Cleanvelope

Energieaktive Gebäudehüllen als Baustein klimaorientierter Stadtentwicklung

Die Umsetzung eines klimaneutralen Gebäudebestands ist ein technisches und gesamtgesellschaftliches Großprojekt. Es bedarf verstärkter Anstrengungen und Investitionen in die energetische Gebäudesanierung und die Nutzung erneuerbarer Energien. Mit Lösungen auf Quartiersebene ist dies einfacher, effizienter und mit niedrigeren Gesamtkosten zu bewältigen als bei einer Einzelgebäudeoptimierung. Im urbanen Kontext birgt die Solarenergie das größte Potenzial für die Nutzung erneuerbarer Quellen. Die vorhandenen Gebäudehüllen lassen sich als lokale Energiequelle aktivieren, insbesondere durch die Photovoltaik. 

In Städten erweist sich die Nutzung dieses Potenzials als besonders schwierig. Die Ursachen liegen unter anderem in der Eigentümerstruktur und der verhältnismäßig geringen Anzahl großer unkompliziert nutzbarer Dachflächen. Im überwiegend mehrgeschossigen Gebäudebestand besteht die „urbane Haut“ zu einem hohen Anteil aus Fassadenflächen. Deren Nutzung zur Energiegewinnung erfordert eine hohe gestalterische Qualität und eine sorgfältige Integration in die gebaute Umwelt. Gleichzeitig konkurrieren verschiedene energietechnische Optionen – neben der Photovoltaik auch solarthermische Kollektoren, Bioreaktoren, dezentrale Lüftungstechnik, Speicherelemente, Wärme- und Sonnenschutzmaßnahmen oder thermische Bauteilaktivierung – sowie die klimaregulierende Bauwerksbegrünung um die begrenzten Flächen und Investitionsmittel.

Die Juniorforschergruppe untersucht, in welchem Ausmaß Gebäudehüllen im urbanen Raum im Spannungsfeld von Baukultur, energetischer Sanierung und Begrünung energetisch aktiviert und Synergien genutzt werden können. Ein ebenso wichtiger Aspekt ist die Integration in zukunftsfähige Quartiersenergiekonzepte und in das städtische Energiesystem. Mit Hilfe von großräumigen Simulationen und der Überlagerung von Erzeugungs- und Bedarfsprofilen sowie Energiemanagementstrategien auf Quartiersebene untersucht die Forschergruppe dabei, wie diese Quartiere das lokale und übergeordnete Energiesystem bei den Herausforderungen der Energiewende unterstützen können. Als Flexibilitätsmaßnahmen werden insbesondere der an Energieangebot und -nachfrage angepasste Betrieb elektrischer Wärmepumpen und das gesteuerte Laden von Elektrofahrzeugen berücksichtigt. Nicht zuletzt zielt die Forschung darauf ab, negative Auswirkungen einer großflächigen energetischen Aktivierung der Gebäudehüllen auf das urbane Mikroklima und den Außenraumkomfort zu quantifizieren und zu vermeiden. Somit verbindet der Forschergruppe die Bereiche Klimaschutz und Klimaanpassung. In Verbindung mit einer lebenszyklusbasierten ökologischen Bewertung lassen sich Empfehlungen für gezielte politische Anreizsysteme und den Abbau rechtlicher Hürden ableiten.

Ziel ist es schließlich, gemeinsam mit Kommunen Strategien und Handlungsoptionen für die Umsetzbarkeit der innovativen Lösungen aufzuzeigen, da die Stadtentwicklung vielseitigen Interessen und Bedürfnissen gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Akteure gerecht werden muss. Mehrere Fallbeispiele in bayerischen Städten dienen dabei der Erprobung, wie das Potenzial zur energetischen Aktivierung der Gebäudehüllen stadtklimaorientiert, finanzierbar, sozial- und netzverträglich gehoben werden kann, indem beispielsweise die Bürger in stadtplanerische Entscheidungen eingebunden und an den Investitionen und Gewinnen der Energiewende beteiligt werden.

Projektleitung
Dr.-Ing. Claudia Hemmerle
Lehrstuhl für Gebäudetechnologie und klimagerechtes Bauen
Fakultät für Architektur
Technische Universität München

Publikationen

  • Multi-criteria design and decision support for solar and green envelopes
    Fassbender E, Hemmerle C, Muhr N
    PowerSkin Conference 2021: TU Delft
  • Effect of energy management and influencing parameters in local PV use
    Bogischef L, de-Borja-Torrejon M, Hemmerle C
    PowerSkin Conference 2021; TU Delft
  • Solar and green potentials for the redevelopment of urban districts
    Fassbender E, Hemmerle C
    Proceedings 16th Conference on Advanced Building Skins 2020; Bern
  • Modeling workflow for simulating the interdependencies between vertical greenery systems, photovoltaic facades and urban microclimate
    Fassbender E, Hemmerle C
    15th Conference on Advanced Building Skins 2020; Bern
  • Wohngebäude als Flexibilitätsbaustein im Quartiersverbund – Entwicklung eines Modellierungsansatzes
    Bogischef L, de-Borja-Torrejon M, Hemmerle C
    BauSIM 2020, 8th Conference of IBPSA Germany and Austria 2020: 410-416; Technische Universität Graz, Monsberger, M., Hopfe, C.J., Krüger, M. & Passer, A. (Hrsg.)
  • Solare Aktivierung von Gebäudehüllen im Quartierskontext – Entwurfs- und Bewertungskonzepte
    Fassbender E, Hemmerle C
    Geoökologie-Tagung 2019; Universität Bayreuth
  • Klimaorientierte Stadtquartiere in der integrierten Stadtentwicklung
    Hemmerle C, Linke S
    Minisymposium Stadt, Land, Klimawandel 2019; Universität Bayreuth

Dissertationen

  • Simulationsbasierte Analyse der Wechselwirkungen zwischen Photovoltaik und Mikroklima
    Faßbender, Elisabeth (laufende Dissertation, Cleanvelope)
  • Modelling the thermal behavior of residential buildings featuring flexibility of the heating sector on district level
    Bogischef, Lea (laufende Dissertation, Cleanvelope)
  • Kommunale Initiierung und Steuerung von Transformationsprozessen für Klimaanpassung und Klimaschutz in bestehenden Stadtquartieren
    Zadow, Oliver (laufende Dissertation, Cleanvelope)

Abschlussarbeiten

  • Load Profile and Generation Potential of Non- Residential Buildings and their Influence on the Energy Flexibility in the District Network
    Coelho Debacco, Arthur (laufende Masterarbeit, Cleanvelope)
  • A Qualitative Zoning Framework for the Thermal Simulation of Residential Buildings in the Context of Demand-Side Management
    Koronova, Margarita (Masterarbeit 2021, Cleanvelope)
  • Klimaschutz- und Klimaanpassungspotentiale urbaner Freiräume
    Rohrbach, Annkristin (Masterarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Konzeptionierung eines ganzheitlichen Bewertungssystems zur Integration von Solarenergie und Vegetation in Gebäudehüllflächen im Quartierskontext
    Muhr, Natalie (Masterarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Deutsche Baukultur im Wandel von Klimaschutz und Klimaanpassung – Untersuchung zur Bedeutung eines polymorphen Leitbegriffs
    Lang, Clemens (Masterarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Options to use Flexibility Potentials of a Microgrid in the Electricity Sector
    Baur, Theodor (Masterarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Stand der Forschung und Diskussion der Bewertung von Gebäudebegrünungen nach dem Konzept der Ökosystemleistungen
    Svoboda, Toni Jan (Bachelorarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Strategien und Maßnahmen für einen CO2-neutralen Wohngebäudebestand in Deutschland 2050
    Amelunxen, Alina (Bachelorarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Analyse energie- und klimaaktiver Fassaden hinsichtlich Kosten und Nutzen von der Errichtung bis zum Rückbau
    Klemm, Robert (Bachelorarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Einflüsse von photovoltaisch aktivierten und begrünten Fassaden auf das Mikroklima – Stand der Forschung messtechnischer Studien mit anschließender Bewertung der Messkonzepte und Messtechniken
    Woytowicz, Jonathan (Bachelorarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Stand der Forschung zur Klimawirkung von Fassaden und konzeptionelle Entwicklung eines Fassadenkatalogs im Kontext des Urban Heat Island Effects
    Wirthensohn, Moritz (Bachelorarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Siedlungstypologische Charakterisierung des Bayerischen Wohngebäudebestands – Eine Geodatenanalyse zur Einschätzung der solaren Potentiale und Begrünung am Gebäude
    Holzer, Julian (Masterarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Lebenszyklusanalyse: Erstellung eines multikriteriellen Bewertungsansatzes für klimagerechte Quartiere
    Ambi, Juliette (Mastersarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Rolle einer dezentralen Solarthermie in innovativen Quartierskonzepten für bestehende Wohnareale. Modellierung und Variantenstudie verschiedener Systemkonstellationen
    Weig, Philipp (Masterarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Simulationsbasierte Konfiguration eines solaren Energieversorgungssystems für Bestandquartiere
    Gieschen, Patrick (Masterarbeit 2020, Cleanvelope)
  • Lokale Niedertemperaturquellen in Quartieren
    Hampel, Christian ( Bachelorarbeit 2019, Cleanvelope)
  • Analyse gebäudeintegrierter PVT-Kollektoren und ihre Kombination mit ausgewählten Systemen zur Wärmeabfuhr
    Schwarz, Stephanie (Bachelorarbeit 2019, Cleanvelope)