Schätzungen zufolge sind Gebäude für 36% des weltweiten Endenergieverbrauchs und 40% der energiebezogenen Treibhausgasemissionen in Europa verantwortlich. Gebäude sind außerdem komplexe Maschinen mit langen Lebenszyklen, die regelmäßig gewartet und aktualisiert werden müssen. Daher bieten Gebäude und insbesondere Gebäudesanierungen vielfältige und interessante Möglichkeiten, den Klimawandel zu geringen Kosten und mit (kostenlosem) Zusatznutzen zu bekämpfen.
Gebäude verbrauchen 30 bis 40% des weltweiten Endenergieverbrauchs und sind damit eine Hauptquelle von CO2 Emissionen. Die Internationale Energieagentur hat die Energieeffizienz in Gebäuden als eine der fünf Maßnahmen zur langfristigen Dekarbonisierung des Energiesektors identifiziert. Dies kann jedoch nur durch eine umfassende Nachrüstung bestehender Gebäude erreicht werden, die derzeitige Renovierungsrate von Gebäuden ist mit etwa 1% sehr niedrig aufgrund zahlreicher technischer, analytischer, verhaltensbezogener und wirtschaftlicher Faktoren. Einige dieser Faktoren führen zu einer Leistungslücke, bei der der berechnete Energiebedarf eines Gebäudes erheblich vom gemessenen Energiebedarf abweicht. Wir schlagen vor, diese Lücke zu schließen, indem wir Messdaten von einzelnen Gebäuden nutzen, um die Effektivität von Gebäudesanierungen zu verbessern. Wir glauben, dass sensorgesteuerte Gebäudesanierungen die Sanierungsrate beschleunigen und zu einer Zukunft mit grünen und nachhaltigen Gebäuden beitragen werden.
Warum sind Gebäuderenovierungen wichtig?
Der ökologische Fußabdruck von Gebäuden ist enorm. Ihre Nutzung ist vielfältig und reicht von einfachen Scheunen für die Lagerung bis hin zu gemischt genutzten Hochhäusern. Im Gegensatz zu den meisten Gebrauchsgegenständen haben Gebäude in Europa eine lange Lebensdauer von 60-100 Jahren. In der Schweiz sind die meisten Gebäude vor 1990 gebaut worden. Folglich sind die meisten der im Jahr 2050 bestehenden Gebäude bereits heute gebaut. Es gibt jedoch viele Gebäudeelemente und -systeme, deren Lebensdauer kürzer ist als die des gesamten Gebäudes. Daher ist der Austausch von Gebäudeelementen bei Sanierungen üblich.
Oft gibt es viele Beteiligte mit unterschiedlichen Anliegen, z. B. Planer, Bauherren, Eigentümer, Mieter, Bewohner, Hausmeister, Finanzinstitute und Behörden. Insbesondere der Bau und die Instandhaltung eines Gebäudes sind von Natur aus multidisziplinär, was Experten aus verschiedenen Disziplinen wie Architektur und verschiedenen Ingenieursdisziplinen erfordert, z. B. Heizung, Lüftung, Sanitär, Elektrizität, Kommunikation, Brandschutz und Statik. Die Multidisziplinarität spiegelt sich auch in den Versorgungsketten für Gebäude wider, z. B. Kommunikation, Wasser, Strom, Dampf, Öl, Gas, Fernwärme und Holz.
Warum geht die Renovierung von Gebäuden so langsam voran?
Die aktuelle Gebäudesanierungsrate in der Schweiz liegt bei 1% und muss steigen, um die Ziele der Energiestrategie 2050 des Bundes zu erreichen. Um die Ziele der Energiestrategie 2050 zu erreichen, ist eine Gebäudesanierungsrate von mindestens 2,2% erforderlich. Zu den Gründen für die niedrige Sanierungsrate von Gebäuden gehören finanzielle Zwänge, mangelndes Wissen, überwältigende Komplexität und die Angst vor unerwünschten Folgen wie Feuchtigkeitsschäden oder Schimmelbildung. Gebäudesanierungen bieten jedoch neben der verbesserten thermischen Leistung auch weitere Vorteile. Zu diesen Zusatznutzen gehören Werterhaltung, erhöhter thermischer Komfort, verbesserte Gesundheit, bessere Innenraumluftqualität, Schutz vor Außenlärm und geringere Betriebs- und Wartungskosten. Die Suche nach dem optimalen Satz von Sanierungsmaßnahmen ist aufgrund der oben genannten Komplexität und der Tatsache, dass die Energieeinsparungen eines Satzes von Sanierungsmaßnahmen nicht gleich den Energieeinsparungen von einzeln durchgeführten Sanierungsmaßnahmen sind, nicht trivial. Zu wissen, welche Maßnahmen für jedes spezifische Gebäude Priorität haben, kann dazu beitragen, kosteneffizientere Gebäudesanierungen zu ermöglichen, was die Sanierungsrate und letztlich die Geschwindigkeit der Treibhausgasemissionsreduktion erhöhen kann.
In unserer Arbeit wollen wir den Sanierungsprozess verbessern und möglicherweise die Kosten senken, indem wir die Leistungslücke mit sensorbasierten Eingabedaten und Grey-Box-Modellierung schließen.
Das Leistungsgefälle und ineffiziente Renovierungen
Ein Grund für ineffektive Gebäudesanierungen ist die Leistungslücke, d. h. die gemessenen Energieeinsparungen sind geringer als erwartet. Dieses Phänomen kann in zwei Effekte unterteilt werden: den Prebound-Effekt und den Rebound-Effekt (siehe Abbildung).
Derzeit schätzen Gebäudegutachter die aktuellen Gebäudeeigenschaften auf der Grundlage von visuellen Inspektionen und persönlichen Erfahrungen, wodurch erhebliche Unsicherheiten über den Zustand des Gebäudes vor der Renovierung in die Bewertung einfließen. So müssen beispielsweise die thermischen Eigenschaften der Wände aufgrund fehlender Unterlagen geschätzt werden. Um diesen Unsicherheiten Rechnung zu tragen, müssen Sicherheitsmargen (z. B. Überdimensionierung der Wärmepumpe, zusätzliche Dämmung) berücksichtigt werden, wenn Sanierungsmaßnahmen vorgeschlagen werden, was die Kosten von Gebäudesanierungen erhöht, die Leistung von Gebäudesanierungen verringert und Kombinationen von Sanierungsmaßnahmen als nicht durchführbar erscheinen lässt. Daher verringern Sicherheitsmargen die Wahrscheinlichkeit, dass ideale Sanierungsmaßnahmen durchgeführt werden, z. B. wird die neue Heizungsanlage größer dimensioniert als tatsächlich benötigt. Diese Probleme führen im Allgemeinen zu einer Überschätzung des aktuellen Energiebedarfs eines Gebäudes, was als Prebound-Effekt bezeichnet wird. Während der Durchführung einer Sanierung führen die Qualität der Verarbeitung und der Baumaterialien zu zusätzlichen Schwankungen in der Energieeffizienz des sanierten Gebäudes. Schließlich kann sich nach der Sanierung das Verhalten der Bewohner ändern und den Energiebedarf beeinflussen. Diese Unwägbarkeiten werden als Rebound-Effekt bezeichnet. Im schlimmsten Fall werden die Energieeinsparungen durch eine Sanierung zweimal geschmälert, einmal vor der Sanierung aufgrund einer Überschätzung des aktuellen Energiebedarfs und einmal nach der Sanierung aufgrund einer Unterschätzung des Energiebedarfs nach der Sanierung. Zusammengenommen belaufen sich diese Effekte auf einen Leistungsunterschied von 30% im Durchschnitt. Dies deutet darauf hin, dass die angewandten Sanierungsmaßnahmen deutlich unterdurchschnittlich sind. Folglich sind die Investitionen in diese Sanierungsmaßnahmen nicht effektiv.
Gebäudebewertung der Zukunft
Der Mangel an Objektivität bei der energetischen Bewertung von Gebäuden (Prebound-Effekt) kann durch die Messung der thermischen Gebäudeeigenschaften mit Sensoren im Inneren der Gebäude behoben werden. Auch die Qualitätskontrolle nach der Durchführung von Sanierungsmaßnahmen kann mit Sensoren durchgeführt werden (Rebound-Effekt). Dies ist aufgrund der rasanten Entwicklung in der Elektronik- und Batterietechnologie möglich geworden. Während erste Forschungsarbeiten in Prüfkammern und Testgebäuden durchgeführt werden können, müssen die neuen Ansätze letztendlich in realen, bewohnten Gebäuden eingesetzt werden. Unter unsere Forschunghaben wir die praktischen Herausforderungen mit einem vielseitigen drahtloses Sensornetzwerk (siehe Kopfbild). Mit anderen Worten: Wir versuchen, die blaue und die orangefarbene Spalte in der Abbildung oben gleich groß zu machen. Beim Einsatz der Sensoren in realen Gebäuden haben wir einige praktische Herausforderungen entdeckt. So ist beispielsweise die Messung des Wärmebedarfs eines Gebäudes in großem Maßstab und zu vertretbaren Kosten eine erstaunliche Herausforderung. Dies liegt an den vielen verfügbaren Energieträgern, z. B. Öl, Gas, Strom, Holz, Fernwärme usw., und an den unterschiedlichen Energiesystemen, bei denen der Energieträger für die Heizung auch für andere Zwecke wie die Warmwasserbereitung verwendet werden kann. Darüber hinaus muss die Forschung den Schwerpunkt von der Gebäudeenergiebewertung auf die Gebäudesanierung auf der Grundlage verbesserter Gebäudebewertungsmethoden ausweiten.
Da die bebaute Umwelt einer der größten, wenn nicht sogar der größte Energieverbraucher und Treibhausgasemittent ist, erfordert die Bewältigung dieser Probleme Lösungen aus vielen Bereichen. Die Experten aus diesen Bereichen müssen zusammenarbeiten, um alle Lösungen zur Verringerung des Energiebedarfs und der Emissionen zu kombinieren und gleichzeitig einen Zusatznutzen zu schaffen.
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