Forschungsprojekt

Energieeffizienz vom Bedarf her digital planen, installieren und betreiben

Beim Bau des Weiterbildungszentrums Viega World wurden über das verbundene Forschungsprojekt Energie.Digital grundlegende Strukturen und Prozesse zur Bedarfsermittlung und Planung, zur Realisierung und zum Betrieb eines Gebäudes unter dem Gesichtspunkt höchstmöglicher Energieeffizienz entwickelt. Vieles davon lässt sich bereits heute in der täglichen Praxis eines TGA-Planungsbüros nutzen.

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Der Neubau des Weiterbildungszentrums Viega World ist konsequent integral mit BIM geplant. Dazu gehört auch, dass jetzt in der Betriebsphase alle entscheidenden Parameter beispielsweise zur Energieeffizienz aktuell abgebildet und nachvollzogen werden können. Bild: Viega
Der Neubau des Weiterbildungszentrums Viega World ist konsequent integral mit BIM geplant. Dazu gehört auch, dass jetzt in der Betriebsphase alle entscheidenden Parameter beispielsweise zur Energieeffizienz aktuell abgebildet und nachvollzogen werden können. Bild: Viega

Mit dem Neubau des interaktiven Weiterbildungszentrums Viega World in Attendorn-Ennest realisierte Viega ein Leuchtturmprojekt des digitalen und nachhaltigen Bauens. Für die ökologische, ökonomische und soziokulturelle Qualität wurde das Gebäude zudem von der Deutschen Gesellschaft für nachhaltiges Bauen (DGNB) mit „Platin“ zertifiziert. Die Punktzahl von 89,1 % ist der höchste Wert, mit dem bislang ein Bildungsbau bewertet wurde. Möglich wurde dieses Ergebnis u. a. durch den über alle Leistungsphasen hinweg digitalisierten Planungsansatz der Arbeitsgemeinschaft, die den Neubau realisierte.

Planung und Bau der Viega World wurden im Rahmen des Forschungsprojektes Energie.Digital wissenschaftlich durch das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und den Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen E3D der RWTH Aachen University begleitet. Gefördert wurde das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).

Ergebnisse des Forschungsprojekts

Energie.Digital zeigte am Beispiel der Viega World, wie Gebäude über den gesamten Lebenszyklus hinweg deutlich energieeffizienter und damit nachhaltiger als bisher entwickelt werden können. So kommt die Energie für die Viega World von einer 2.100-kWp-PV-Anlage, Wärmepumpen und dem Wärmeverbund mit einer benachbarten Viega Produktionsanlage. Ziel ist es, mehr Energie zu gewinnen als rechnerisch für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwassererwärmung und Beleuchtung benötigt wird. Das ist nur möglich, weil auf der Verbrauchsseite insbesondere die Bedarfe für Raumwärme und Warmwasserbereitung einem dezidierten Monitoring unterliegen. So können Defizite und Optimierungspotenziale frühzeitig und systematisch erkannt und Anpassungen vorgenommen werden.

Zentral war dafür die Integrale Planung mit BIM, an deren Anfang eine sehr weitgehende Bedarfsbeschreibung durch Viega als Investor, Bauherr und Betreiber des Weiterbildungszentrums stand. Aus dieser so genannten Planungsphase 0 leitete sich ein ganzheitliches Lastenheft ab. Damit wurde bereits in der Konzeptphase die Technische Gebäudeausrüstung mit den dahinterstehenden Nutzungsprozessen, Trassen- und Energiekonzepten als wichtigster Strukturgeber für den gesamten Neubau identifiziert. Zudem verdeutlichte diese Planung grundlegende Abhängigkeiten zwischen Versorgungsbereichen, Technikzentralen und Schächten im Gebäude.

Vom Ende her denken und so den Einstieg in digitales Planen, Realisieren und Betreiben vollziehen: Bereits in der Heizzentrale werden zahlreiche Energieeffizienzdaten erfasst und genutzt. Bild: Viega

Ein typisches Beispiel ist der Anwendungsfall Trinkwasser, für den bereits während der Zielfindungsphase die zu erwartenden Nutzungsprozesse beschrieben und als erste Raumbuchinformationen festgehalten wurden. Diese Bedarfsbeschreibung strahlte in der Folge über die Integrale Planung mit BIM direkt auf die Prozesse der Leistungsphasen 1 bis 4 (Planung) ab und setzte sich unmittelbar fort in die Phasen 5 bis 9 (Bau- und Betrieb). Die Übernahme der BIM-Informationen erfolgte damit bei der Ausführung der Trinkwasserinstallation oder der Vorwandkonstruktionen, der Parametrierung/Inbetriebnahme oder des Monitorings, der Wartung und der Instandhaltung.

TGA-Planungspraxis

Dieses Beispiel ist für die tägliche Arbeit der TGA-Fachplanung interessant, da es die Möglichkeit eröffnet, digitales Planen und Bauen auch ohne ein so umfassendes Projekt wie den Neubau der Viega World in die Praxis zu bringen:

  • Die entscheidenden Weichen für eine digitale Planung werden bereits in der Phase der Bedarfsplanung gestellt. So sind etwa die Fragen zu beantworten, welche Anforderungen eine Trinkwasserinstallation oder auch die Anlagentechnik zur Wärmebereitstellung- und -verteilung im Rahmen der vorgesehenen Nutzung erfüllen muss. Was ist nötig, um diese Prozesse später zu überwachen und auszuwerten? Ausgangspunkt ist also das Zielbild.
  • Es geht bei der digitalen Planung nicht (immer) um nur das eine BIM-Modell. Stattdessen fügen sich einzelne Fachmodelle oder Anwendungsfälle zu einem umfassenden Koordinationsmodell zusammen. Ein übergeordnetes Raum- bzw. Segment-Modell kann z.B. grundliegende Informationen für die weitere Planung enthalten, aber auch als strukturelle Vorgabe genutzt werden. Ein Fachmodell wiederum – hier exemplarisch Sanitär – beinhaltet beispielsweise Objekte und Informationen der Sanitärplanung. Der Informationsgehalt dieses Fachmodells kann dann für Anwendungsfälle innerhalb des Gewerks definiert und genutzt werden. Die Nutzung der übergeordneten Informationen hängt dabei vom Grad der Kollaboration ab.
Die entscheidenden Weichen für eine digitale Planung werden bereits in der Bedarfsplanung für die einzelnen Räume und Nutzungseinheiten gestellt. Bild: Viega

Herausfordernd war an dieser Stelle die Aufgabe, die hinter diesen Informationen stehenden Objekte von Anfang an eindeutig über ein Kennzeichnungssystem zu identifizieren. Nur so konnten sie in der Folge exakt den Anwendungsbereichen und Modellen zugeordnet und die Daten aus den verschiedenen Quellen heraus z. B. für das Monitoring oder Prozesse der Instandhaltung zusammengeführt werden. Die Zusammenführung, Koordination und Auswertung der Informationen erfolgten schließlich in einer entsprechenden Datenbank.

Die Daten für die digitale Planung, die im Forschungsprojekt Energie.Digital dargestellt wurden, stehen über Sensoren zur Temperatur- oder Volumenstrommessung hinreichend zur Verfügung. Vor Ort ist dies etwa das AquaVip-Zirkulationsregulierventil elektronisch („AquaVip Zirk-e“) zum automatischen hydraulischen Abgleich einer Trinkwasserzirkulation.

Digitalisiertes Planen und Betreiben geschieht nicht an einem Modell, sondern ganz konkret, wie hier beim Trinkwasserkonzept. Die Herausforderung ist, die gesammelten Daten der einzelnen Modelle intelligent zu vernetzen und auszuwerten. Bild: Viega

Das digitale Bauen und Betreiben eines energieeffizienten Objektes kann so schrittweise in die Praxis gebracht werden. Wesentliche Aufgabe während des Gebäudebetriebs ist es, Systeme und Zusammenhänge intelligent zu vernetzen und zu betrachten. Sind alle Systeme zusammengeführt, ist die Basis für eine entsprechende Auswertung der Daten – beispielsweise zur Optimierung des Energiebedarfs – gelegt.

Fazit

Mit digital vernetzten Prozessen lassen sich Gebäude deutlich energieeffizienter betreiben. Sie können die Energiewende auch im Bestand signifikant vorantreiben, zum Beispiel durch den dann möglichen bedarfsorientierten Einsatz von Wärmepumpen. Die Integrale Planung mit BIM ist ein probater Ansatz, um ausgehend von einer möglichst genauen Bedarfsbeschreibung innerhalb des BIM-Prozesses in sich geschlossene Anwendungsfälle zu definieren und mit modularisierten Produkten zu hinterlegen. Vernetzt unterstützen sie beim Anlagenbetrieb entscheidende Nachhaltigkeitsaspekte wie Ressourcenschonung, Wirtschaftlichkeit und Gesundheit. Das wird besonders am Beispiel einer digital vernetzten und optimiert betriebenen Trinkwasserinstallation deutlich.

Nicolas Pauen

Nicolas Pauen

Maximilian Zbocna

Maximilian Zbocna

Dipl.-Ing. Nicolas Réhault

Dipl.-Ing. Nicolas Réhault
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· Artikel im Heft ·

Energieeffizienz vom Bedarf her digital planen, installieren und betreiben
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