Technologien für das „Jahrhundert der Städte“ vorgestellt vom Fraunhofer IBP

(14.4.2013; Hannover Messe-Bericht) Das 21. Jahrhundert ist das „Jahrhundert der Städte“. 2005 lebten 50% der Weltbevölkerung in Städten. Bis 2030 wird der Grad der Urbanisierung auf 60% steigen, was einer Stadtbevölkerung von fünf Mrd. entspricht. In den kommenden Jahren muss die Welt also rund 1,8 Mrd. neue Stadtbewohner auf­nehmen und versorgen: Neben den notwendigen energetischen Sanierungen, müssen zukunftsfähige Lösungen für eine nachhaltige Mobilität gefunden sowie der Ausbau in­telligenter Energienetze und das synergetische Zusammenspiel von Architektur, Bau­technik, technischer Gebäudeausrüstung und Stadtplanung konsequent vorangetrie­ben werden. Das Fraunhofer IBP zeigte auf der Hannover Messe 2013 auf dem Ge­meinschaftsstand Energie und im Rahmen der Sonderschau „Morgenstadt“ Produkt- und Systemlösungen als technologische Antwort für die Baubranche.

Megacities erzeugen auch Megaprobleme: Unersättlich verbrauchen sie Energie, Roh­stoffe und Fläche, zudem produzieren sie Schadstoffe, Abwasserströme und Müllber­ge. Bis 2050 wird erwartet, dass zum Beispiel der Primärenergiebedarf um die Hälfte ansteigt, ebenso die CO₂-Emmissionen. Diese Prognosen und Entwicklungen bedürfen schneller und effektiver Lösungen für die Planung, Realisierung und Umsetzung nach­haltiger Siedlungsstrukturen der Zukunft. Verschiedene Institute der Fraunhofer-Ge­sellschaft haben es sich daher zur Aufgabe gemacht, durch intensive Forschung auf diesen ökologischen, ökonomischen und soziokulturellen Wandel zu reagieren.

Auch das Fraunhofer IBP arbeitet als Kerninstitut für den Forschungsbereich Bauphysik federführend an der Entwicklung neuer Technologien und Konzepte für die urbane Zu­kunft. „In der angewandten Auftragsforschung verlieren wir uns dabei nicht in Visio­nen, sondern forschen und entwickeln an der Realisierung zukunftsfähiger Städte. Da­zu müssen Herausforderungen wie der Klimawandel ebenso im Fokus der Produkt- und Systementwicklung stehen wie Fragen der Ressourcenschonung oder der Energieeffi­zienz. Im Mittelpunkt steht dabei immer der Mensch“, erklärte Prof. Dr. Klaus Sedlbau­er, Leiter des Fraunhofer IBP.

Bild: Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung

Das Haus als Kraftwerk

Das im Dezember 2011 eröffnete Effizienzhaus-Plus (Bild oben) des Bundesministeri­ums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) ist ein Projekt, das das Fraun­hofer IBP bereits seit dem interdisziplinären Planungswettbewerb forschungstechnisch begleitet. Die Wissenschaftler führen konstant Messungen und Forschungsaufgaben am Gebäude im bewohnten und nicht bewohnten Zustand vor und werten diese aus.

Um die Funktionsweise eines Plusenergiehauses für jedermann nachvollziehbar und erlebbar zu machen, zeigte das Fraunhofer IBP auf dem Fraunhofer-Stand ein interaktives Modell. Gebäu­de dieser Art zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Laufe ei­nes Jahres mehr Energie generieren, als sie für ihren Betrieb benötigen. Welche baulichen und anlagentechnischen Elemen­te für das ausgeklügelte Energiekonzept benötigt werden und wie sie zusammenspielen, zeigt das Querschnittsmodell. Hoch­wertige Hüllflächen und eine Lüftungsanlage mit Wärmerückge­winnung sorgen für einen geringen Heizenergiebedarf, der über die Wärmepumpe in Verbindung mit einer Fußbodenheizung mit hoher Effizienz gedeckt wird, so dass schon kleine Photovolta­ikflächen ausreichen, um zu einem Energieüberschuss zu gelangen. Die intelligente Einbindung von Haushaltsgeräten, insbesondere der Spül- und Waschmaschine, senkt nicht nur den Energiebedarf, sondern sorgt - wie die wärmespeicherfähigen Heizflä­chen – dafür, dass die Wärmepumpe mit hoher Flexibilität betrieben werden kann. Das verbessert die Möglichkeiten, den selbst produzierten Strom zu nutzen und auf variab­le Stromtarife reagieren zu können. Beides führt zu einer hohen Wirtschaftlichkeit des zukunftsweisenden Plusenergiehauskonzeptes - siehe beispielsweise auch „SMA ko­operiert mit Stiebel Eltron sowie Vaillant für eine effizientere PV-Eigennutzung“ vom 3.4.2013.

Neue Technologien für alte Bauten

Um das Thema Altbauten geht es stattdessen beim europäischen Projekt EFFESUS, das Forscher des Fraunhofer IBP im Rahmen der Sonderschau „Morgenstadt“ vorstell­ten. 23 Partner aus Wissenschaft, Wirtschaft und kommunaler Verwaltung aus 13 verschiedenen europäischen Staaten haben sich in diesem Projekt zusammenge­schlossen, um historischen Stadtquartieren zu mehr Energieeffizienz zu verhelfen. Länderübergreifend entwickeln die Wissenschaftler unter anderem neue Technologien und Materialien zur Fensterreparatur und zur Innendämmung, einen Dämmputz und reflektierende Beschichtungen. In sieben europäischen Städten in verschiedenen Kli­mazonen – Bamberg (Deutschland), Santiago de Compostela (Spanien), Genua (Ita­lien), Budapest (Ungarn), Istanbul (Türkei), Glasgow (Schottland) und Visby (Schwe­den) – werden zu diesem Zweck Fallstudien erarbeitet, um die verschiedenen Tech­nologien an einem historische Gebäude wissenschaftlich fundiert zu überprüfen - siehe auch Baulinks-Beitrag „EFFESUS: EU-Projekt zur energieeffizienten Sanierung von his­torischen Stadtquartieren“ vom 25.9.2012.

Im Fall der Unesco Weltkulturerbestätte Bamberg, das die IBP-Forscher auf der Hannover Messe exemplarisch präsen­tierten, sollen speziell für Altbauten entwickelte Dämmputze getestet werden. Doch bevor diese Dämmputze auf Bambergs historischen Fassaden aufgebracht werden, sind von den For­schern wissenschaftliche Untersuchungen – an eigens für sol­che Versuche gebauten Testhäusern – durchzuführen. Erst wenn die Putze hier gute Ergebnisse erzielt haben, versehen die Wissenschaftler eine etwa hundert Quadratmeter große Wand des Bamberger Rathauses Geyerswörth damit.

Ziel ist es letztlich, heute alltägliche Anforderungen an Gebäude in Bezug auf Komfort sowie Energieeffizienz oder Klimaschutz auch für historische Bauten umzusetzen, ohne dabei den Denkmalschutz aus den Augen zu verlieren. Zu den zentralen Aufgaben von „EFFESUS“ gehört deshalb auch die Entwicklung einer Software, die es Architekten und anderen Experten erleichtern soll, zielsichere Entscheidungen bei der Sanierung historischer Gebäude und Quartiere zu treffen. Die Software liefert ihnen beispielswei­se konkrete Informationen darüber, welche Möglichkeiten es in den jeweiligen Quartie­ren zur Energieerzeugung gibt – und welche von vorne herein durch die Struktur des Stadtviertels ausgeschlossen werden können. Welche Daten müssen in das System eingegeben werden? Welche dienen nur zum Verfeinern der Ergebnisse? Wie kommt man an diese Daten und wie müssen sie aufbereitet sein? Diese Fragen wollen auch die IBP-Wissenschaftler im Projekt „EFFESUS“ klären - siehe zudem auch Beitrag „Concerto: EU-weite Datenbank macht Ergebnisse von Energie-Effizienzprojekten zugänglich“ vom 19.3.2013.

Fühlen mit dem DressMAN 2.0

Können Messsensoren dasselbe „fühlen“ wie Menschen? Der DressMAN 2.0, ein vom Fraunhofer IBP entwickeltes Klimamesssystems, verspricht es. In Räumen, aber vor allem in Fahrzeugen und Flugzeugen herrschen häufig inhomogene und zeitlich verän­derliche thermische Umgebungsbedingungen, welche insbesondere die Klimatisierung von Elektrofahrzeugen vor große Herausforderungen stellt, da die bisher verfügbare Abwärme aus dem Antrieb nicht mehr zur Verfügung steht. Um komplexe thermische Randbedingungen erfassen und objektiv bewerten zu können, haben Forscher des Fraunhofer IBP den DressMAN 2.0 entwickelt, den sie nun im Rahmen der Sonder­schau „Morgenstadt“ vorstellten.

Das neue Systemkonzept setzt dabei verstärkt auf den Einsatz von kommerziell ver­fügbaren Komponenten und eine vollständige Eigenentwicklung der Systemsoftware am Fraunhofer IBP. Zudem wurde ein neuer Komfortsensor entwickelt, der die Mes­sung der so genannten Äquivalenttemperatur ermöglicht. Dieses in der DIN EN ISO 14505-2 definierte Klimasummenmaß umfasst die Größen ...

• Lufttemperatur,
• Luftgeschwindigkeit und
• Wärmestrahlung.

Damit lassen sich thermische Umgebungsbedingungen mit nur einem Zahlenwert be­schreiben, was eine vergleichende Bewertung unterschiedlicher Klimaszenarien er­möglicht.

Darüber hinaus kommen Simulationsprogramme zum Einsatz, die die unterschiedlichen Temperatureinwirkungen auf den menschlichen Körper mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD, numerische Strömungssimulation) untersuchen. Warme Anströ­mung aus der Lüftungsanlage, Sonneneinstrahlung, kalte Abstrahlung von Glasschei­ben und die thermophysiologische Reaktion des Menschen darauf – das alles gilt es zu berücksichtigen, wenn man realitätsnahe Berechnungen durchführen möchte.

Geht es um die verschiedenen Teilbereiche der „Stadt der Zukunft“, finden der Dress­MAN 2.0, seine Sensorik und die dazugehörigen Simulationsprogramme viele Einsatz­möglichkeiten. So werden damit nicht nur neue Klimatisierungskonzepte für Elektro­fahrzeuge evaluiert. Auch im Luftfahrtbereich unterstützt der DressMAN 2.0 die Fraunhofer-Forscher und ihre Industriepartner bei der Optimierung des persönlichen Komforts von Passagieren und Besatzungsmitgliedern in Flugzeugkabine und Cockpit. Da das System speziell für inhomogene thermische Umgebungsbedingungen ausgelegt ist, eignet es sich auch dafür, Zugluftrisiken oder Strahlungsasymmetrien durch zu heiße oder kalte Oberflächen zu erfassen. Diese Problematik betrifft nicht nur den Transportbereich, sondern kann auch moderne Büro- und Industriearbeitsplätze be­einträchtigen.

Morgenstadt

Städte verbrauchen Energie und Rohstoffe, produzieren Abfall und Schadstoffe, die Verkehrssysteme sind überlastet. Fraunhofer-Forscher haben sich daher im Innova­tionsnetzwerk „Morgenstadt“ zusammengeschlossen, um nachhaltige urbane Techno­logien und Systeme für die Städte der Zukunft zu entwickeln. Eine langfristige Nach­haltigkeitsstrategie verlangt eine Synchronisierung von ...

• kurzfristigen - wie bei Informations- und Kommunikationstechnologien – und
• langfristigen Zyklen – wie bei Gebäuden oder Verkehrsinfrastrukturen.

Bisher verlaufen diese eher unabhängig voneinander. Daher hat die Initiative „Morgen­stadt“ ein strategisches Handlungsmodell entwickelt, mit dem bisher parallele Systeme vernetzt und ergänzende Schlüsseltechnologien erforscht werden.

Neben den Inhalten und Zukunftsprojekten der Initiative „Morgenstadt“ wurden auf der der Sonderschau „Morgenstadt“ (Halle 1, Stand E16) auch bereits realisierte bzw. angelaufene Stadtprojekte gezeigt.

Für das Innovationsnetzwerk „Morgenstadt: City Insights“ haben sich zwölf Fraunho­fer-Institute zusammengeschlossen. Gemeinsam mit namhaften Partnern aus der In­dustrie und der deutschen Städte-Landschaft erarbeiten sie systematische Einblicke in erfolgskritische Schnittstellen auf dem Weg zur ressourceneffizienten, intelligenten und nachhaltigen Stadt der Zukunft. Dazu wurden sechs globale Städte festgelegt, die als inspirierende Systeme ein Vorbild für nachhaltige urbane Lösungen sind: Singa­pur, Kopenhagen, New York, Berlin, Freiburg, Tokyo. Bis Juli 2013 analysieren Exper­tenteams die Ansätze innerhalb dieser Städte. Ziel ist es, Erkenntnisse über den Zu­sammenhang zwischen einzelnen Vorreiterprojekten und den Stadtsystemen als Gan­zem zu gewinnen - siehe auch Beitrag „Morgenstadt: Impulse für eine lebenswerte Stadt der Zukunft“ vom 19.4.2012.