Einführung
Die energetische Sanierung von Bestandsgebäuden ist ein entscheidender Faktor im globalen Klimaschutz, da Altbaubestände einen erheblichen Anteil an der Energieverbrauchssumme ausmachen. An der TU Darmstadt und an kooperierenden Einrichtungen wie dem Institut für Werkstoffe im Bauwesen (IWB) der Universität Stuttgart und dem Institut für Mechatronische Systeme (IMS) der TU Darmstadt werden aktuelle Forschungsprojekte durchgeführt, die sich mit der Sanierung, der Energieeffizienz und der Integration innovativer Speichertechnologien in den Bestand beschäftigen.
Die Lehrveranstaltung „Nachhaltiges Bauen im Bestand“ an der TU Darmstadt vermittelt fundiertes Wissen über historische Baustoffe, Sanierungsstrategien, sowie digitale Methoden zur Bauwerkserkundung und BIM-basierten Modellierung. Gleichzeitig wird im Forschungsprojekt „Smart Innovative Virtual Transformer Technology (SWIVT)“ an der TU Darmstadt an der Entwicklung hybrider Speichersysteme gearbeitet, die thermische und elektrische Energie effizient speichern und vernetzen.
Die vorliegende Analyse basiert auf Lehrinhalten und Forschungsergebnissen, die in Veröffentlichungen, Lehrmaterialien und Projektdokumentationen der TU Darmstadt, der Universität Stuttgart und weiterer Partner bereitgestellt werden. Ziel ist es, die Methoden und Konzepte der energetischen Sanierung, die an der TU Darmstadt angewendet und entwickelt werden, detailliert darzustellen.
Energetische Sanierung: Grundlagen und Herausforderungen
Sanierungskonzepte im Kontext der Klimaziele
Die Sanierung von Bestandsgebäuden spielt eine zentrale Rolle bei der Erreichung der nationalen Klimaschutzziele. Viele Altgebäude sind durch Witterungseinflüsse, mechanische Belastung und veraltete Konstruktionsmethoden stark beansprucht. Sie weisen oft energetische Defizite auf, wie mangelnde Dämmung, hohe Heizlasten und ineffiziente Anlagentechnik. Die Sanierung bietet die Möglichkeit, diese Gebäude energetisch zu optimieren und gleichzeitig ihre bauliche und funktionale Nutzung zu sichern.
Im Kontext der Vorlesung „Nachhaltiges Bauen im Bestand“ an der TU Darmstadt wird betont, dass eine sorgfältige Planung entscheidend ist, um kostspielige Fehlentscheidungen zu vermeiden. Die Sanierung ist ein langfristiger Prozess, der auf die spezifischen Gegebenheiten des Gebäudes abgestimmt sein muss. Dazu gehören die historischen Baustoffe, die Tragwerke, die Schadensbilder und die baulichen Besonderheiten.
Eine systematische energetische Bestandsaufnahme ist der erste Schritt. Mithilfe von Simulationen und Gebäudebilanzierungen lässt sich der energetische Zustand bewerten und die Sanierungsmaßnahmen priorisieren. Die Vorlesung betont, dass schlecht geplante Sanierungen oft zu weiteren, teuren Interventionen führen können, was in der Praxis vermieden werden sollte.
Methoden der Bauwerkserkundung und Sanierungsplanung
Bauwerkserkundung und Schadensanalyse
Eine genaue Bauwerkserkundung ist eine der Schlüsselmaßnahmen bei der Sanierung von Bestandsgebäuden. Im Rahmen der Lehrveranstaltung „Nachhaltiges Bauen im Bestand“ an der TU Darmstadt werden verschiedene Methoden zur Erkundung und Bewertung von Bauwerken vermittelt. Dazu gehören:
- Bauteilbezogene Untersuchungen, die auf die spezifischen Materialien und Konstruktionen der Gebäude zurückgehen.
- Schadensanalysen, die auf die Ursachen und Auswirkungen von Schäden eingehen.
- Digitale Bauwerkserfassung, einschließlich der Anwendung von BIM (Building Information Modeling), um virtuelle Modelle der Gebäude zu erstellen und Sanierungsstrategien zu planen.
Diese Methoden ermöglichen eine präzise Diagnose des baulichen Zustands und tragen dazu bei, die richtigen Sanierungsmaßnahmen zu wählen. Die Vorlesung betont, dass es bei der Sanierung nicht nur um die energetische Optimierung geht, sondern auch um die Erhaltung der baulichen Identität und die historische Substanz.
Innovationen in der Energieeffizienz: Hybride Speichersysteme
Entwicklung hybrider Speichertechnologien
Im Forschungsprojekt „SWIVT“ an der TU Darmstadt wird ein hybrides Speichersystem entwickelt, das thermische und elektrische Energie kombiniert. Ziel ist es, die Energieeffizienz in bestehenden Quartieren und Gebäuden zu steigern, indem überschüssige Energie gespeichert und gezielt genutzt werden kann.
Die thermische Speicherung erfolgt durch sogenannte kaskadierte Fluidspeicher und Phasenwechselmaterialien (PCM). Fluidspeicher nutzen Wasser oder andere Flüssigkeiten, um Wärme zu speichern, während PCM-Speicher durch Phasenwechsel (z. B. von flüssig zu fest) Wärme speichern und freisetzen können. Diese Technologien ermöglichen eine flexible Regelung der Betriebsstrategie und reduzieren die Wärteverluste durch die unterschiedlichen Temperaturniveaus.
Die elektrische Speicherung erfolgt mithilfe eines hybriden Speichersystems, das aus einem kinetischen Energiespeicher und einer Li-Ionen-Batterie besteht. Der kinetische Speicher ist für hohe Leistungsspitzen geeignet, während die Batterie auf Langzeitspeicherung ausgelegt ist. Die Kombination der beiden Technologien ermöglicht ein langlebiges, leistungsfähiges und flexibles Speichersystem.
Die Entwicklung dieser Systeme erfolgt in enger Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Mechatronische Systeme (IMS) der TU Darmstadt, dem IWB der Universität Stuttgart und weiteren Industriepartnern wie AKASOL GmbH und ENTEGA AG. Die Komponenten werden in Laborumgebungen getestet und später in Demonstratoren eingebaut, um die Effizienz und Anwendbarkeit in der Praxis zu validieren.
Integration in den Bestand: Nahwärme und Vernetzung
Nahwärmenetze als Lösung für die Sanierung
Ein weiteres Schwerpunktthema im Forschungsprojekt „SWIVT“ ist die Entwicklung von Nahwärmenetzen, die die bestehenden Gebäude mit neuen Energiequellen vernetzen. Durch die Einbindung der Bestandsgebäude in ein Nahwärmenetz kann auf die Anlagentechnik in den Einzelgebäuden größtenteils verzichtet werden. Dies senkt die Kosten für die Sanierung und erhöht die Energieeffizienz durch zentralisierte Energieversorgung.
Die thermischen Speichersysteme werden in dieses Vernetzungskonzept eingebettet, sodass überschüssige Wärme aus erneuerbaren Quellen (z. B. Solarthermie, Wärmepumpen, Erdwärme) gespeichert und zu anderen Zeiten genutzt werden kann. Dadurch entsteht ein flexibler und nachhaltiger Energieverbund, der sich an die spezifischen Bedürfnisse des Quartiers anpasst.
Die Entwicklung der Nahwärme- und Speichertechnologien erfolgt mit Unterstützung des Institutes für Werkstoffe im Bauwesen (IWB) der Universität Stuttgart, das z. B. PCM-Behälter für die thermische Speicherung konstruiert und testet. Die hydraulischen Regelsysteme werden von der Firma Noventec bereitgestellt, die auch für die Inbetriebnahme des Demonstrators verantwortlich ist.
Energetische Sanierungsstrategien: Von der Planung bis zur Umsetzung
Sanierungsmaßnahmen im baulichen und anlagentechnischen Bereich
Die Sanierung von Bestandsgebäuden umfasst sowohl bauliche als auch anlagentechnische Maßnahmen. Im Rahmen der Vorlesung an der TU Darmstadt werden verschiedene Sanierungsstrategien vorgestellt, die sich an den spezifischen Bedürfnissen des jeweiligen Gebäudes orientieren. Dazu gehören:
- Bauliche Maßnahmen: Dämmung von Fassaden, Dächern und Bodenplatten, Austausch von Fenstern, Verbesserung der Ausrissdichtigkeit, Schadstoffsanierung, Rückbau und Umnutzung.
- Anlagentechnische Maßnahmen: Austausch von Heizungsanlagen (z. B. auf Wärmepumpentechnologie), Optimierung der Lüftungs- und Klimaanlagen, Einbau von Solarenergiesystemen (Photovoltaik, Solarthermie), Integration von Speichertechnologien.
Die Vorlesung betont, dass die Kombination aus baulichen und anlagentechnischen Maßnahmen eine optimale Energieeffizienz ermöglicht. Gleichzeitig ist es wichtig, die bauliche Substanz des Gebäudes zu berücksichtigen und nicht in der Sanierung zerstören. Die Vorlesung veranschaulicht dies anhand von Beispielen, die typische Sanierungsfehler und deren Konsequenzen zeigen.
Digitale Methoden und BIM in der Sanierungsplanung
Bauwerkserkundung und digitale Bauwerkserfassung
Die digitale Bauwerkserfassung und die Anwendung von BIM (Building Information Modeling) sind moderne Methoden, die in der Sanierungsplanung immer wichtiger werden. Im Rahmen der Vorlesung an der TU Darmstadt wird gezeigt, wie BIM eingesetzt werden kann, um virtuelle Modelle der Gebäude zu erstellen, Sanierungsstrategien zu planen und die baulichen und energetischen Eigenschaften zu analysieren.
Die Vorlesung betont, dass BIM nicht nur für neue Gebäude nützlich ist, sondern auch für die Sanierung von Altbaubeständen. Durch die Kombination von geometrischen und nicht-geometrischen Informationen (z. B. Materialien, Energieverbrauch, Tragverhalten) können präzise Sanierungspläne erstellt werden.
Ein weiterer Vorteil der digitalen Bauwerkserfassung ist die Möglichkeit, die Sanierungsmaßnahmen in 3D darzustellen und visuell zu überprüfen. Dies hilft bei der Kommunikation mit den Beteiligten (z. B. Eigentümer, Architekten, Ingenieure) und verbessert die Planungssicherheit.
Rechtliche Aspekte und Denkmalschutz
Rechtsgrundlagen und Vorgehen bei denkmalgeschützten Bauwerken
Ein weiteres wichtiges Thema in der Vorlesung „Nachhaltiges Bauen im Bestand“ an der TU Darmstadt sind die rechtsrechtlichen Aspekte der Sanierung, insbesondere bei denkmalgeschützten Bauwerken. Die Sanierung solcher Gebäude erfordert eine sorgfältige Planung, da die bauliche Substanz und die historische Identität erhalten bleiben müssen.
Im Vorlesungsinhalt wird detailliert erläutert, welche Schritte bei der Sanierung von denkmalgeschützten Bauwerken zu beachten sind. Dazu gehören:
- Einsprache und Genehmigung durch die zuständige Denkmalschutzbehörde.
- Verzicht auf invasive Sanierungsmaßnahmen, die die bauliche Substanz beeinträchtigen.
- Verwendung historisch passender Materialien und Techniken.
- Berücksichtigung der baulichen Besonderheiten (z. B. Mauerwerk, Fenster, Dachkonstruktionen).
Die Vorlesung betont, dass die Sanierung von denkmalgeschützten Bauwerken eine besondere Herausforderung darstellt, da sie sowohl die bauliche Stabilität als auch die historische Substanz berücksichtigen muss. Gleichzeitig bietet sie die Möglichkeit, die Energieeffizienz zu steigern, ohne die bauliche Identität des Gebäudes zu zerstören.
Fazit
Die energetische Sanierung von Bestandsgebäuden ist ein zentraler Aspekt im Klimaschutz und in der Nachhaltigkeitspolitik. An der TU Darmstadt und in kooperierenden Einrichtungen wie der Universität Stuttgart werden innovative Methoden und Technologien entwickelt, die die Sanierung von Altbaubeständen effizienter und umweltfreundlicher gestalten. Die Lehrveranstaltung „Nachhaltiges Bauen im Bestand“ vermittelt fundiertes Wissen über historische Baustoffe, Sanierungsstrategien und digitale Methoden, während das Forschungsprojekt „SWIVT“ an der Entwicklung hybrider Speichertechnologien arbeitet, die thermische und elektrische Energie effizient speichern und vernetzen.
Die Integration von Nahwärmenetzen, BIM-Modellen, PCM-Speichern und hybriden Speichersystemen ermöglicht eine flexible, nachhaltige und wirtschaftliche Energieversorgung in bestehenden Quartieren. Gleichzeitig wird im Lehrkurs betont, dass eine sorgfältige Planung entscheidend ist, um Fehlentscheidungen zu vermeiden und die langfristige Effizienz der Sanierungsmaßnahmen sicherzustellen.
Mit diesen Konzepten und Methoden wird die Sanierung von Bestandsgebäuden nicht nur zum Klimaschutz beitragen, sondern auch die bauliche Substanz schützen und die Energiekosten senken. Die TU Darmstadt und ihre Partnerinstitutionen spielen in diesem Prozess eine wichtige Rolle, indem sie praxisnahe Lösungen entwickeln und in die Realität umsetzen.