Adaptiv, komfortabel und effizient sind die Gebäude der Zukunft

Mit der Energiestrategie 2050 verfolgt die Schweiz das Ziel, eine sichere, kostengünstige und umweltfreundliche Energieversorgung zu gewährleisten. Neben dem Ausbau der erneuerbaren Energie und dem Atomausstieg soll dieses Ziel auch mit der Förderung der Energieeffizienz erreicht werden.

Energie in der Schweiz: Politik und Zahlen

Laut Bundesamt für Statistik stammt in der Schweiz die Energie von folgenden Energieträgern: Roh- und Erdöl (42 %), Kernbrennstoffe (20,1%), Rohwasserkraft (12,4 %) und Gas (11,9 %). Davon gehen ca. 20 % durch Umwandlung bzw. Transport zu den Endverbrauchern verloren. Die Schweiz ist nicht energieautark und daher von anderen Ländern abhängig: Der Anteil der importierten Energie beläuft sich auf 75 %. Die Immobilienbranche spielt in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle: Laut Bundesamt für Energie beansprucht der Schweizer Gebäudepark über 40 % des Gesamtenergieverbrauchs und ist für ca. 30 % des CO2-Ausstosses verantwortlich. Industriegebäude machen allein 17 % des Energieverbrauchs aus.

Der Energieverbrauch in Gebäuden setzt sich aus diesen Beiträgen zusammen: Raumwärme, Warmwasser, Beleuchtung und Lüftung, Klima und Haustechnik. Der Raumwärmeanteil allein liegt bei ca. 75 % und zeigt grosse jährliche Schwankungen, wie im Bild 1a dargestellt. Diese Unterschiede erklären sich durch die saisonalen Witterungen und beeinflussen die Raumwärme am stärksten. Bild 1b stellt die witterungsbereinigten Daten dar, aus denen eine Reduktion des Gebäudeenergieverbrauchs (-7.5 % im Zeitraum 2000–2017) und des Raumwärme-Beitrags (-10,5 %) klar sichtbar sind. Im selben Zeitraum hat der Verbrauch für Lüftung, Klima und Haustechnik hingegen zugenommen (+11,9 %). Im Raumwärmebereich herrschen die nicht-erneuerbaren Energiequellen wie Heizöl und Erdgas noch vor, obwohl Wärme aus Elektrizität, Solarthermie und Umweltwärme eine stetige Steigerung zeigen. Der Verbrauch von erneuerbaren Energien im Gebäudebereich zeigt eine starke Zunahme (+68,7 %) und bildete 2017 17,6 % des Gesamtgebäudeverbrauchs.

Energiesparen und Nutzerkomfort: intelligente und effiziente Gebäude

Die Daten sprechen für sich: obwohl der Verbrauchstrend sinkt, gibt es noch viel zu tun. Aktuelle Technologien, wie künstliche Intelligenz, Smart Data, Internet of Things dienen dazu, einen höheren Nutzerkomfort durch optimierten Energieverbrauch in Haushalts- und Bürogebäuden zu ermöglichen. Viele Projekte im Forschungs- und Unternehmensbereich streben an, diese Konzepte zu implementieren.

Ein erstes Beispiel aus der Forschung ist das Projekt Building2050 des Smart Living Lab, eine Zusammenarbeit zwischen der EPFL, der Hochschule für Technik und Architektur Freiburg und der Universität Freiburg. Die neuen Forschungsräume sind nicht nur als Büro und Labore ersonnen, sondern auch als konkretes Forschungsobjekt. Deshalb soll das Bauwerk modular und leicht weiter entwickelbar sein, was die Materialien und die interne Struktur betrifft. Zahlreiche Sensoren sollen ein vollständiges Monitoring ermöglichen, welches nicht nur der passiven Überwachung dienen soll, sondern auch als aktives Werkzeug, um einen hohen Nutzerkomfort gekoppelt mit einem sparsamen Energieverbrauch zu erreichen. 2020 ist der Beginn des Baus geplant und die Ziele der Energiestrategie 2050 sollen schon von Beginn an erreicht werden.

Bild 1a: Gebäudeenergieverbrauch 2000–2017, PJ. (Datenquelle: Prognos, TEP 2018)
Bild 1b: Witterungsbereinigter Gebäudeenergieverbrauch 2000–2017, PJ. (Datenquelle: Prognos, TEP 2018)

Zwei Beispiele im Unternehmensbereich sind zum einen die in den USA entwickelte Anwendung Comfy und zum anderen das cube berlin-Projekt von CA IMMO. Die Comfy-Anwendung ist bereits kommerziell verfügbar und strebt nach einer erhöhten Arbeitsproduktivität dank eines verbesserten Nutzerkomforts. Das System umfasst fast alle Gebäudeenergiekategorien: die Anwender können nicht nur die Beleuchtung, sondern auch die Temperatur unterschiedlicher Räume steuern, und somit Lüftung und Raumwärme kontrollieren. Die Adaption ist zentral: jeder Mitarbeitende kann jederzeit eine Rückmeldung über die Umgebungsbedingungen durch die Anwendung liefern. Das System reagiert auf die Feedbacks, um die Nutzerbedürfnisse zu erfüllen. Mithilfe maschinellen Lernens wird anhand gesammelter Daten gelernt, was Mitarbeiter bevorzugen und das System optimiert auf diese Weise den Gebäudeenergieverbrauch. Laut der Firma können Kunden so ihren Energieverbrauch um bis zu 20 % reduzieren.

«Smarte Räume für smarte Ideen», so beschreibt CA IMMO das Projekt cube berlin. Das Gebäude wird am Berliner Bahnhof als Smart Building gebaut und sollte Ende 2019 bezugsbereit sein. Auch in diesem Fall werden die Bedürfnisse der Mieter durch Sensorüberwachung für Energieoptimierung berücksichtigt. Eine grosse Menge an Daten, wie Temperatur und Raumbelegung, werden in Echtzeit gesammelt und zentral gespeichert. Das Steuerungssystem kombiniert dann diese Informationen mit den Nutzerwünschen, um Optimierungen vorzuschlagen. Ein Beispiel dafür: Mitarbeitenden werden Arbeitsplätze gemäss ihrer Arbeitszeits- bzw. Umgebungsvorliebe empfohlen, um die Raumnutzung besser zu steuern. Parallel zum Bau wurden die Algorithmen zusammen mit der RWTH Aachen entwickelt und getestet. Sicherheit und Privacy spielen eine grosse Rolle: einerseits sollten die Daten anonym behandelt werden, um Missbrauch zu vermeiden, andererseits sollte jeder für sich selbst entscheiden, inwiefern ein konstantes Monitoring akzeptabel ist und ob es die Privatsphäre verletzen kann.

Konkrete Massnahmen: das Gebäudeprogramm von Bund und Kantonen

Forschungsprojekte und innovative Gebäude stellen eine riesige Chance dar, neue Konzepte zu entwickeln und auszuwerten, um künftige Gebäude effizienter zu bauen. Auch wenn Lösungen wie Comfy auf schon existierende Gebäude angewendet werden können, sollten Gebäude wie cube berlin oder Building 2050 von Anfang an als «smart» ausgedacht und gebaut werden. Nicht jedes Unternehmen kann sich aber leisten, ein solches innovatives Gebäudeprojekt zu finanzieren und durchzuführen. Es ist aber möglich, konkrete Massnahmen für die Energiesanierung zu implementieren. Dafür hilft das Gebäudeprogramm von Bund und Kantonen, welches die Verbesserung der Schweizer Gebäudeenergieeffizienz und die Senkung des CO2-Ausstosses anstrebt. Der erste Schritt besteht aus der Erfassung des Gebäudeenergieausweises der Kantone (GEAK) mit der Bestimmung des Energiebedarfs des Baus und dessen Einordnung in einer der sieben Effizienzkategorien (A-G). Nach der Gebäudeanalyse wird ein Beratungsbericht verfasst, der bis zu drei Varianten für eine energetische Sanierung, eine Priorisierung der Massnahmen und Hinweise zu Förderungsmöglichkeiten und Steuerabzüge enthält. Förderungsmassnahmen sind für Wohn- sowie für Geschäftsgebäude verfügbar und sind kantonsabhängig. Einige Beispiele von geförderten Massnahmen sind die Sanierung der Gebäudehülle, um die Wärmedämmung zu verbessern, die Einführung einer Wärmepumpe oder von Solarkollektoren und eine Gesamtsanierung mit Minergiezertifikat. Der Weg zur Erfüllung der Ziele für 2050 ist damit geebnet.

Autoren:
Dr. Martina Perani ist Wissenschaftliche Mitarbeiterin und Dozentin am Laboratory for Web Science (LWS) der Fernfachhochschule Schweiz (FFHS) im Bereich Data Science.
Dr. Joachim Steinwendner ist Forschungsfeldleiter «GeoHealth Analytics» des Laboratory for Web Science (LWS), Fernfachhochschule Schweiz (FFHS), Dozent für Data Science und Machine Learning.