Gebäudephysik in Echtzeit dank VR-Simulation
Forschende der TU Graz kombinieren drei Technologien, um Gebäude energetisch fit für die Zukunft zu machen: VR-Umgebung, maschinelles Lernen und physikalische Simulation.
Screenshot aus BEYOND: Die Sonneneinstrahlung und die vorhandene Fensterfläche müssen bei der Einstellung des Thermostats berücksichtigt werden.
Foto: ISDS - TU Graz
Ein interdisziplinäres Team der TU Graz beschäftigt sich mit der Planung nachhaltiger Gebäude durch den Einsatz von VR-Simulationen. Diese Technologie ermöglicht es, die Vor- und Nachteile verschiedener Baumaßnahmen in Echtzeit sichtbar zu machen. Das Projekt BEYOND, geleitet von Christina Hopfe, Leiterin des Instituts für Bauphysik, Gebäudetechnik und Hochbau der TU Graz, vereint Fachkräfte aus den Bereichen virtuelle Realität, maschinelles Lernen, physikalische Simulation und Internet der Dinge. Ziel der Forschung ist eine bessere Planung von energieeffizienten Gebäuden zu realistischen Kosten und auch die Verbesserung bestehender Gebäude.
Inhaltsverzeichnis
So funktioniert die VR-Simulation
Bei der vom Grazer Forschungsteam entwickelten VR-Simulationen ändern die Nutzerinnen und Nutzer in einer virtuellen Umgebung die Eigenschaften eines Gebäudes oder Raumes und erhalten durch visuelle und akustische Rückmeldungen zusätzliche Informationen. Die Simulation ergänzt das visuelle und akustische Feedback durch haptische Signale über die Controller, die positive und negative Auswirkungen der Änderungen verdeutlichen.
Ein Beispiel: Die Dämmung einer Wand erfordert nicht nur die Berücksichtigung des Wandaufbaus und der Materialkosten, sondern auch der entstehenden Kosten. Auch die Größe der Fensterflächen hat unterschiedliche Effekte. Mehr Tageslicht wirkt sich positiv auf das Wohlbefinden der Menschen aus, doch Fenster haben oft einen hohen Wärmedurchgangskoeffizienten, was in den kälteren Jahreszeiten zu größeren Energieverlusten führt als bei einer gut gedämmten Fassade. Andererseits kann eine Verglasung auch solare Gewinne einfangen, wodurch Fenster im Winter wie Heizkörper wirken, jedoch im Sommer zu Überhitzung führen können.
Gebäudeverhalten besser verstehen
Durch das Feedback der Simulation lernen die Nutzerinnen und Nutzer, die Vor- und Nachteile verschiedener Maßnahmen besser zu verstehen. Diese Anwendung ist laut Forschungsteam nicht nur für Architekt*innen, Planer*innen und Gebäudeeigentümer*innen hilfreich, sondern auch für Endnutzer*innen und Studierende, die durch BEYOND als interaktives Lehrmittel Bauphysik und Gebäudeverhalten besser verstehen können.
Um den Bedürfnissen der verschiedenen Nutzergruppen gerecht zu werden, lassen sich die Parameter eines Gebäudes in verschiedenen Detailstufen verändern. So können sowohl allgemeine „Was-wäre-wenn“-Fragen als auch technische Fragen untersucht werden, wie beispielsweise die Veränderung des Energieverbrauchs bei unterschiedlichen Heiz- oder Kühlsollwerten.
Drei Technologien arbeiten gemeinsam
Einzigartig am Projekt BEYOND ist die Kombination von drei Technologien: VR-Umgebung, maschinelles Lernen und physikalische Simulation. Für die Verarbeitung, Darstellung und Veränderungsprognosen der Gebäudedaten werden mathematische Modelle und Prognosemethoden genutzt, die es ermöglichen, die tatsächlichen Auswirkungen von Planungseingriffen in Echtzeit zu visualisieren. Zusätzlich sind IoT-Plattformen und Sensornetzwerke für die bidirektionale Echtzeitkommunikation zwischen dem Gebäude und den Benutzern und Benutzerinnen integriert.
Um diese drei Technologien miteinander zu vereinen, brauchte es drei Kernforschungsteams. Neben Christina Hopfes Institut waren das Institute of Interactive Systems and Data Science sowie das Institut für Softwaretechnologie beteiligt. Die EAM Systems GmbH und EnAlytics i.G. unterstützten das Projekt als Partner. Das Projekt wurde von der Forschungsförderungsgesellschaft FFG im Rahmen des Programms „Stadt der Zukunft“ gefördert.
„Das Projekt BEYOND behandelt ein interdisziplinäres Thema an der Grenze zwischen Bauphysik, Datenwissenschaft und virtueller Realität“, sagt Christina Hopfe. „Energieeffiziente Gebäude sind auf dem Weg zur Klimaneutralität entscheidend, denn der Gebäudebestand in der EU ist noch energieintensiv und ineffizient. BEYOND ermöglicht die Verbindung von VR-Technologie, realen Gebäudedaten sowie Echtzeitkommunikation und -simulation. Das schnelle Feedback des Systems macht den Energieverbrauch von Gebäuden direkt bewusst.“
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