Energieoptimierte Design-Regeln und Planungsschnittstellen für BIPV im urbanen Raum (Vitality)

Ausgangssituation/Motivation

Österreich hat sich zu den internationalen Klimazielen und zu einer aktiven Klimaschutz- und Energiepolitik bekannt. Zentrales Ziel der Klimapolitik der österreichischen Bundesregierung ist die Reduktion von Treibhausgasemissionen bis 2030 um 36 Prozent gegenüber 2005. In der #mission2030 Klima- und Energiestrategie (#mission2030) wird der Weg in eine klimaverträgliche Gesellschaft formuliert. Ein Ziel ist es, bis zum Jahr 2030 Strom in dem Ausmaß zu erzeugen, dass der nationale Gesamtstromverbrauch zu 100 Prozent (national bilanziell) aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt ist.

Im zukünftigen elektrischen Energiesystem wird die Photovoltaik eine wesentliche Rolle einnehmen und ein massiver Rollout der Photovoltaik steht an. Um einer weiteren Versiegelung von wertvollen Landflächen durch die Errichtung von Photovoltaik-Kraftwerken entgegenzutreten, ist die Nutzung der ausreichend verfügbaren Gebäudeflächen eine zielführende Option.

Eine solare Transformation der Architektur steht bevor. Sinkende Preise für Solarmodule und Solarstrom stellen die Bauwirtschaft vor große Herausforderungen. Für die Gebäudeplanung im urbanen Raum ist die Anwendung der integralen Planung für die erfolgreiche Umsetzung bauwerkintegrierter Photovoltaik (BIPV) notwendig. Mangelnde Werkzeuge und das Fehlen von erprobten und einfach anzuwendenden Designregeln wirken hemmend, vor allem für Nicht-PV-Spezialisten.

Zielsetzung

Das Projekt VITALITY zielte darauf ab, unterstützende Instrumente, Designregeln und belastbare Informationen in der frühen Entscheidungs- und Entwurfsphase von Bauvorhaben zu liefern, um bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV) einerseits in die Diskussion der Konzeptphase einzubringen und andererseits die Umsetzung stark vorzubereiten und zu unterstützen.

Methode

Das VITALITY Projektteam hat zwei unterschiedliche Ansätze gewählt, um methodisch in der frühen Entwurfsphase das BIPV-Potenzial für ein Bauvorhaben aufzuzeigen.

Erster Ansatz

Das VITALITY-Projektteam hat die Entwicklung einer Applikation gewählt, um auf sehr individuelle Gebäudegeometrien und Nutzungen reagieren zu können. Dazu wurden in der bestehenden Toollandschaft Rhinoceros und Grasshopper® simplifizierte Berechnungskomponenten implementiert. Das VITALITY-Tool visualisiert technische BIPV-Lösungen und zentrales Ergebnis ist die Modulplatzierung auf den verfügbaren Gebäudeoberflächen unter Vorgabe einer bestimmten Amortisationszeit.

Zweiter Ansatz

Für repräsentative Gebäudetypologien im urbanen Kontext wurden Geltungsbereiche für energetische und wirtschaftliche Kennzahlen ermittelt. Weiters wurde auf Basis der Berechnungsergebnisse von Parameterstudien mittels Simulation eine breite Datenbasis geschaffen, um Designregeln für bestimmte Anwendungsfälle zu extrahieren.

VITALITY Produkte sind

• Weiterentwickelte Simulationsumgebung zur 3D-Visualisierung der BIPV-Belegung nach energetischen und ökonomischen Gesichtspunkten
• Entwickelter Optimierungsalgorithmus zur wirtschaftlichen Platzierung der PV-Module an einer beliebigen Gebäudeoberfläche
• Entwickelter simplifizierter Ansatz zur Generierung von Strombedarfsprofilen für unterschiedliche energetische Gebäudekonzepte im Büro- und Wohnbau.
• Extrahierte vereinfachte Designregeln auf Datenbasis der Untersuchungsergebnisse zahlreicher Modellierungs- und Simulationsarbeiten.
• Definierte Geltungsbereiche (geringer, mittlerer und hoher Belegungsgrad) für ausgewählte Gebäudetyppologien, um für unterschiedliche BIPV-Auslegungsvarianten gültige Bereiche hinsichtlich Eigenverbrauchsverhältnis und den Autarkiegrad zu identifizieren.
• Untersuchte und dokumentierte Anwendungsfälle (USE CASES) zur Überprüfung der Funktionalität und Leistungsfähigkeit der entwickelten Methoden und Algorithmen.

Projektleitung

• Tim Selke, Marcus Rennhofer, Thomas Schlager
  AIT Austrian Institute of Technology GmbH

Projektpartner

• Sebastian Sautter, Martin Kaftan
  Technische Universität Graz / Institut für Gebäude und Energie
• Anita Preisler
  teamgmi Ingenieurbüro GmbH
• Gernot Becker, Oleg Stelzhammer
  ATB-Becker e.U.
• Marco Lovati
  Accademia Europea di Bolzano
• Jouri Kanters
  Lund University/ Faculty of Engineering / Department of Architecture and Built Environment

Marcus Rennhofer
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Giefinggasse 2, 1210 Wien
Tel.: +43 (0) 50 550-6390
E-Mail: marcus.rennhofer@ait.ac.at