Forschung

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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 auch besser integriert und leichter nutzbar gemacht werden.

Forschungsthemen

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.

 

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" und "DATES" entwickelt und stetig erweitert.

LAUFENDE FORSCHUNGSPROJEKTE

EnOB: GEnEff

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

EnOB: GEnEff: Neuartige Bewertung der Gebäude-Energie-Effizienz und innovative Demonstration mittels Simulationsmethoden und Virtual Reality (Laufzeit 2020 bis 2023)

Im Projekt 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.

EnEff: Stadt: HCBC (1. Umsetzungsphase)

Modellerierung der Gebäude der UdK Berlin Fasanenstrasse 1b (Konzertsaal, Theater UNI.T etc.) zur Ermittlung der Kühllast für die Gebäudeklimatisierung

Quelle: Fachgebiet VPT / Apple Karten

Fotovoltaik-Dachanlage mit 68,7 kWp auf dem sanierten Dach der Hauptverwaltung der UdK Berlin, Am Einsteinufer 43 bis 53

Quelle: UdK Berlin

EnEff: Stadt: Hochschulcampus Berlin-Charlottenburg (HCBC), 1. Umsetzungsphase mit Teilsanierungen, Wärme- und Kältenetzen sowie einem Demonstrator auf dem 1. Schritt zur Wärmewende (Laufzeit 2018 - 2023)

Im von Bundeswirtschaftministerium 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.

DATES

DATES: Digitales Analyse-Tool für Energetische Sanierungsfahrpläne (Laufzeit 2018 bis 2020)

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.

EnEff.Gebäude.2050

Heutiger Energiebezug von Stadtquartieren und hiermit verbundenene Emissionen

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Möglicher zukünftiger Energiebezug von Stadtquartieren im nahezu klimaneutralen Gebäudebestand

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

EnEff.Gebäude.2050 – Innovative Vorhaben für den nahezu klimaneutralen Gebäudebestand 2050 (Laufzeit 2018 bis 2020)

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.

 

Rooftop

Rooftop-Gebäude auf dem Wettbewerbsgelände des Solar Decathlon Europe 2014 in Versailles (Frankreich)

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Forschungsprototyp einer solaren Plusenergiewohneinheit für den Gebäudebestand (Laufzeit 2017-2021)

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.

Modelica-Bibliothek BuildingSystems

Modelica-Modell eines solaren Heizungssystems

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

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.

Abgeschlossene Forschungsprojekte

EnEff:Stadt: HCBC (Analyse- und Konzeptionsphase)

Jahresheizenergiebedarf des HCBC in kWh/(m2a)

Quelle: TU Berlin und UdK Berlin

EnEff: Stadt: Hochschulcampus Berlin Charlottenburg (HCBC) - Demonstration eines innovativen Wärmeenergiemanagement für ein Bestandsquartier (Laufzeit 2016 - 2018)

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 Bundeswirtschaftministerium 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.

WaveSave

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin und Fraunhofer FOKUS

Planung und Steuerung von dezentralen Energiesystemen in Gebäuden zur nachhaltigen, ressourcenschonenden und wirtschaftlichen Strom- und Wärmeversorgung (Laufzeit 2015 - 2018)

In diesem von Bundeswirtschaftministerium 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.

AMSUN

AMSUN Modell Schema

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Schema der Gebäudesektionen

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Aufteilung AMSUN Projekt

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Schema der Abbuchbedingungen der Modelle

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Simulierte Temperaturen SimSD2

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Vergleich simulierte Temperaturen Sim1D, Sim3D und SimSD1

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

DFG Forschungsprojekt "Automatische Modellierung und Simulation von technischen Unsicherheiten" (Laufzeit 2013 - 2018)

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.

EnEff-BIM

Use Case 1.1, links schematisch, rechts als Modelica-Modell

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Implementierung des Prozesses als Kette spezialisierter Werkzeuge

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Python Framework und graphische Benutzeroberfläche

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Computational Tools for Building and Community Energy Systems (IEA Annex 60)

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Planung, Auslegung und Betriebsoptimierung von energieeffizienten Neu- und Bestandsbauten durch Modellierung und Simulation auf Basis von Bauwerk-informationsmodellen (Laufzeit 2013 - 2018)

Im von Bundeswirtschaftministerium 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.

UCaHS

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

DFG-Forschergruppe 1736 „Urban Climate and Heat Stress in mid-latitude cities in view of climate change“ (Laufzeit 2013 - 2016)

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.

ATES

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Systemschema: Wärmeversorgung eines Stadtquartiers mittels Aquiferspeicher und Wärmewandler

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Effizienz und Betriebssicherheit von Energiesystemen mit saisonaler Energiespeicherung in Aquiferen für Stadtquartiere (Laufzeit 2012 - 2016)

Im vom Bundeswirtschaftministerium 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.

Open eQuarter

Analyseergebnis Open eQuarter: statistische U-Werte der opaken Außenfassade für den Hochschulcampus Berlin-Charlottenburg unter Berücksichtigung des Gebäudealters und Denkmalschutzes

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Analyseergebnis Open eQuarter: Denkmalgeschützte Gebäude des Hochschulcampus Berlin-Charlottenburg

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Entwicklung eines Planungstools zur energetischen Quartierssanierung (Laufzeit 2013-2015)

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.

Young Cities

Quelle: Fachgebiet VPT, UdK Berlin

Developing energy-effecient urban fabric in the Tehran-Karaj Region (Laufzeit 2008 - 2013)

Im vom Bundesforschungsministerium 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.