Für eine Verbesserung der Energieeffizienz müssen hierfür bereits vorhandene Gebäude modernisiert werden, da diese in Deutschland und Europa selten durch Neubauten ersetzt werden. Dabei stehen wir vor einer Vielzahl an Herausforderungen. Welche Maßnahmen und Technologien sind für welches Gebäude oder Quartier am sinnvollsten? Wo ist der Einsatz von Wärmepumpen zielführend, wo der Anschluss an Fernwärme? Lässt sich der Energiebedarf effizienter durch die Modernisierung der Gebäudetechnik, durch Einzelmaßnahmen wie den Fenstertausch oder durch eine umfassende Sanierung inklusive Fassadendämmung senken?
Diese Fragen sind individuell für jede Region, Kommune, jedes Quartier und jedes Gebäude zu beantworten. Gleichzeitig fehlen die Fachkräfte, um entsprechende Analysen flächendeckend in der gebotenen Zeit umsetzen zu können.
Energetische Charakterisierung von Gebäuden
Hier setzt unsere Forschung an. Wir entwickeln Methoden, um Gebäude schnell mit der benötigten Genauigkeit energetisch zu charakterisieren. Dabei haben wir die Größenskala vom einzelnen Gebäude bis zur Kommune im Blick. Für einzelne Gebäude entwickeln wir Messverfahren, um zu bestimmen, wie groß die Wärmeverluste auf welchem Weg sind, ohne dabei den Betrieb im Gebäude stark zu beeinträchtigen.
Ein Schwerpunkt liegt auf dem Bereich der Luftdichtheit. Gängige Verfahren wie der Blower-Door-Test liefern zwar für kleine Gebäude schnell einen integralen Wert, der die Wärmeverluste durch Luftaustausch mit der Umgebung beschreibt. Einzelne undichte Stellen zu finden, um diese gezielt zu beheben ist allerdings ein sehr zeitaufwändiger Prozess.
In mehreren Projekten entwickelt das Institut für Solarforschung akustische und thermografische Verfahren, um diesen Prozess zu beschleunigen: Mithilfe von Mikrofon-Arrays, die die moderne Beam-Forming-Technologie nutzen, können wir ermitteln, wo Schall durch die Gebäudehülle dringt, was ein vielversprechender Indikator für eine luftdurchlässige Stelle ist. Analysiert man eine Reihe von Infrarotaufnahmen hinsichtlich der Frequenz und Amplitude von Temperaturänderungen und ändert gleichzeitig den Druck im Gebäude periodisch, lassen sich undichte Stellen von Wärmebrücken und Reflexionen der Umgebung unterscheiden. Diese Methoden entwickeln wir sowohl an eigenen Prüfständen im Labor wie auch an realen Gebäuden in Richtung Marktreife weiter.
Für Quartierskonzepte, Wärmenetzplanung und kommunale Wärmepläne werden weniger Details benötigt. Die Daten müssen aber für eine Vielzahl von Gebäuden gleichzeitig vorliegen. Für eine Planung der Nutzung erneuerbarer Energiequellen müssen Energieverbräuche außerdem in hoher zeitlicher Auflösung von stündlichen Werten vorhergesagt werden. Um dies zu erreichen, führen wir Daten aus verschiedenen offenen Quellen wie amtlichen Katastern oder auch OpenStreetMap und Erdbeobachtung zusammen. Diese werden mit statistischen Methoden ausgewertet.
So entwickeln die Forschenden Methoden auf Basis von künstlicher Intelligenz, um zum Beispiel fehlende Informationen zu ergänzen und die großen Datensätze für eine Nutzung durch Fachleute aufzubereiten. Daraus werden Modelle des Gebäudebestands erzeugt, die eine normgerechte Wärmebedarfs- und Wärmelastberechung sowie eine dynamische Simulation jedes einzelnen Gebäudes ermöglichen.
In der Forschung zur energetischen Gebäudebewertung arbeiten wir eng mit dem Institut für Vernetzte Energiesysteme zusammen. In gemeinsam betreuten Doktorarbeiten und Projekten bewerten wir neuartige Technologien wie Infrarotheizungen und Methoden zur automatisierten Optimierung von Energiesystemen. Diese stellen einen weiteren Schritt zur Beschleunigung der Auswahl und Auslegung von Maßnahmen dar und erhöhen die Objektivität der komplexen Entscheidungsprozesse.
Forschungszusammenarbeit mit Unternehmen im Fokus
Unsere Verfahren liefern somit die Datengrundlage, auf der Entscheidungen getroffen und Planungen durchgeführt werden können. In unseren Projekten arbeiten wir mit Unternehmen aus dem Bereich Messtechnik ebenso zusammen wie mit Planungsbüros, Wohnungsbaugesellschaften und Kommunen.
Unsere Entwicklungen werden auch durch eigene Unternehmensgründungen direkt in die Umsetzung gebracht: Im Jahr 2019 haben Mitarbeitende des Instituts die Firma Lumoview gegründet, die in kürzester Zeit Modelle von Bestandsgebäuden für eine Vielzahl von Planungsaufgaben erstellt. Anfang 2024 wurde das Unternehmen heatbrAIn gegründet, das öffentlich verfügbare Daten zum Gebäudebestand auswertet, ergänzt und daraus Gebäudedaten für die kommunale und quartiersbezogene Wärmeplanung erstellt.