Mit Software zum klimaneutralen Gebäude

Fahroni

Baukonstruktion, verwendete Materialien und Heizungsart entscheiden darüber, wie viele CO2-Emissionen ein Gebäude im Laufe seines Lebens verursachen wird. Die Software von CAALA kann das berechnen - und von Anfang an optimieren.

Autor*in Sarah-Indra Jungblut, 16.10.23

Übersetzung Christian Nathler:

Jedes Gebäude, das heute gebaut wird, überdauert viele Jahrzehnte. Es wird Bewohner*innen kommen und gehen sehen und Stürmen, Regen und Sonne ausgesetzt sein. Seine Räume werden jeden Tag beheizt, gekühlt oder belüftet werden. Architekt*innen und Eigentümer*innen haben in der Planungsphase einen großen Einfluss auf dessen Robustheit und Ökobilanz, denn die Baukonstruktion, die verwendeten Materialien und die Heizungsart entscheiden über den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen eines Gebäudes – und das über den gesamten Lebenszyklus.

Bisher werden Gebäude viel zu selten auf einen möglichst geringen CO2-Fußabdruck getrimmt, was dazu geführt hat, dass der Sektor heute für rund 40 Prozent aller Emissionen in Deutschland verantwortlich ist. Doch um die Klimaziele einzuhalten, wird sich der gesamte Sektor transformieren müssen – Gebäude für Gebäude.

Zudem hat das Thema eine große ökonomische Relevanz: In den letzten Jahren sind die Energiepreise stark gestiegen – und werden aller Voraussicht nach so schnell nicht wieder fallen. Das trifft umso mehr auf fossile Brennstoffe zu. Ein niedriger Energieverbrauch schützt daher auch die Menschen, die in den Häusern leben, vor hohen Kosten.

Warum also nicht schon heute Häuser bereit für die Zukunft machen und klimaneutral bauen?

Eine gute Planung ist die halbe Miete

Gute Beispiele für nachhaltiges Bauen gibt es mittlerweile viele, wie auch im Lerchenweg in Köln. Demnächst sollen hier mehrere neue Wohnhäuser gebaut werden. Wie sie am Ende aussehen sollen, darüber haben die Berechnungen der CO2-Emissionen verschiedener Bauvarianten über deren gesamten Lebenszyklus entschieden. Einbezogen wurden dabei nicht nur die Baumaterialien, sondern auch die Bauweise, das Volumen des Bauwerks und die Versorgung mit Energie und Wärme. Daraus entstanden sind über 300 mögliche Bauvarianten mit sehr unterschiedlichen CO2-Emissionen, aus denen am Ende dann eine umgesetzt wird.

Die Berechnungen haben zum Beispiel gezeigt, dass ein Holzmassiv-Gebäude mit einem Kellergeschoss und einer Wärmepumpe ein Gebäude aus Stahlbeton mit Tiefgarage und Beheizung mit Gasbrennwert haushoch schlägt – mit CO2-Einsparungen von rund 42 Prozent.

Die Berechnungen hat die Software von CAALA übernommen – genauso wie in zahlreichen weiteren Projekten, in denen möglichst nachhaltig gebaut werden soll.

Das richtige Zusammenspiel aus Dämmung, Verglasung, Ausrichtung, Heizung- und Lüftungssystem ist entscheidend

Dass der Energieverbrauch und der ökologische Fußabdruck von Gebäuden heute noch viel zu wenig berücksichtigt werden, liegt einerseits daran, dass klare Regulierungen zur Ökobilanz fehlen und – damit einhergehend – einem mangelnden Verständnis für die Relevanz dieser Aspekte. Außerdem haben Planer*innen und Architekt*innen oft nicht das nötige Wissen und die Erfahrungen. Und selbst wenn bekannt ist, dass Geometrie, Materialität, Positionierung und Gebäudetechnik den Energieverbrauch eines Gebäudes beeinflussen, fehlen vielen die Werkzeuge, um die Varianten und ihr Zusammenwirken durchzuspielen.

Aus diesem Grund hat das an der TU München angesiedelte Projekt „Einfach Bauen“ auf Simulationen gesetzt, um Häuser mit minimalem Energie- und Ressourcenverbrauch zu bauen. Berechnet wurden dabei die Umweltauswirkungen und Kosten der verschiedenen Konstruktionen und Raum- und Technikkonzepte über den gesamten Lebenszyklus – und auch die Himmelsrichtung und Wetterdaten sind eingeflossen. Daraus sind Häuser entstanden, die durch eine intelligente Baukonstruktion nicht nur extrem effizient, sondern zudem vielfältig nutzbar und damit wandlungsfähig sind.

Auch die Software des Unternehmens CAALA soll schon in der frühen Entwurfsphase dabei unterstützen, energetische und ökologische Dimensionen zu optimieren. Dazu werden die CO2-Emissionen aus dem Betrieb und der Konstruktion für jede Planungsvariante visualisiert und so eine möglichst umfassende Informationsgrundlage für Entscheidungen geschaffen.

CAALA

Die Grundlage der Browser-basierten Analyse sind geometrische Daten, von der einfachen Flächeneingabe bis hin zu detaillierten BIM-Modellen. Weitere Parameter, die in das Modell einfließen, weil sie die ökologische, energetische und wirtschaftliche Lebenszyklusperformanz beeinflussen, sind u. a. die Materialität und Anlagentechnik, CO2-Intensitäten und Preissteigerungsraten. Und auch die graue Energie berechnet das Modell.

Was ist die Graue Energie von Gebäuden?

Als Graue Energie wird die Menge an Primärenergie bezeichnet, die für die Errichtung eines Gebäudes benötigt wird. Dazu wird die Energie, die für das Gewinnen der Materialien, für die Herstellung und Verarbeitung von Bauteilen, für den Transport von Menschen, Maschinen, Bauteilen und Materialien zur Baustelle, für den Einbau von Bauteilen im Gebäude sowie für die Entsorgung aufgewendet werden muss, addiert.

Dadurch, dass alle relevanten Parameter miteinander verknüpft sind, macht die Software sichtbar, wie sich Veränderungen bei einzelnen Parametern auf den gesamten Lebenszyklus auswirken.

Aktuell wird CAALA nicht nur in nachhaltigen Bauvorhaben eingesetzt; auch die Bauhaus Universität Weimar, die ETH Zürich und RWTH Aachen nutzen die Software in Ausbildung und Forschungsprojekten. Doch nicht nur im Neubau kann eine digital gestützte Planung die Energieeffizienz steigern und die Emissionen senken, sondern auch bei Sanierungsmaßnahmen. Und der Bedarf ist hier hoch.

Gebäude sind ein CO2-Schwergewicht: Das Bauen, Wärmen, Kühlen und Entsorgen unserer Häuser hat einen Anteil von rund 40 Prozent an den CO2-Emissionen Deutschlands. Unsere Klimaziele erreichen wir nur, wenn diese Emissionen massiv gesenkt werden.

Wie aber gelingt die nachhaltige Transformation der Gebäude und welche Rolle spielen digitale Lösungen dabei? Das RESET-Greenbook gibt Antworten: Gebäudewende – Häuser und Quartiere intelligent transformieren

Sanierung am 3-D-Modell planen

Aktuell sind vor allem bereits bestehende Gebäude für einen Großteil der CO2-Emissionen des Sektors verantwortlich. Daher müssen wir „den Gebäudebestand in den Fokus nehmen und die Emission des Betriebs der Gebäude senken“, wie auch Sibyl Steuwer vom Buildungs Performance Institute Europe (BPIE) den Handlungsbedarf betont. Allerdings fehlen oft Sanierungsfahrpläne, die sich am Lebenszyklus eines Gebäudes orientieren und konkret aufzeigen, wie sich die Dekarbonisierungsmaßnahmen kosteneffizient und mieterverträglich realisieren lassen, bemängelt Steuwer.

Eine virtuelle Lösung dafür bietet ebenfalls die Software von CAALA. Mit ihr ist es möglich, in einem teilautomatisierten Vorgehen die energetischen, ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen der verschiedenen Sanierungsmaßnahmen unter Berücksichtigung des Lebenszyklus zu berechnen. Mittels OpenStreetMap-Daten wird ein 3-D-Modell des Bestandsgebäudes erstellt, das durch die Eingabe weiterer Daten – Informationen zur Gebäudehülle, zu den technische Anlagen und dem Warmwasserbedarf – weiter spezifiziert werden kann. Anhand des Modells können dann Sanierungsmaßnahmen wie Wärmedämmung, der Austausch von Fenstern und Heizung oder PV-Anlagen abgebildet und deren Auswirkungen und Zusammenspiel sichtbar gemacht werden. Für ein umfassendes Bild lassen sich dabei sowohl die verbauten Emissionen als auch die Emissionen der Sanierungsmaßnahmen ermitteln und gegenüber der Reduktion der Emissionen aus dem Betrieb einordnen. Damit kann die Lösung von CAALA dazu beitragen, Unsicherheiten bei Eigentümer*innen auszuräumen und so im besten Fall Sanierungsmaßnahmen beschleunigen.

Einen ähnlichen Weg geht auch das Projekt BIM4REN, bei dem einfach zu verwendende Werkzeuge und Dienste für einen anpassungsfähigen und schnellen Sanierungsprozess entwickelt werden. Deren Einsatzbereich soll vor allem serielles Sanieren sein, um so die Sanierungsquote zu beschleunigen und schnell die Emissionen des Gebäudesektors zu senken. Entscheidend ist dabei die Standardisierung von Abläufen. Denn selbst wenn jedes Gebäude individuell ist, sind die Prozesse bei der Sanierung trotzdem die gleichen. „Dabei ist ein durchgehender digitaler Prozess enorm hilfreich, also dass die Planung komplett digital erfolgt“, betont auch Sibyl Steuwer.

Serielles Sanieren

Serielles Sanieren bedeutet, dass Fassaden- und Dachelemente oder Anlagentechnik – wie zum Beispiel Wärmepumpenmodule – abseits der Baustelle vorgefertigt werden, um sie dann vor Ort nur noch zu montieren. Durch den hohen Vorfertigungsgrad kann damit der Zeitaufwand im Vergleich zur herkömmlichen Sanierung deutlich reduziert werden.

Neben CAALA gibt es weitere Anbieter*innen von Planungssoftware, aber im deutschen Markt sind sie noch nicht wirklich angekommen. Die meisten der Anwendungen werden nur im Rahmen einzelner Pilotprojekte eingesetzt. „Es gibt Umfragen, die zeigen, dass mehr Unternehmen solche Planungstools einsetzen, aber im Vergleich zu anderen europäischen Ländern liegt Deutschland weit hinten“, berichtet auch Steuwer.

Doch die Anforderungen an Nachhaltigkeit im Immobilien- und Bausektor steigen, sagt Dr. Samuel Ebert, COO bei CAALA. Und damit würde auch die Nachfrage nach der Planungssoftware steigen. „Immer mehr Beteiligten wird klar, dass belastbare Ökobilanzdaten künftig zu Gebäuden gehören werden wie heute der Energieausweis. Sowohl im Bereich Neubau als auch im Bestand wächst das Bewusstsein, dass Energieeffizienz nicht alles ist. Wir müssen Begriffe wie ‚graue Emissionen‘ und ‚Lebenszyklusanalyse‘ heute weit weniger erklären als noch vor ein paar Jahren. Auch Förderungen wie das KfW-Programm ‚Klimafreundlicher Neubau‘, das erstmals über die bekannten Effizienzhaus-Standards hinaus Treibhausgasemissionen im Gebäudelebenszyklus berücksichtigt, spielen uns in die Karten – und werden in der aktuell herausfordernden Marktlage immer interessanter.“

Aktuell ist die Rolle der Lebenszyklusanalyse und anderer wichtiger Maßnahmen für eine nachhaltige Baubranche noch nicht in der deutschen Gesetzgebung verankert. Aber auf EU-Ebene tut sich einiges: Die Neufassung der EU-Gebäuderichtlinie (EPBD), in der die Verpflichtung zur Lebenszyklusanalyse verankert werden könnte, wird gerade verhandelt. Und auch die Corporate Sustainability Reporting Directive (CSRD) wird Unternehmen künftig zwingen, sich fundiert mit den Umweltauswirkungen ihrer Tätigkeiten und Produkte auseinanderzusetzen, sie offen zu legen und Verbesserungen anzustreben. All das wird den Druck auf die Baubranche weiter erhöhen – und damit aller Voraussicht nach auch den Einsatz digitaler Lösungen vorantreiben.

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Dieser Artikel gehört zum Dossier „Gebäudewende – Häuser und Quartiere intelligent transformieren“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.

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