begreifen und gezielt gegeneinander abzuwägen. Lange Zeit blieb ihm dabei nichts anderes übrig, als sich auf Aussagen von Fachingenieuren zu verlassen. Allerdings ließen sich die Angaben von Bauphysiker, Gebäudetechniker und Lichtplaner nur schwer unter einen Hut bringen, so dass eine ganzheitliche Betrachtungsweise nur mit viel Aufwand möglich war. Das hat sich in den letzten Jahren geändert. Einen wichtigen Schritt haben hier die EnEV-Vorschriften gemacht und die entsprechenden EnEV-Softwarelösungen, die seitdem auf dem Markt sind [1]. Denn teilweise sind diese Systeme auch in der Energie- planung einsetzbar, können also von Architekten genutzt werden, um die Gebäudeplanung in energetischer Hinsicht zu optimieren – allerdings vor allem in einer späteren Projektphase und mit entsprechendem Know-how und Zeitaufwand.
Simulationssoftware
Zusätzlich gibt es spezielle Software, die genaue Bewertungen des tatsächlichen Energiebedarfs von Gebäuden mit Hilfe dynamischer Simulationen erlauben. Dazu gehören u. a. Lösungen, mit deren Hilfe sich detaillierte Untersuchungen des Tageslichtbedarfs sowie Besonnungs- und Verschattungsstudien erstellen lassen. Das Spektrum an Produkten reicht dabei von einfachen Lösungen für eine schnelle Analyse bis hin zu professionellen Visualisierungslösungen, die auch physikalisch korrekte Lichtsimulationen erlauben. Die Planung muss dabei als dreidimensionales Baumassenmodell zur Verfügung stehen.
Anhand von Sonnenstand bzw. Lichtquellen, Materialien und Texturen werden für verschiedene Tages- und Jahreszeiten die Verschattungen genau berechnet, die Baumassen entsprechend verändert und wiederum die Belichtung berechnet, bis schließlich die optimale Bauform bzw. eine optimale Belichtung erreicht ist. Das erfordert Know-how und zusätzliche Arbeit, die nicht jeder Planer erbringen kann und will. Diese Lösungen eignen sich damit in erster Linie für jene Planungsbüros, die sich speziell in der Lichtplanung und Visualisierung profilieren wollen und für die sich daher sowohl der Einarbeitungsaufwand, als auch die Anschaffung einer solch spezialisierten Software lohnt. Interessant für alle anderen dürfte eine Visualisierungslösung sein, die als Open-Source-Software erhältlich ist und damit zumindest keinen finanziellen Aufwand erfordert. Als »offene Software« lässt sie diese Lösung zudem an individuelle Bedürfnisse anpassen.
Neben Simulationslösungen für die Visualisierung sind darüber hinaus auch Speziallösungen erhältlich, die dynamisch/thermische Simulationen erlauben bzw. Simulationen der akustischen Eigenschaften eines Gebäudes. Diese professionellen Lösungen richten sich in erster Linie an Fachingenieure und Bauphysiker, sind aber auch für Architekten geeignet, die ihr Leistungsspektrum gezielt auf einen dieser Bereiche ausweiten wollen.
Lösungen der CAD-Anbieter
In letzter Zeiten haben nun außerdem CAD-Anbieter eigene Software-Produkte auf den Markt gebracht, die speziell für Architekten konzipiert sind und ihnen helfen sollen, Aspekte zum Energieverbrauch und zur Nachhaltigkeit eines Gebäudes mit wenig Aufwand zu untersuchen. Das Besondere dabei: Die Systeme können Daten direkt aus dem dreidimensionalen Gebäudemodell verwenden und sollen so eine integrierte, durchgängige Projektbearbeitung nach dem BIM-Prinzip (Building Information Modeling) unterstützen. Zudem sind diese Produkte gerade auch für den Einsatz in einer frühen Planungsphase konzipiert, um so eine energetische Optimierung zu erlauben, wenn Änderungen noch mit wenig Aufwand möglich sind. Und schließlich sollen sich diese Lösungen relativ einfach und ohne allzu detaillierte bauphysikalische Kenntnisse bedienen lassen. Die Ergebnisse seiner energetischen Untersuchungen soll der Planer quasi »en passant« erhalten, so dass der Arbeitsfluss – etwa im Wettbewerbsentwurf – nicht unterbrochen wird.
Ihre Leistungsschwerpunkte setzen die Lösungen im Einzelnen unterschiedlich. So geht es bei einigen in erster Linie darum, den Energiebedarf eines Gebäudes schnell zu ermitteln. Dem Architekten stehen hier also Werkzeuge zur Verfügung, mit deren Hilfe er Neubauten bzw. Sanierungsmaßnahmen zu einem frühen Zeitpunkt in energetischer Hinsicht analysieren und so Varianten anhand von Energiebilanz oder Energieindikator vergleichen kann. Die verschiedenen Bauteile mitsamt ihrer Materialien und Schichten müssen dabei allerdings schon genau definiert sein. Anhand von Klimadaten sowie weiteren, ungefähren Angaben zur Umgebung und Nutzung erhält der Planer dann am Ende Aussagen zum Energieverbrauch, zur CO2-Emission sowie zur Energiebilanz, die aus Gewinnen und Verlusten resultiert. Die Ergebnisse werden dabei in Form von farbigen Grafiken gezeigt, und sollen damit leicht interpretierbar sein.
Bei einer anderen Lösung steht das Gebäudemodell mit seinen physikalischen Bedingungen und den herrschenden Umweltfaktoren im Fokus. Hier geht es in erster Linie um Simulationen von Wind, Licht und Schatten, die der Planer direkt am 3D-Gebäudemodell vornehmen kann – und zwar auch schon ab dem ersten Vorentwurf, wenn nur die Baumassen, aber noch keine Bauteile und Materialien definiert sind. Die Ergebnisse liefert das System in jedem Fall zeitnah und direkt als farbige Grafik im Gebäudemodell, so dass der Architekt diese Informationen in die weitere Ausgestaltung seiner Planung mit einbeziehen kann. Mit derartigem Funktionsspektrum dürfte sich diese Lösung besonders auch im (Wettebewerbs-) Entwurf sinnvoll nutzen lassen – sofern schon hier die Planung dreidimensional erfolgt.
Neues aus der Forschung
Auch an den Hochschulen hat sich einiges in punkto energieeffiziente Bauplanung getan. Dahinter steht die Erkenntnis, dass es wichtig ist, schon in der Architekturausbildung Verständnis für das energetische Verhalten von Bauwerken zu wecken. Hierfür wurde beispielsweise an der ETH Zürich der »Design Performance Viewer« entwickelt, ein Analyse-Tool, das Architekturstudenten schon im Vorentwurf verwenden können. Während der Planer ein Gebäude nach seinen Vorstellungen modelliert, berechnet das Werkzeug Kennwerte und macht sie visuell über eine Grafik sichtbar. Werden Gebäudeform oder Materialien verändert, ändert sich auch die Grafik, so dass sich das energetische Verhalten des Gebäudes interaktiv im Hinblick auf den Energieverbrauch optimieren lässt. Offensichtlich hat die Hochschule damit den Bedarf in der Praxis vorausgeahnt, denn mittlerweile interessieren sich auch Baustoffhersteller für die Entwicklung und sind dabei, auf dieser Grundlage eng an die eigene Produktpalette gekoppelte Werkzeuge zu erstellen, die dem Architekten dann ebenfalls eine energie- effiziente Planung erleichtern sollen.
Für welche der verfügbaren Lösungen sich der Architekt letztlich entscheidet, hängt von den bereits genutzten Softwaretools und der Arbeitsweise (etwa 2D, 3D oder BIM) ab – und damit von den Möglichkeiten, wie sich ein zusätzliches Planungswerkzeug in den büroeigenen Workflow einbinden lässt. Darüber hinaus sind für die Entscheidungsfindung natürlich auch die Tätigkeitsschwerpunkte wie Wettbewerbe, Neubau- oder Umbauplanungen wichtig. Allerdings decken die meisten Architekten heute ein breites Spektrum ab, so dass an dieser Stelle keine ausschlaggebende Entscheidungshilfe gegeben werden kann. Letztendlich ist etwas Experimentier-freude bei der Suche nach einer geeigneten Lösung wohl unerlässlich – die sich aber lohnen dürfte, weil der Planer so die Anforderungen an ein energieeffizientes Bauen erbringen kann, die der Markt heute und in Zukunft erfordert. •
Weitere Informationen und Produkte (ohne Gewähr auf Vollständigkeit): [1] Weitere Hinweise auf EnEV-Software siehe: db 12/2007, S. 98 ff, www.enev-online.de, www.enev-online.de
Open-Source-Software: »Blender«, www.blender.org – Visualisierungs-Software. Für eine energieeffiziente Planung lassen sich 3D-Modelle erstellen, verschiedene Texturtechniken und Materialien anwenden, Lichtsetups generieren etc. – offline und in Echtzeit. Die Abbildungen zu 2 (Grundstück mit Nachbarbebauung, max. besonnte Grundfläche und nach der Besonnung optimierter Architekturentwurf), wurden mit Blender erzeugt. Weiterführende Literatur zu Blender: Wolfgang Höhl, Generative Solar Design. In: FORUM PLANEN 11 / Juni 09, Österreichischer Wirtschaftsverlag, Wien 2009, S. 9-11; Interactive Environments with Open-Source- Software (…), Springer Verlag, Wien/New York 2009
Graphisoft: »Ecodesigner« – Energiebedarfsanalyse in der frühen Planungsphase, Preis: 495 Euro (Einzellizenz), www.graphisoft.de. Dem Programm ist Abb. 1 entnommen.
Autodesk: »Ecotect Analysis 2010 und Green Building Studio« – Analyse- und Simulationssoftware. Analysiert Gebäudedaten aus dem BIM-Modell und stellt Umweltfaktoren im Gebäudekontext dar. Preis: 3 300 Euro (Einzellizenz), www.autodesk.de
Nemetschek: In Allplan 2009 enthalten ist der »Energieindikator« zur Schnellanalyse von Sanierungsmaßnahmen. Mit »Allplan Energieausweis«lassen sich aus dem Gebäudemodell heraus energetische Kennzahlen ableiten und Energieausweise erstellen, Preis: 500 Euro. »Allplan Gebäudesimulation«: Dynamische Berechnung von Heiz- und Kühllasten sowie Werkzeuge für die Auslegung von PV- und solarthermischen Anlagen, Preis je nach Funktionsumfang 3 000-5 000 Euro, www.allplan.de, www.allplan.de