Die Informations- und Kommunikationstechnik spielt in Gebäuden und Quartieren eine wichtige Rolle. Denn innovative Gebäudetechnik und eine elektrische, thermische sowie digitale Vernetzung von Gebäuden, Quartieren und Energiesystemen können diese energetisch maßgeblich optimieren. Das wird in vielen Projekten erforscht und erprobt.

Für Neubau, Sanierung und auch für die Gebäudebetriebsführung entwickeln Wissenschaftsteams Werkzeuge, welche bei der Gebäude- und Anlagensimulation unterstützen oder die energetische Bilanzierung einzelner Gebäude und Quartiere erleichtern. In der Forschung entsteht Software für Architektur und Fachplanung, aber auch für das Projektmanagement, die Qualitätssicherung und die Betriebsführung. Für alle Bereiche gibt es spezialisierte Software und Tools. Forschende arbeiten an der Integration von Konzepten des Building Information Modeling (BIM) und einer Durchgängigkeit der Datenhaltung von der Planung und Errichtung von Gebäuden bis zu Betrieb und Rückbau. Ziel ist ein digitaler Informationsfluss über alle Phasen eines Gebäudes oder einer Liegenschaft. Auf Quartiersebene spielen geografische Informationssysteme eine wichtige Rolle in den Planungswerkzeugen. Übergreifend sind spezialisierte Systeme für das Energiemanagement und die Qualitätssicherung sowie Modelle für die Energie- und CO₂-Bilanzierung in der Entwicklung.

Modellierung und Simulation

Um Planungsprozesse optimieren zu können, ist ein kontinuierlicher, digitaler Informationsfluss von der Planung über die Ausführung bis hin zum Betrieb und zur Nutzung von Gebäuden und Quartieren hilfreich. Die zunehmende Digitalisierung von Planungsprozessen und der technologische Trend weg von isolierten Teilmodellen zu Multi-Skalen-Lösungen und schließlich die Entwicklung internationaler Modellstandards unterstützen diesen Anspruch.

Als nächster logischer Schritt könnte der Schulterschluss zwischen Building Information Modelling (BIM) und Computer-Aided Facility Management (CAFM) folgen. Denkbar wäre es, mit einer solchen Datenintegration sowie mit digitalen Gebäudemodellen auch bestehende Konzepte wie den Bedarfsausweis abzulösen. Jahressimulationen ermitteln den Energiebedarf von Gebäuden und können Lastreihen für Heizung, Kühlung und Klimatisierung erstellen. Bestimmte Simulationswerkzeuge berechnen zudem Erträge und Deckungsbeiträge von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien.  Bei der Simulation in der Bauphysik und Gebäudetechnik geht es aktuell um Themen wie dynamische Bauteilsimulation, Raumsimulation, Gebäudesimulation und dynamische gekoppelte Simulation.

Nutzerakzeptanz und Geschäftsmodelle

Sind Gebäude einmal errichtet, dann sind sie für die Bewohner und die Nutzer da. Und wenn diese sich unbehaglich fühlen oder aus irgendeinem anderen Grunde unzufrieden sind, verhalten sie sich nach eigenem Ermessen und greifen in den Gebäudebetrieb ein. Auf diese Weise können auch sehr energieeffizient geplante Gebäude im tatsächlichen Betrieb deutlich mehr Energie verbrauchen als geplant. Daher sind die Zufriedenheit der Nutzer und deren Akzeptanz des Gebäudekonzeptes bereits in der Planung ebenso zu bedenken wie Unterschiede im Technikverständnis oder kulturelle und sprachliche Barrieren.

Nutzerbeteiligung, Motivation und Qualifikation sind somit wichtige Erfolgsfaktoren für energieeffiziente Gebäude und Quartiere. Nur so lassen sich die Akzeptanz der eingesetzten Technik und ihre Nutzung unter Berücksichtigung ökonomischer Randbedingungen erreichen. Ähnliches gilt für die an Planung, Bau und Betrieb Beteiligten: Iterativ und interdisziplinär angelegte Planungsprozesse sichern teamorientiertes Handeln im Rahmen eines integralen Planungsprozesses. So entsteht eine ganzheitliche Sicht auf Gebäude und Quartiere, beispielsweise mit Blick auf die Nachhaltigkeit über den gesamten Lebenszyklus.

Die Umstrukturierung des Energiesystems erfordert auch neue, marktkonforme Geschäftsmodelle. Bei der Konzeption dieser Modelle müssen die Forschenden die Ansprüche von Betreibern, Versorgern und Kund:innen mitdenken. Letztere treten vermehrt als „Prosumer“ auf. Das heißt, sie fungieren gleichzeitig als Energieerzeuger und Energiekonsumenten. Innovative Geschäftsmodelle zu entwickeln und zu erproben spielt in Forschungsvorhaben daher eine zunehmend wichtige Rolle.

Planung und Auslegung

Um Effizienzmaßnahmen wirksam umsetzen zu können, sind die beteiligten Akteur:innen auf die Daten und Ergebnisse verlässlicher Analyse- und Planungsinstrumente angewiesen. So haben Forschende zahlreiche Planungshilfsmittel entwickelt, etwa um kommunale Energiekonzepte vereinfacht darstellen zu können oder um mit Software-Tools innovative Technologien auszulegen und zu implementieren. Aktuell geht es um die Erstellung und Erprobung von Planungstools unter Integration von Building Information Modeling (BIM) oder die Quartiersplanung auf Basis geografischer Informationssysteme. Ihr Einsatz fördert und erfordert zugleich die Durchgängigkeit von Planung, Errichtung, Betrieb und Rückbau.

Monitoring, Bilanzierung und Betriebsoptimierung

Die Forschungsinitiative Energiewendebauen fördert die Evaluierung energieeffizienter Demonstrationsbau-vorhaben, sowohl in Einzelgebäuden als auch in Stadtquartieren. Ein wichtiger Teil dieser Projekte ist die wissenschaftliche Evaluierung des realisierten Energiekonzepts auf Basis von mindestens über zwei Jahre gemessenen Daten. Als Hilfestellung bietet die Forschungsinitiative einen Monitoring-Leitfaden, der auch bekannte Software-Tools zur Messdatenaufbereitung thematisiert. Die Performance von Gebäuden oder von Energiesystemen in Quartieren bleiben im Betrieb oft deutlich hinter den in der Planungsphase gesetzten Zielvorgaben zurück. Das ist leicht nachvollziehbar, denn je geringer der geplante Energieverbrauch ist, desto größer wird der Einfluss von Nutzern oder kleinen Störungen im Betriebsablauf. Daher ist bei Demonstrationsprojekten das Monitoring eine sehr wichtige Projektphase.

In dieser Phase können Gebäude und Quartiere unter realen Bedingungen vermessen sowie der Ist-Zustand mit dem Planungszustand abgeglichen werden. Das ist Voraussetzung, um Betriebsweisen optimieren zu können und Hürden im Betrieb zu erkennen. Wird in der Anlagensteuerung und -regelung nachjustiert, können beachtliche Energieeinsparungen erzielt werden. Zusätzlich können die Expertinnen und Experten aus dieser Phase Erkenntnisse für zukünftige Planungen ableiten und die Basis für Informationskampagnen legen. Sie können Annahmen zu Nutzerkomfort und Bedienbarkeit validieren und gegebenenfalls anpassen. Unterstützend für all diese Aufgaben entwickeln Forschende Werkzeuge für die Bilanzierung, neue Messtechnik, Energiemanagement- und Qualitätssicherungssysteme sowie Modelle für die Energie- und CO2-Bilanzierung. Sie tragen dadurch auch zu einer verbesserten Zusammenarbeit aller Akteurinnen und Akteure bei und fördern die Umsetzung einer integralen Planung.

Wirtschaftlichkeitsanalysen

Wie wirtschaftlich sind Energieeffizienz-Maßnahmen? Diese Frage ist von großer Bedeutung für die Akzeptanz von Energieeffizienz-Investitionen. Doch es ist gar nicht so leicht, hier eindeutige Antworten zu finden. In der Praxis gibt es noch viele unterschiedliche Berechnungsmethoden und zugrundeliegende Annahmen und Daten. Das Thema ist komplex, denn es geht um verschiedene Gebäude- oder Anlagentypen, unterschiedliche Ausgangssituationen und Nutzungsszenarien, um Baukosten versus Nutzungskosten sowie um eine umfassende Betrachtung aller anfallenden Kosten im Lebenszyklus eines Gebäudes oder eines Energiesystems.

Neben den Kosten interessieren aber auch die Erträge und der Nutzen von Gebäuden oder von energetischen Modernisierungsmaßnahmen, wiederum im Zeitverlauf. Ein Vergleich verschiedener Alternativen, allein auf Kostenbasis, setzt die funktionale Gleichwertigkeit voraus. Ist diese – beispielsweise wegen unterschiedlichem Komfort oder Nutzerakzeptanz – nicht gegeben, so ist zusätzlich zu den Kosten auch der Nutzen in die Berechnung einzubeziehen. In vielen Modellprojekten wird die Kosten-Nutzen-Relation von Energieeffizienzmaßnahmen analysiert. Dabei hat sich allerdings bislang noch keine einheitliche Bewertungsmethodik etablieren können.