Wie intelligente Stromnetze die Art und Weise, wie Architekten Gebäude entwerfen müssen, verändern werden

Um intermittierende erneuerbare Energien effizient in unsere Netze zu integrieren, müssen wir die Rolle der Gebäude in einer Stadt verändern. Anstatt nur Verbraucher zu sein, müssen sie zu einem Schwarm intelligenter Prosumenten werden, die das Netz stabilisieren können. Dies erfordert eine neue Art und Weise, wie Architekten Gebäude entwerfen sollten, was zu einer neuen Ära der Architektur führen wird: "Energieverantwortung". 

Derzeit sind die meisten Gebäude reine Verbraucher. Sie brauchen Energie für die Versorgung und die Raumklimatisierung und beziehen diese Energie einfach aus dem Netz. Sie nutzen das, was sie brauchen, wann immer sie es brauchen. Wenn wir jedoch mehr der stark schwankenden und intermittierenden Solar- und Windenergie effizient in unser Netz integrieren wollen, müssen wir die Rolle der Gebäude neu definieren. Dies wiederum erfordert eine neue Art und Weise, wie Architekten Gebäude entwerfen sollten.

Vom Gebäude als Individuum zum Gebäude als Teamplayer

In einer idealen Zukunft werden sich Gebäude von Verbrauchern zu Prosumenten entwickeln: Statt eines einseitigen Energieflusses in das Gebäude wird die Energie dynamisch in beide Richtungen aus dem und in das Netz fließen. Ermöglicht wird dies durch die Ausstattung von Gebäuden mit Fotovoltaikanlagen und Batterien zur Speicherung und Einspeisung von selbst erzeugtem sauberem Strom. Darüber hinaus wird die thermische Masse der Gebäude in Verbindung mit intelligenten Steuerungen als dynamischer und reaktionsfähiger Netzstabilisator genutzt, ohne den Komfort der Bewohner zu beeinträchtigen. . Auf diese Weise können Gebäude einen Großteil ihres Energiebedarfs selbst decken und sogar einen wesentlichen Beitrag zu einem stabilen, sauberen und effizienten Netz leisten.

Intelligente Stromnetze werden das architektonische Design verändern

Historisch gesehen spiegeln sich Innovationen und Veränderungen technischer (z. B. die Einführung von Materialien wie Stahl und Beton) oder gesellschaftlicher Art (z. B. die Medienfassaden am Piccadilly Circus, die den Konsumismus widerspiegeln) in der Regel auch in einem Wandel des zeitgenössischen Baustils wider (Abb. 1). Folglich ist zu erwarten, dass ein Wandel in der Energieinfrastruktur (intelligente Netze) zu einem neuen architektonischen Stil von energieeffizienten Gebäuden führen wird. Von Postmoderne, Dekonstruktivismus, Parametrisierungschließlich zu Energiepolitische Verantwortung als eine neue Ära der Architektur?

Während die meisten architektonischen Stile im Wesentlichen individualistische Solitäre zum Ausdruck brachten (das einzelne Gebäude stand im Mittelpunkt), waren die Prosumer-Bauten in der Ära der Energiepolitische Verantwortung müssen ihre Systemgrenzen erweitern, wobei Gebäude als Teil kollaborierender Netzwerke verstanden werden. Es liegt auf der Hand, dass dies eine grundlegend andere Herangehensweise an die Planung von Gebäuden erfordert, die mit einer Reihe neuer Fähigkeiten einhergeht, die die Architekten beherrschen müssen. Dazu gehören auch Werkzeuge für energierelevante Themen, die traditionell den Ingenieursdisziplinen zugeschrieben wurden, wie z. B. die Bewertung des Energiebedarfs von Gebäuden oder die Berechnung der PV-Stromerzeugung.

Abb. 1. Architektonische Beispiele, die ihren jeweiligen Zeitgeist zeigen.

Oben links: Kristallpalast von Joseph Paxton. (Bildquelle: www.wikipedia.com)

Oben rechts: Piccadilly Circus in London. (Bildquelle: www.wikipedia.com)

Unten: Die "Nest" Forschungsgebäude als Pionier der "Energiepolitische Verantwortung"? (Bildquelle: https://strom-online.ch/das-nest-der-empa/)

Intelligente Gebäude - intelligente Architekten?

Ein Architekt muss sich heutzutage mit einer Vielzahl von technischen Aspekten auseinandersetzen, die über das hinausgehen, was traditionell als architektonischer Entwurf verstanden wird: intelligente Zähler und intelligente Stromnetze, erneuerbare Energien wie gebäudeintegrierte Photovoltaik ("Aber das ruiniert die Ästhetik!"), Gebäudesteuerung (ein Computer entscheidet, wann der Sonnenschutz heruntergefahren werden soll), Nachfragesteuerung ("Der Geschirrspüler könnte irgendwann zwischen jetzt und den nächsten 12 Stunden anlaufen, danke für Ihre Geduld.), Wärmepumpen und -speicher ("diese hässlichen Dinger im Keller"), usw.

Verwandte Themen wie Sektorkopplung, Netzintegration und Nachfragesteuerung - wichtige Eckpfeiler der städtischen Energiewende - befinden sich noch in der Erforschungs- und Experimentierphase. Hochspezialisierte Fachleute aus den Bereichen Energie, Wirtschaft oder Informatik führen komplexe, laufende Forschungsarbeiten durch. Angesichts der zu erwartenden langen Lebensdauer von Gebäuden sollten Architekten diese neuen technischen und wissenschaftlichen Erkenntnisse jedoch bereits jetzt bei der Planung neuer oder der Sanierung bestehender Gebäude berücksichtigen; sie müssen mit den künftigen intelligenten Stromnetzen kompatibel sein, wenn sie zur Bewältigung der globalen ökologischen Herausforderungen beitragen sollen. Dies bedeutet, dass die Architekten ihre gelernten Gewohnheiten ändern und sich auf eine neue Art der Gebäudeplanung einstellen müssen.

In der Lage sein, energieeffiziente Gebäude ohne Doktortitel zu entwerfen

Bisher habe ich argumentiert, dass die Energiewende auch zu einem neuen Architekturstil führen wird, weil Gebäude eine grundlegend andere Rolle spielen werden. Formal kann dies durch verschiedene gestalterische Eingriffe zum Ausdruck kommen. Zum Beispiel durch energieaktive Fassaden und Gebäudekomponenten, durch eine andere Materialwahl aufgrund der Auswirkungen auf die thermische Latenz oder durch eine größere funktionale Vielfalt innerhalb von Stadtvierteln und Gebäuden, da dies bekanntermaßen die betriebliche Flexibilität eines Energiesystems erleichtert.

Diese Eingriffe sind technisch komplex, und derzeit verlangt die Architektenausbildung nicht, dass die Studenten gleichzeitig Physiker, Ingenieure und Informatiker sind - und das sollte sie auch nicht sein. Wenn wir wollen, dass Architekten energieeffiziente Gebäude entwerfen, die zu einer Zukunft mit nachhaltiger Energieinfrastruktur beitragen, brauchen sie ein völlig neues Instrumentarium, das es ihnen ermöglicht, technische Informationen zu extrahieren und in ihre Entwürfe einfließen zu lassen. Bei der Planung und Nachrüstung künftiger Gebäude sollte es eine Selbstverständlichkeit sein, dass der Energiebedarf von Entwurfsalternativen bewertet, das Stromerzeugungspotenzial gebäudeintegrierter PV-Anlagen berücksichtigt und die Lastverschiebungsfähigkeit eines Gebäudes gut verstanden wird.

Abb. 2. Das "Hive"-Werkzeug für eine energiebewusste architektonische Gestaltung im Unterricht.

Für Architekten werden daher Werkzeuge unverzichtbar, die es ihnen ermöglichen, die Leistung von Entwurfsalternativen intuitiv und effektiv zu bewerten. Ein Schritt in diese Richtung ist "Bienenstock"ein auf die Architektur ausgerichtetes Leistungsbewertungsinstrument, das an der Lehrstuhl für Architektur und Bausysteme an der ETH Zürich und finanziert durch ein ETH Innovedum Zuschuss. Bienenstock ist ein Open-Source-Plug-in für das CAD-Programm Rhinozeros 3D und seine visuelle Programmierplattform Grashüpfer. Es beinhaltet schnelle Berechnungsmodelle, die bereits in einem frühen Entwurfsstadium geeignet sind und somit eine Sensibilisierung der Architekturstudenten für energierelevante Themen ermöglichen (Abb. 2).

Sind Architekten angesichts der zunehmenden technologischen Komplexität intelligenter Gebäude immer noch die richtigen Leute, um sie zu entwerfen? Ja, das sind sie! Aber anstatt ihren Lehrplan mit noch mehr Ingenieurwesen, Physik und Informatik zu überfrachten, brauchen sie die richtigen Werkzeuge, die ihnen ein unmittelbares Leistungsfeedback geben. Solche Leistungsbewertungsinstrumente würden es ihnen ermöglichen, intuitiv Ursache-Wirkungs-Beziehungen zu verstehen, die für fundierte Entscheidungen notwendig sind. Darüber hinaus können solche Werkzeuge als Kommunikationsbrücke zwischen Fachgebieten dienen und so die interdisziplinäre Zusammenarbeit fördern. Auf diese Weise können sich die Architekten auf ihre Kreativität konzentrieren und weiterhin das tun, was sie am besten können: großartige, energieeffiziente Gebäude entwerfen.