Passivhaus, erneuerbare Energien und Digitaler Zwilling: Nachhaltige Planung als Antwort auf die Klimakrise

Ein Passivhaus ist ein Gebäude, das auf einen niedrigen Energieverbrauch ausgelegt ist. Entdecken Sie, wie Digital Twins die Planung dieser nachhaltigen Gebäude unterstützen, um den aktuellen klimatischen Herausforderungen gerecht zu werden

Im Kontext der Klimakrise, die unsere Welt formt, ist die Notwendigkeit einer nachhaltigen Planung entscheidend geworden. Mit steigenden Temperaturen und dem dringenden Bedarf, die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, entwickelt sich die Baubranche zunehmend hin zu innovativen und verantwortungsbewussten Lösungen. In dieser Situation tauchen Passivhäuser als Vorreiter in Sachen Nachhaltigkeit auf und repräsentieren die greifbare Zukunft der umweltfreundlichen Planung.

Daher steigt die Nachfrage nach dieser fortschrittlichen Form der nachhaltigen Planung ständig, was zu einer verstärkten Nachfrage nach Architekten, Ingenieuren und Spezialisten für die Planung und Umsetzung solcher Lösungen führt. Um dem steigenden Arbeitsbedarf bei der Planung von Passivhäusern und insgesamt von nachhaltigen Gebäuden gerecht zu werden, ist eine Beschleunigung bei der Forschung und Entwicklung neuer Technologien erforderlich. In diesem Zusammenhang kann der Digitale Zwilling eine wichtige Ressource für alle Fachleute sein. Sie können sofort beginnen, die Möglichkeiten dieser Technologie zu erkunden, indem Sie kostenlos eine Digital Twin Software verwenden.

In diesem Artikel vertiefen wir das Konzept von Passivhäusern und Digitalen Zwillingen und untersuchen, wie die Technologie des Digitalen Zwillings Fachleute bei der Planung von Passivhäusern unterstützen kann.

Software-Schnittstelle zur Erstellung eines Digitalen Zwillings – usBIM

Was ist ein Passivhaus?

Ein Passivhaus ist ein äußerst energieeffizientes Wohngebäude, das darauf ausgelegt ist, den Energieverbrauch für Heizung, Kühlung und Belüftung auf ein Minimum zu reduzieren. Diese Häuser werden nach strengen Standards realisiert, die darauf abzielen, eine nahezu neutrale Energiebilanz zu erreichen.

Die Merkmale eines Passivhauses sind:

Hervorragende Wärmedämmung: Die Wände, Böden und Dächer eines Passivhauses sind äußerst gut isoliert, um Wärmeverlust im Winter und Überhitzung im Sommer zu verhindern. Hochwertige Isolationsmaterialien werden verwendet, um die Wärmeübertragung durch die Gebäudeoberflächen auf ein Minimum zu reduzieren;
Energieeffiziente Fenster/Türen und Verglasungen: Energieeffiziente Fenster/Türen und Verglasungen: Fenster und Türen sind mit Doppel- oder Dreifachverglasung ausgestattet, häufig mit speziellen Beschichtungen mit niedrigem Emissionsgrad, die das Entweichen von Wärme verhindern und das Eindringen von unerwünschter Sonnenstrahlung reduzieren;
Kontrollierten Lüftungssysteme: Ein kontrolliertes mechanisches Lüftungssystem (CMV) sorgt für einen konstanten Luftaustausch ohne übermäßigen Wärmeverlust. Dieses System gewinnt die Wärme aus der Abluft zurück und trägt so zur Erwärmung der Frischluft von außen bei;
Vermeidung von Wärmebrücken: Wärmebrücken, d. h. Stellen, an denen die Isolierung unterbrochen ist, werden beseitigt oder auf ein Minimum reduziert. Dadurch wird der Wärmeverlust an Schwachstellen in der Gebäudestruktur verhindert;
Sonnenorientier Entwurf: Die Anordnung der architektonischen Elemente und Fenster wird sorgfältig geplant, um die Sonnenenergie bestmöglich zu nutzen. Dies kann im Winter zu passiver Erwärmung beitragen.

Die entscheidende Rolle erneuerbarer Energien in Passivhäusern

Passivhäuser sind Meilensteine in der nachhaltigen Architektur, da sie sich auf intelligente Gestaltung und Effizienz konzentrieren, um den Energieverbrauch zu minimieren. Die strukturellen Elemente allein reichen jedoch nicht aus, um den Energiebedarf des Gebäudes vollständig zu decken. Aus diesem Grund ist es entscheidend, erneuerbare Energiequellen aus natürlichen Ressourcen wie Sonne, Erde, Wasser und Boden zu integrieren.

Daher wird bei der Planung eines Passivhauses oft die Möglichkeit eines Dachs mit Photovoltaikanlagen in Betracht gezogen, um Solarenergie zur Erzeugung von Warmwasser für sanitäre Zwecke und zur Beheizung des Innenraums zu nutzen. Alternativ kann auch ein Gründach installiert werden, um die Wärmedämmung und Schalldämmung des Gebäudes zu verbessern. Bei einem Passivhaus mit Garten kann die geothermische Energie durch ein Grundwasser-Wärmepumpensystem genutzt werden, das an Sonden im Boden angeschlossen ist. Diese Sonden fangen die Wärme aus dem Boden auf und leiten sie an Strahlungsplatten im Haus weiter, die eine effiziente und nachhaltige Heizung ermöglichen. Im Sommer kehrt sich der Prozess um: Die Kühle des Bodens wird von den Paneelen zu den Sonden geleitet und trägt dazu bei, dass im ganzen Haus ein kühles und angenehmes Klima herrscht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die richtige Kombination von fortschrittlichem Entwurf und erneuerbaren Energielösungen die Planung von Passivhäusern in der Lage ist, die Umweltauswirkungen zu reduzieren und den Bewohnern eine nachhaltige und unglaublich komfortable Lebensumgebung zu bieten.

Vorteile eines Passivhauses

Ein Passivhaus repräsentiert die Zukunft des nachhaltigen Bauens. Durch den Einsatz innovativer Technologien und sorgfältiger Planung bieten diese Häuser einen ökologisch und wirtschaftlich rentablen Wohnansatz. Die Vorteile der Planung von Passivhäusern sind vielfältig, darunter:

Hohe Energieeffizienz: Sie reduzieren den Energieverbrauch für Heizung und Kühlung erheblich, was zu langfristigen Kosteneinsparungen führt;
Höherer Komfort: Sie garantieren eine konstante Raumtemperatur und eine bessere Raumluftqualität durch kontrollierte Belüftungssysteme;
Reduzierung der CO2-Emissionen: Sie tragen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bei, da sie weniger abhängig von traditionellen Energiequellen sind;
Umweltfreundlichkeit: Sie fördern den Erhalt natürlicher Ressourcen und die Umweltfreundlichkeit durch den Einsatz ökologischer Materialien und verantwortungsbewusster Baupraktiken.

Was ist ein Digitaler Zwilling?

Das Konzept des Digitalen Zwillings hat in verschiedenen Branchen, einschließlich der Baubranche, erhebliche Aufmerksamkeit und praktische Anwendung gefunden und ist zu einer grundlegenden Technologie im heutigen digitalen Zeitalter geworden. Aber was genau bedeutet „Digitaler Zwilling“?

Ein Digitaler Zwilling ist eine virtuelle Darstellung, ein digitales Modell, das als Spiegelbild seines physischen Gegenstücks fungiert und eine dynamische Echtzeitansicht eines Objekts, Prozesses oder Systems bietet. Dieses Modell ist nicht statisch oder auf eine einfache visuelle Reproduktion beschränkt; vielmehr wird es durch Daten aus verschiedenen Quellen, wie Sensoren, IoT-Geräten und Überwachungsplattformen, gespeist und ständig aktualisiert. Dadurch entsteht ein digitales Bild, das den aktuellen Zustand und die Betriebsbedingungen der physischen Entität widerspiegelt und simuliert.

Die Implementierung eines Digitalen Zwillings im Bauwesen beschränkt sich nicht nur auf die Planungs- oder Bauphase, sondern erstreckt sich über den gesamten Lebenszyklus des physischen Objekts, vom Vorentwurf bis zur Stilllegung. Die detaillierten und aktuellen Informationen, die der Digitale Zwilling bereitstellt, unterstützen die Nutzer bei der Überwachung der Leistung, der Vorhersage und Identifizierung potenzieller Probleme sowie der Optimierung der Wartung und des Betriebs des physischen Objekts.

Darüber hinaus ist der Digitale Zwilling keine isolierte Entität, sondern kann eine digitale Brücke schlagen, die Daten, Prozesse und Personen verbindet, um einen bidirektionalen Informationsfluss zu ermöglichen und eine dynamische Interaktion zwischen dem physischen Objekt und seinem digitalen Modell zu ermöglichen. Der Digitale Zwilling wird somit zu einem eindeutigen „Single Point of Truth„, der eine zuverlässige und konsistente Informationsquelle darstellt, auf der fundierte Entscheidungen und operative Strategien basieren.

Digitaler Zwilling eines Gebäudes: Daten und Informationen

Erstellung und Betrieb eines digitalen Zwillings

Die Erstellung eines digitalen Zwillings beginnt mit dem Aufbau eines genauen digitalen Modells des physischen Objekts oder Systems, das untersucht wird. Dies beschränkt sich nicht nur auf eine visuelle Nachbildung, sondern umfasst eine Vielzahl von Daten und Informationen, die es ermöglichen, das Verhalten und die Bedingungen der realen Entität in einer virtuellen Umgebung widerzuspiegeln und zu simulieren. Die Erstellung des digitalen Zwillings kann auf verschiedene Technologien und Methoden zurückgreifen, darunter die terrestrische Fotogrammetrie, die Fotos und Referenzmessungen verwendet, um genaue und detaillierte Modelle zu erstellen, sowie die Verwendung von 3D-Modellen, die häufig mithilfe von BIM-Modellierungsplattformen im Baukontext erstellt werden.

Die Funktionsweise des digitalen Zwillings hängt eng mit seiner Fähigkeit zur Simulation, Analyse und Vorhersage des Verhaltens des physischen Objekts zusammen und ermöglicht den Benutzern, Experimente durchzuführen, hypothetische Szenarien zu testen und fundierte Entscheidungen zu treffen, ohne das reale Objekt zu beeinflussen. Dies wird durch den Einsatz fortschrittlicher Simulationstechnologien und Rendering-Technologien ermöglicht, die es ermöglichen, die virtuelle Umgebung realistisch und detailliert zu visualisieren und zu interagieren.

Die Erstellung und Verwaltung eines digitalen Zwillings erfordert jedoch ein tiefes Verständnis und die Integration verschiedener Technologien und Disziplinen, einschließlich IoT, künstliche Intelligenz (KI), maschinelles Lernen (ML) und Datenanalyse, die alle zusammenkommen, um ein digitales Modell bereitzustellen, das nicht nur die Realität repliziert, sondern auch mit fortschrittlichen Erkenntnissen und Funktionen anreichert.

Integration von Daten und IoT

Eine der grundlegenden Eigenschaften des digitalen Zwillings ist seine Fähigkeit, Daten aus verschiedenen Quellen zu integrieren, um ein Modell zu erstellen, das nicht nur repräsentativ, sondern auch dynamisch und reaktionsfähig auf Veränderungen im Zustand des physischen Objekts ist. Die Daten können von Sensoren, IoT-Geräten und anderen Überwachungsplattformen stammen, die Echtzeitinformationen über den Zustand, die Bedingungen und die Leistung des physischen Objekts liefern.

Das Internet der Dinge (IoT) spielt in diesem Zusammenhang eine entscheidende Rolle, indem es die Mittel zur Erfassung, Übertragung und Empfang von Daten zwischen dem digitalen Zwilling und dem physischen Objekt bereitstellt. Die auf dem physischen Objekt installierten Sensoren und IoT-Geräte sammeln Daten zu verschiedenen Parametern und übertragen sie an den digitalen Zwilling, der diese Informationen verwendet, um das Modell zu aktualisieren und den aktuellen Zustand des realen Objekts widerzuspiegeln. Diese kontinuierliche Integration von Daten ermöglicht es dem digitalen Zwilling, als „Single Point of Truth“ zu fungieren und eine konsistente, genaue und zeitnahe Sicht auf das untersuchte Objekt oder System zu bieten.

Darüber hinaus beschränkt sich die Integration von Daten im digitalen Zwilling nicht nur auf die Erfassung und Anzeige von Informationen. Die Daten werden analysiert, interpretiert und für Simulationen, Trendvorhersagen und die Identifizierung potenzieller Probleme oder Optimierungsbereiche verwendet. Auf diese Weise fördern sie eine proaktive, datenbasierte Verwaltung des physischen Objekts.

Virtuelle und erweiterte Realität im digitalen Zwilling

Die virtuelle Realität (VR) und die erweiterte Realität (AR) sind Technologien, die es den Benutzern ermöglichen, in virtuelle Umgebungen einzutauchen und mit virtuellen Elementen in der realen Welt zu interagieren. Im Kontext des digitalen Zwillings bieten VR und AR einzigartige Möglichkeiten, das digitale Modell auf intuitive und ansprechende Weise anzuzeigen, zu erkunden und zu interagieren:

Immersive Darstellung: VR ermöglicht es den Benutzern, die digitale Umgebung des digitalen Zwillings auf immersive Weise zu erkunden und eine tiefere und intuitivere Vorstellung von der Struktur und den Dynamiken des physischen Objekts zu erhalten;
Erweiterte Interaktion: AR ermöglicht es, den digitalen Zwilling in die reale Welt zu überlagern und Echtzeitinformationen und Daten anzuzeigen, während Benutzer mit dem physischen Objekt interagieren, wodurch Vorgänge wie Wartung, Inspektion und Schulung erleichtert werden;
Simulation und Experimentieren: VR und AR ermöglichen die Simulation verschiedener Szenarien und Bedingungen im digitalen Zwilling und bieten den Benutzern die Möglichkeit, Strategien und Lösungen in einer sicheren virtuellen Umgebung zu testen, bevor sie in die reale Welt umgesetzt werden.

Wie der digitale Zwilling die Planung eines Passivhauses unterstützt

Der digitale Zwilling kann eine revolutionäre Innovation im Bereich nachhaltigen Bauens sein, da er eine umfassende und detaillierte Darstellung der Gebäudeleistung bietet. Die Zukunft der Planung energieeffizienter und äußerst komfortabler Passivhäuser liegt zweifellos in der Anwendung dieser Technologie.

Wenn Sie also von der wachsenden Nachfrage nach nachhaltigen und umweltfreundlichen Lösungen profitieren möchten, die auf die zunehmende Umweltkrise reagieren, empfehle wir Ihnen, sich sofort mit der Verwendung von Digital Twin-Softwares vertraut zu machen und selbst die Vorteile zu erleben, die sie bietet, wie z. B.:

Die Erstellung von virtuellen Umgebungen;
Realistische Simulation und Interaktion;
Datenbasierte Entscheidungsfindung.

Erstellung von virtuellen Umgebungen

Die Erstellung von virtuellen Umgebungen im digitalen Zwillingen geht über die einfache 3D-Modellierung des physischen Objekts hinaus. Es handelt sich um den Aufbau eines digitalen Ökosystems, das nicht nur die Form und Struktur des Objekts widerspiegelt, sondern auch seine Funktionen, Betriebsdynamiken und Interaktionen mit anderen Objekten oder der Umgebung.

Die Erstellung von virtuellen Umgebungen innerhalb des digitalen Zwillings spielt eine entscheidende Rolle in der Planung von Passivhäusern, da sie eine äußerst detaillierte Modellierung ermöglicht. In der Tat wird die virtuelle Umgebung im digitalen Zwilling äußerst präzise modelliert, um sicherzustellen, dass sie das physische Objekt und seine Eigenschaften genau widerspiegelt. In solchen virtuellen Umgebungen können Sie die Anordnung der Innen- und Außenräume des Gebäudes experimentieren. Dies umfasst die Optimierung der Anordnung von Räumen, Fenstern und Trennwänden, um die natürliche Beleuchtung zu maximieren, die Luftzirkulation zu verbessern und den Bedarf an künstlicher Beleuchtung sowie übermäßiger Heizung/Kühlung zu reduzieren. Darüber hinaus können Sie verschiedene Optionen für Baumaterialien testen, um ihre Umweltauswirkungen und ihre thermische Isolationswirkung zu bewerten.

Simulationen und realistische Interaktionen

Die Möglichkeit, Simulationen und realistische Interaktionen im digitalen Zwilling durchzuführen, ermöglicht es, verschiedene Szenarien, Strategien und Lösungen in einer sicheren virtuellen Umgebung zu experimentieren, bevor sie in die reale Welt umgesetzt werden. Der digitale Zwilling bietet Architekten, Ingenieuren und Planern die Möglichkeit:

Dynamische Simulationen durchzuführen: Der digitale Zwilling ermöglicht die Simulation von Betriebsdynamiken, Arbeitsabläufen und variablen Szenarien, um Einblicke in die Leistung, Effizienz und mögliche Engpässe oder Probleme im physischen Objekt zu gewinnen;
in Echtzeit zu interagieren: Benutzer können in Echtzeit mit dem digitalen Zwilling interagieren, Parameter ändern, Funktionen aktivieren oder deaktivieren und die Auswirkungen ihrer Aktionen in der virtuellen Umgebung beobachten;
detaillierte Analysen durchzuführen: Simulationen und Interaktionen im digitalen Zwilling liefern wertvolle Daten, die zur Bewertung der Effektivität verschiedener Strategien, zur Identifizierung von Verbesserungsbereichen und zur Optimierung von Betriebsabläufen und Entscheidungen verwendet werden können.

Im Bereich der nachhaltigen Gebäudeplanung stellen diese Simulationen ein leistungsstarkes Mittel dar, um die Gebäudeleistung in verschiedenen Szenarien zu analysieren und zu testen und die Energieeffizienz, Nachhaltigkeit und den Komfort der Bewohner zu verbessern.

Datenbasierte Entscheidungsfindung

Der digitale Zwilling bietet nicht nur eine Plattform zur Datenerfassung und -analyse, sondern auch ein Mittel zur datenbasierten Entscheidungsfindung. Die Erkenntnisse und Informationen aus der Datenanalyse im digitalen Zwilling können in allen Phasen des Lebenszyklus des physischen Objekts verwendet werden, von der Planung und Konstruktion bis zur Instandhaltung und Optimierung.

Die datenbasierten Entscheidungen, die aus dem digitalen Zwilling abgeleitet werden, sind fundiert, zeitnah und gezielt und ermöglichen es Fachleuten, proaktiv statt reaktiv zu handeln. Dies ist besonders relevant bei der Planung nachhaltiger Gebäude, da es ermöglicht:

Energieverbrauchsbedürfnisse zu identifizieren: Durch die Erfassung von Daten zur Energieanfrage, einschließlich Spitzenverbrauch und Nutzungsmuster, können Sie besser verstehen, wie das Gebäude genutzt wird. Diese Informationen helfen bei der Gestaltung von optimierten Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystemen (HLK), um den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen zu reduzieren;
Energieverbrauch zu überwachen und zu verwalten: Datenbasierte Überwachungssysteme ermöglichen die Echtzeitverfolgung des Energieverbrauchs des Gebäudes. Diese Daten sind entscheidend, um Verschwendungen und Ineffizienzen zu identifizieren, Anomalien zeitnah zu beheben und Systeme zur Maximierung der Energieeffizienz zu optimieren;
Optimierung der Beleuchtung und der Umgebungssteuerung: Beleuchtungsdaten, einschließlich des natürlichen und künstlichen Lichts in den verschiedenen Gebäudeteilen, helfen bei der Planung von Beleuchtungssystemen, die nur dann und dort eingeschaltet werden, wo sie benötigt werden. Dadurch wird ein übermäßiger Energieverbrauch reduziert. Darüber hinaus können Daten über Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Luftstrom zur automatischen Anpassung des Raumklimas genutzt werden, um den Komfort der Bewohner zu optimieren, ohne Energie zu verschwenden;
Lebenszyklusanalyse und Bauwerkstoffe zu analysieren: Die datenbasierte Analyse des Lebenszyklus der Bauwerkstoffe ermöglicht die Bewertung der Umweltauswirkungen jedes verwendeten Materials beim Bau. Dies hilft bei der Auswahl nachhaltiger Materialien und bei der Reduzierung der Gesamtbilanz des Gebäudes;
kontinuierliches Feedback zur Optimierung zu erhalten: Die nach der Gebäudeinbetriebnahme gesammelten Daten bieten wertvolles Feedback zur Echtzeitleistung. Nutzungsdaten, Gewohnheiten der Bewohner und Energieverbrauchsdaten helfen bei der Optimierung bestehender Systeme und bei der Informationsgewinnung für zukünftige nachhaltige Planungen.

Beispiele für die Verwendung des digitalen Zwillings für Passivhäuser

Der digitale Zwilling bietet eine Vielzahl praktischer Anwendungen in der Planung von Passivhäusern. Hier sind einige Beispiele:

Möglichkeit, das Verhalten des Gebäudes in verschiedenen Szenarien zu simulieren und zu optimieren. Dies umfasst eine detaillierte Analyse der Energieleistung, die es den Planern ermöglicht, Ineffizienzen zu identifizieren und im Planungsprozess Änderungen vorzunehmen, um die Energieeffizienz zu maximieren;
Erweitertes Management von Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystemen (HLK), um diese Funktionen dynamisch an die Bedürfnisse der Bewohner und die Echtzeitänderungen im Klima anzupassen;
Erstellung interaktiver Simulationsmodelle, die die Bewohner in den Energieverbrauch einbeziehen. Diese Modelle ermöglichen es den Nutzern, die Auswirkungen ihrer Handlungen auf den Energieverbrauch des Gebäudes zu sehen und fördern nachhaltige Praktiken;
Analyse von historischen und Echtzeitdaten zur Energieverwendung, zur betrieblichen Effizienz und zur präventiven Wartung. Diese datenbasierte Analyse unterstützt strategische Entscheidungen im fortlaufenden Management von Passivhäusern, um sicherzustellen, dass sie nicht nur in der Gegenwart, sondern auch langfristig nachhaltig sind.