DE102022116001A1

DE102022116001A1 - Verfahren und system zur dynamischen bestimmung von gebäudeemissionen

Info

Publication number: DE102022116001A1
Application number: DE102022116001.7A
Authority: DE
Inventors: Robert Böker
Original assignee: Woodenvalley Ug Haftungsbeschraenkt
Current assignee: Woodenvalley Ug Haftungsbeschraenkt
Priority date: 2022-06-28
Filing date: 2022-06-28
Publication date: 2023-12-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Emissionssteuerung von Wohn- und Nichtwohngebäuden und betrifft insbesondere ein solches Verfahren und ein solches System zur dynamischen Bestimmung von Emissionen. Offenbart wird ein Verfahren zur dynamischen Bestimmung von Gebäudeemissionen eines Gebäudes, das die Schritte aufweist: a) Ermitteln einer statischen Referenz-Emissionsbilanz aus mindestens einer der Gebäudelebenswegphasen, b) Ermitteln einer dynamischen Emissionsbilanz für die Gebäudelebensweg-Nutzungsphase, wobei Schritt b) ferner aufweist: ba) Ermitteln eines Ruhebedarfs des Gebäudes, bb) Ermitteln eines Nutzungsprofils mindestens eines Bereichs des Gebäudes, bc) Bestimmen von Modifikationswerten für den Ruhebedarf des Gebäudes anhand des Nutzungsprofils, bd) Modifikation des Ruhebedarfs mit den Modifikationswerten zu einem variablen Bedarf, be) Ermittlung der Gebäudeemission basierend auf dem variablen Bedarf.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Emissionssteuerung von Wohn- und Nichtwohngebäuden und betrifft insbesondere ein solches Verfahren und ein solches System zur dynamischen Bestimmung von Emissionen.
Hintergrund der Erfindung
Der Treibhauseffekt beschreibt die Wechselwirkung zwischen Sonneneinstrahlung und Erdatmosphäre. Kurzwellige UV- und Lichtstrahlung von der Sonne dringt in die Atmosphäre und wird dort durch Absorption in langwellige Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) umgewandelt. Spurengase in der Erdatmosphäre (Wasserdampf, Kohlendioxid) verhindern, dass die Infrarotstrahlung ungehindert ins Weltall abgestrahlt wird. Durch diesen „natürlichen Treibhauseffekt“ wird die Temperatur auf der Erdoberfläche bei durchschnittlich 15°C gehalten, ansonsten läge sie bei -18°C. Durch menschliche Aktivitäten (z.B. Verbrennungsprozesse) werden zusätzliche, so genannte anthropogene Treibhausgase wie z.B. Kohlendioxid, Methan oder FCKW freigesetzt.
Diese Gase verstärken den natürlichen Treibhauseffekt und sorgen somit für eine zusätzliche Erwärmung der Atmosphäre. Das Treibhauspotential (Global Warming Potential) beschreibt den Beitrag eines Stoffs zum anthropogenen Treibhauseffekt und wird in kg Kohlendioxid - Äquivalent (CO2-Äq.) angegeben. Bei einer Beurteilung eines Vorgangs, beispielsweise bei der Bewertung der Umweltauswirkung eines Gebäudes werden alle Emissionen bezüglich ihres potenziellen Treibhauseffektes zu CO2 ins Verhältnis gesetzt. Die Komplexität der Umweltwirkungen und der daraus resultierende Wunsch nach Vereinfachung der Aussagen führt in der Praxis häufig zu einer Reduktion auf die Themen Primärenergie und CO2. Dabei kommt es häufig zu verkürzten Aussagen wie z.B. der, dass ein Produkt CO2-neutral sei.
Grundsätzlich hat jede menschliche Aktivität Emissionen zur Folge, die auf die eine oder andere Art auf die Umwelt wirken. Eine negative CO2-Bilanz z.B. von Holzprodukten resultiert aus der Annahme, dass das Holz bei seiner Bildung CO2 aus der Atmosphäre bindet, am Ende des Lebenszyklus bei einer Verbrennung nur die Menge an CO2 emittiert, die während der Bildung gebunden wurden und Energie freisetzt, die genutzt wird. Diese Energie ersetzt dann Energie, die ansonsten aus anderen, zum Teil nicht regenerativen Ressourcen, gewonnen werden müsste. Diese vermiedene Produktion von Energie aus anderen Energieträgern kann dem Holz positiv angerechnet werden und sorgt dann für eine negative CO2-Bilanz.
Bei diesem Vorgehen sollte immer berücksichtigt werden, dass die negative CO2-Bilanz von Holzprodukten keine Eigenschaft des Holzes ist, sondern sich aus einer rechnerischen Einsparung von Emissionen an anderer Stelle ergibt. Ähnliche rechnerische Gutschriften gibt es innerhalb der Ökobilanzmethodik auch für andere Baustoffe und Bauprodukte z.B. das Recyclingpotential von Metallen oder die Gutschrift von regenerativ in einem Gebäude erzeugten Strom. Grundsätzlich hat die Herstellung einer Photovoltaikanlage verschiedene Umweltwirkungen in Form von Emissionen. Durch die Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie werden aber in der Nutzungsphase die Erzeugung von Strom aus anderen Energiequellen reduziert und so CO2-Emissionen vermieden, und zwar deutlich mehr als zuvor bei der Herstellung der Anlage emittiert wurden. Dieser methodische Ansatz beschränkt sich nicht auf eine ansonsten wirkungsfreie Bilanzierung von Emissionen, sondern die berechneten Einsparungen treten tatsächlich auf, wenn auch teilweise außerhalb des untersuchten Beurteilungsraums.
Die Gebäudewirtschaft gilt als erheblicher Verursacher von Emissionen. 33% der nationalen Treibhausgasemissionen (298 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente per annum) werden durch die Nutzung und den Betrieb der Wohn- und Nichtwohngebäuden verursacht. Dies hat nicht nur die klimabezogenen Auswirkungen von Treibhausgasemissionen zur Folge, sondern kann auch bei einer Bepreisung von CO2-Emissionen insbesondere für die Wohnungswirtschaft erhebliche Mehrkosten bedeuten. Gerade in der Wohnungswirtschaft gibt es durch die Komplexität der verschiedenen CO2 Quellen mit jeweils verschiedenen positiven und negativen Beiträgen die Schwierigkeit, die tatsächlichen Emissionen zu erfassen und diese auch in einer Gesamtbilanz zu führen.
Gebäude sind langlebige Güter, die nur äußerst aufwendig und über lange Zeiträume modernisiert werden. Gleichzeitig werden neue und moderne Gebäude errichtet, die klimapositiv sind, d.h. die eine höhere Treibhausgasbindung als - emission aufweisen. Um die CO2-Emissionen zu senken, besteht seitens der Wohnungsunternehmen der Wunsch, die negative Emissionsbilanz moderner klimapositiver Gebäude auf weniger umweltfreundliche Gebäude zu übertragen. Die zurzeit bekannten Lösungen zur Bestimmung von Emissionen von Gebäuden nutzen statische Informationen, wie beispielsweise Gebäudeinformationen (BIM), um die Mengen an Emissionen zu berechnen. In der Forschung gibt es Ansätze, wie die Problematik der Bestimmung der Gebäudeemissionen im Lebenszyklus lösbar sein könnten.
Die Emissionserfassung von Gebäuden, insbesondere von Wohn- und Nichtwohngebäuden erfolgt im Stand der Technik durch eine Abschätzung. Hierbei werden die Umweltwirkungen der Herstellung aller Bauteile, der Instandhaltung aller Bauteile, des Betriebes des Gebäudes und der Entsorgung aller Bauteile erfasst/abgeschätzt, aufsummiert und auf die Nutzungsdauer und die NettoGrundfläche (NGF nach DIN277[m²] umgelegt. Die unten dargestellte Tabelle zeigt eine Übersicht der hierbei berücksichtigen Prozesse und Phasen:
Es kann als Aufgabe der Erfindung angesehen werden, eine genauere Emissionserfassung und Emissionssteuerung zu ermöglichen als mit den Mitteln des Standes der Technik. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Offenbart wird ein Verfahren zur dynamischen Bestimmung von Gebäudeemissionen eines Gebäudes, das die Schritte aufweist: a) Ermitteln einer statischen Referenz-Emissionsbilanz aus mindestens einer der Gebäudelebenswegphasen, b) Ermitteln einer dynamischen Emissionsbilanz für die Gebäudelebensweg-Nutzungsphase, wobei Schritt b) ferner aufweist: ba) Ermitteln eines Ruhebedarfs des Gebäudes, bb) Ermitteln eines Nutzungsprofils mindestens eines Bereichs des Gebäudes, bc) Bestimmen von Modifikationswerten für den Ruhebedarf des Gebäudes anhand des Nutzungsprofils, bd) Modifikation des Ruhebedarfs mit den Modifikationswerten zu einem variablen Bedarf, be) Ermittlung der Gebäudeemission basierend auf dem variablen Bedarf.
Vorteilhaft ist, wenn das Verfahren ferner den Schritt aufweist: ca) Bestimmen eines Schwellenwertes für die Gebäudeemissionen für einen Bemessungszeitraum, cb) Ermitteln einer Prognose über die Emissionen für den Bemessungszeitraum aus den in Schritt bd) ermittelten Gebäudeemissionen, cc) Veränderung von Steuerparametern des Gebäudes, wenn die Emissionen der Prognose den Schwellenwert überschreiten in der Form, dass die Emissionen reduziert werden. Vorteilhaft ist, wenn Schritt b) ferner den Schritt aufweist: be) Auslesen von Sensorinformationen, wobei die Sensorinformationen Betriebsparameter des Gebäudes abbilden.
Vorteilhaft ist, wenn Schritt bb) ferner mindestens einen der Schritte aufweist: bba) Bestimmen einer Anzahl von Nutzern des Bereichs, bbb) Bestimmen einer Nutzungsart des Bereichs, bbc) Übermitteln der Gebäudeemission über eine Schnittstelle, oder bbd) Abspeichern der Gebäudeemission in einer digitalen Gebäudeakte. Vorteilhaft ist, wenn die Gebäudeemission aus den Schritten bbc) und bbd) in einer digitalen Gebäudeakte gespeichert werden und eine Absicherung der Daten der Gebäudeemission über Blockchain-Verfahren oder über elektronische Signaturen erfolgt.
Vorteilhaft ist, wenn in mindestens einem der Schritte ba), bc) oder bd) die Ermittlung auf Grundlage eines BIM-Modells erfolgt. Vorteilhaft ist, wenn Schritt ba) ferner mindestens einen der Schritte aufweist: baa) Ermitteln einer Strom-Gesamteigenproduktion, bab) Ermitteln einer Wärme-Gesamteigenproduktion, bac) Ermitteln einer Frischwasser-Gesamteigenproduktion, bad) Ermitteln einer Strom-Gesamtpufferspeicherbelegung, bae) Ermitteln einer Wärme-Gesamtpufferspeicherbelegung, baf) Ermitteln einer Frischwasser-Gesamtpufferspeicherbelegung, bag) Ermitteln eines Strom-Gesamtruheverbrauchs, bah) Ermitteln eines Wärme-Gesamtruheverbrauchs, oder bai) Ermitteln eines Frischwasser-Gesamtruheverbrauchs.
Vorteilhaft ist, wenn die ermittelten Werte sich auf einen Zeitraum beziehen, der kürzer ist als der Zeitraum der Lebensweg-Nutzungsphase, insbesondere kürzer oder gleich ist, wie der Quotient aus dem Zeitraum der Lebensweg-Nutzungsphase und einem ganzzahligen Vielfachen, insbesondere dem Bemessungszeitraum entspricht oder einem Tag entspricht.
Vorteilhaft ist, wenn das Verfahren ferner die Schritte aufweist: ea) Ermitteln eines positiven oder negativen Emissionsüberschusses, eb) Erstellung eines überschussadäquaten Emissionszertifikats und Übertragung des Emissionszertifikats, wenn der Emissionsüberschuss negativ ist, und ec) Erwerb eines überschussadäquaten Emissionszertifikats, wenn der Emissionsüberschuss positiv ist.
Offenbart wird ein System zur dynamischen Bestimmung von Gebäudeemissionen, das aufweist: ein Gebäude 2 mit -mindestens einem Sensor für Betriebsparameter des Gebäudes, -einer Berechnungseinheit, die eingerichtet ist, aus Sensorinformationen des Sensors Emissionen des Gebäudes anhand eines der Verfahren der vorhergehenden Verfahrensansprüche zu ermitteln.
Vorteilhaft ist, wenn das System ferner aufweist: eine entfernte Datenverarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, mit dem Gebäude verbunden zu werden, wobei die entfernte Datenverarbeitungseinheit eingerichtet ist, als Berechnungseinheit die Emissionen des Gebäudes zu ermitteln, oder die ermittelten Gebäudeemissionen zu speichern.
Die hier vorgeschlagene Lehre adressiert das komplexe Problem der Einbeziehung dynamischer Nutzungsdaten und löst die komplexe technische Herausforderung durch eine Kombination von Sensorik und Analytik sowie automatisierten Workflows über die gesamte Prozesskette. Insbesondere wird ein computerimplementiertes Verfahren zur Dynamisierung der Erzeugung von Emissionszertifikaten offenbart. Schwerpunkt der Lehre liegt in der technischen Umsetzung der oben genannten theoretischen Konzepte. Genau diese Umsetzung in ein funktionierendes Gesamtsystem eröffnet Vorteile für Gebäudebetreiber, weil auf diese Weise Einsparungspotenziale bzw. eine nachhaltige und energieeffiziente Nutzung verwirklicht werden können und darüber hinaus mit einem Kostenvorteil belohnt werden können und somit Kosten für andere weniger energieeffiziente Gebäude kompensiert werden können.
Offenbart wird ein nutzungsorientiertes Verfahren zur dynamischen Erstellung einer Gebäudeökobilanz / Lebenszyklusanalyse (LCA) sowie Generierung und Ausstellung von Emissionszertifikaten für klimapositive Gebäude, wobei keine Zusatztechnik erforderlich ist. Die Bemessung erfolgt autark aus den Gegebenheiten des Gebäudes und erlaubt eine genauere Emissionssteuerung und eine genauere Emissionszertifizierung. Insbesondere kann sich die Bilanzierung für Gebäude durch die vorgestellte Lehre negativ entwickeln, da sie genauer ist als das aktuelle Bilanzierungsverfahren.
Die Lehre zielt auf eine Erweiterung der Systemgrenze hin zu einer gesamtheitlichen Erfassung und Berechnung auf Basis von Nutzungsinformationen und Messwerten. Obwohl die Lehre in erster Linie die Nutzungsphase betrifft, können die Prozesse A4, A5, C1 und C2 ebenfalls ermittelt und erfasst werden.

Bei der Erfassung der Emissionen, die allgemein als Ökobilanz oder LCA bezeichnet wird, werden folgende Größen jeweils für den gesamten Lebenszyklus des Gebäudes ermittelt: Tabelle 1: Bilanzgrößen für die LCA

Kriterium	Bilanzgröße (Umweltwirkung)	Bezugsgröße	Einheit
1.1.1	Treibhauspotenzial (GWP) als CO₂- Äquivalent	NGF_a	kg/m²
1.1.2	Ozonschichtabbaupotential (ODP) als R11-Äquivalent	NGF_a	kg/m²
1.1.3	Ozonbildungspotential (POCP) als C₂H₄-Äquivalent	NGF_a	kg/m²
1.1.4	Versauerungspotential (AP) als SO₂-Äquivalent	NGF_a	kg/m²
1.1.5	Überdüngungspotential (EP) als PO₄-Äquivalent	NGF_a	kg/m²
1.2.1	Primärenergiebedarf: - nicht erneuerbar Q_P,ne, - gesamt Q_P,ges - erneuerbar Q_P,e	NGF_a	kWh/m²

Hierbei gilt:

• GWP: Global Warming Potential, Treibhauspotential in Kohlenstoffdioxid-Äquivalenten, kg CO₂-Äqu./(m² _NGFa·a), Einfluss auf: z. B. Erderwärmung bzw. den Treibhauseffekt
• ODP: Ozone Depletion Potential, Ozonschichtabbaupotential in Trichlorfluormethan Äquivalente, kg R₁₁-Äqu./(m² _NGFa·a), Einfluss auf: Ozonloch und verringert die Filterung von UV-A und UV-B Strahlen
• POCP: Photochemical Ozone Creation Potential, Ozonbildungspotential in Ethen Äquivalente, kg C₂H₄-Äqu./(m² _NGFa·a), Einfluss auf: z. B. Sommersmog AP: Acidification Potential, Versauerungspotential in Schwefeldioxid Äquivalente, kg SO₂-Äqu./(m² _NGFa·a), Einfluss auf: z. B. Versauerung von Böden und Gewässern, Waldsterben
• EP: Eutrification Potential, Überdüngungspotential in Phosphat Äquivalente, kg PO₄-Äqu./(m² _NGFa·a); Einfluss auf: z.B. Anreicherung von Nährstoffen, Algenwachstum in Gewässern
• PE_Ges: Gesamtprimärenergiebedarf in kWh/(m² _NGFa·a) PE_ern: Anteil der erneuerbaren Primärenergie in kWh/(m² _NGFa·a)
• NGF: Die Nettogrundfläche eines Gebäudes (NGF) ist laut DIN 227 die Summe aller nutzbaren Flächen eines Gebäudes

Jede Größe wird über den gesamten Lebenszyklus erfasst und auf den Zeitraum des Lebenszyklus bezogen, so dass sich eine durchschnittliche jährliche Umweltwirkung für die jeweilige erfasste Größe i ergibt: $u w g_{g e s, i} = \frac{U W G_{g e s, i}}{N G F_{a}}$
$U W G_{g e s, i} = U W G_{H, i} + H W G_{E, i} + U W G_{N, i} + U W G_{R, i}$
Wobei:

UWGges,i: Durchschnittliche jährliche Umweltwirkung der Bilanzgröße i im Lebenszyklus des Gebäudes. Dabei steht i für CO₂ oder R11 oder C₂H₂ oder SO₂ oder PO₄ oder Q_P,ne oder Q_P,ges oder Q_P,e
UWGH,i: Durchschnittliche jährliche Umweltwirkung der Bilanzgröße i bei der Herstellung des Gebäudes
UWGE,i: Durchschnittliche jährliche Umweltwirkung der Bilanzgröße i bei der Erneuerung des Gebäudes
UWGN,i: Durchschnittliche jährliche Umweltwirkung der Bilanzgröße i bei der Nutzung des Gebäudes
UWGR,i: Durchschnittliche jährliche Umweltwirkung der Bilanzgröße i bei dem Rückbau des Gebäudes

Hierbei werden UWG_E,i, UWG_N,i, UWG_R,i dynamisch ermittelt und es erfolgt eine Anpassung der obigen Formel zu $U W G_{g e s, i} = U W G_{H, i} + \sum_{j = 0}^{n} U W G_{E, i, j} + \sum_{k = 1}^{365} U W G_{N, i, k} + U W G_{R, i}$
Wobei:

j = Anzahl (n) der Modernisierungen pro Jahr
K = Anzahl der Tage im Jahr (Summe über alle Tagesbilanzen)

Aus einer im Folgenden beschriebenen digitalen Gebäudeakte fließt jede Modernisierung in die Berechnung ein. Auch die tagesaktuelle Umweltwirkung des Gebäudes wird mit in die Berechnung einbezogen.
Die digitale Gebäudeakte enthält alle Lebenszyklusinformationen zu einem Gebäude. Zur manipulationssicheren Speicherung der Informationen wird eine Blockchain verwendet.
Mit der Planung des Gebäudes entsteht ein BIM-Modell (Building Information Modelling). Auf Basis dieses Modells wird die Produktion der Einzelkomponenten angestoßen. Die Informationen aus der Produktion können in die digitale Gebäudeakte zurückfließen (z.B. Seriennummern bestimmter Bauteile).
Im nächsten Schritt wird das Gebäude errichtet. Die Montage kann ebenfalls in der digitalen Gebäudeakte erfasst werden (z.B. wer hat das Gebäude errichtet; unter welchen Wetterbedingungen usw.). Mit der Errichtung des Gebäudes wird eine erste statische Ökobilanzierung erstellt (nach dem derzeitigen Stand der Technik). Diese Bilanz wird dann ebenfalls in der digitalen Gebäudeakte gespeichert.
Mit der Inbetriebnahme des Gebäudes liefert eine in dem Gebäude verbaute Smart-Home Steuerung die Gebäudemessdaten (CO2-Gehalt; Luftdruck; Temperatur; Helligkeit; Lautstärke; Luftfeuchtigkeit; Sonneneinstrahlung; PV-Leistung; Wärmeerzeugung, Belegungsanzahl über Schlüsseltoken oder Buchungssystem etc.) an die digitale Gebäudeakte. Auf Basis dieser Informationen wird täglich eine dynamische Bilanzierung vorgenommen. Diese wird in der digitalen Gebäudeakte gespeichert. Am Ende eines Jahres wird die Summe gebildet und eine Gesamtbilanzierung für das zurückliegende Jahr ausgewiesen. Sollte das Gebäude demontiert und recycled werden, so kann auf Basis der digitalen Gebäudeakte eine Gesamtbilanzierung für das Gebäude ausgewiesen werden. Hierbei ist relevant, dass die Bilanzierung dann über den tatsächlichen Nutzungszeitraum errechnet wird (und nicht über einen festen Zeitraum).
Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines klimapositiven Gebäudes.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Erfassung von Information in einer herkömmlichen digitale Gebäudeakte.
3 zeigt eine detailliertere schematische Darstellung des Gebäudes aus 1
4 zeigt einen Tages-Eigenproduktionsverlauf des Gebäudes
5 zeigt Tages-Pufferspeicherverläufe des Gebäudes
6 zeigt Tages-Stromabgabe und -fremdbezug des Gebäudes
7 zeigt einen Tages-Frischwasserbezugsverlauf des Gebäudes
8 zeigt Tages-Abwasserabgabeverläufe des Gebäudes
9 zeigt Tages-Ruheverbräuche des Gebäudes
10 zeigt eine beispielhafte Aufteilung des Gebäudes
11 zeigt Tages-Nutzungsauswirkungen auf das Gebäudes
12 zeigt Tages-Personenanzahlauswirkungen auf das Gebäude.

Anhand von 1 wird ein Beispiel eines klimapositiven Gebäudes im Rahmen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben.
Ein Grundstück 1 ist mit einem Gebäude 2 mit einer Photovoltaikanlage 3 bebaut. Die Photovoltaikanlage 3 generiert elektrischen Strom im Umfang von 53 MWh/a. Hiervon werden 22 MWh/a, d.h. 42 % des generierten Stroms direkt durch das Gebäude verbraucht. Hierdurch werden 71% des Stromverbrauchs des Gebäudes gedeckt. Überschüsse, die bei der Generierung anfallen, werden im Umfang von 31 MWh/in das Stromnetz eingespeist. In Zeiten, in denen durch die PhotovoltaikAnlage nur unzureichend Strom generiert wird, beispielsweise nachts oder bei niedrigem Sonnenstand, und darüber der Stromverbrauch des Gebäudes nicht gedeckt werden kann, ist es erforderlich, Strom aus dem Stromnetz zu entnehmen. Die entnommene Menge betrug im betrachteten Bemessungsjahr 9 MWh/a.
Bei einer angenommenen Emission von 0,526 t CO2/MWh beim durchschnittlichen Strommix des Bemessungsjahrs ergibt sich eine negative CO2 Bilanz von 12t/a.
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Photovoltaikanlage 3 zur Generierung von elektrischem Strom vorgesehen. Alternativ sind hier auch andere Anlagen zur Generierung von elektrischem Strom vorsehbar, beispielsweise ein Wasserstoffkraftwerk, eine Windkraftanlage, eine Wasserkraftanlage oder ein thermisch betriebener Generator, wie beispielsweise ein mit einem Sterlingmotor betriebener Generator, der mittels eines solar oder geothermisch beheizten Mediums betrieben wird.
Anhand von 2 wird eine digitale Gebäudeakte und die darauf aufbauende erfindungsgemäße dynamische Emissionsermittlung beschreiben.
Eine digitale Gebäudeakte ist eine Informationssammlung, die alle relevanten Lebenszyklusinformationen zu einem Gebäude enthält. Diese Informationen können über elektronische Signaturen oder Blockchain-Mechanismen gegen Manipulation geschützt werden. 2 zeigt einen Zeitstrahl über die Existenz eines Gebäudes, beginnend bei der Planung bis zur Demontage und Weiterverwertung der Rohstoffe. Bei der Planung wird ermittelt, welche Komponenten mit welchen Umfeldauswirkungen verbaut werden. Bei Modernisierungen oder sonstigen Modifikationen im Betrieb werden Komponenten entnommen und durch andere ersetzt.
Diese Informationen werden in der digitalen Gebäudeakte protokolliert, sodass der durch die Bestandsgüter bedingte Umwelteinfluss ermittelbar ist. Dieser statische Ansatz der Umfeldauswirkung wird auch in der hier offenbarten Lehre für die Planung, Produktion, Montage, Demontage und Wiederverwertung beibehalten. Bezüglich des Betriebs wird hingegen die Emissionsermittlung dynamisch und kontinuierlich ermittelt, tagesaktuell zusammengestellt und über das Jahr summiert. Modernisierungen werden auch hier berücksichtigt.
Anhand von 3 wird das Gebäude 2 detaillierter beschreiben.
Das Gebäude 2 verfügt üblicherweise über einen Sicherungskasten 202 mit einem (nicht gezeigten) Stromzähler 204. Der Stromzähler 204 stellt einen hoch zuverlässigen Sensor für Stromzu- und -abfluss bereit. Ferner weist das Gebäude 2 ein Batteriemanagementsystem 206 auf, das ebenfalls Sensorik zur über PV erzeugten Strommenge beinhaltet. Alternativ kann die Stromerzeugung auch über ein Wasserstoffkraftwerk 226 und einem angeschlossenem Wasserstoffspeicher 228 erfolgen. Eine Zisterne 208 beinhaltet Sensorik über den Zufluss oder die Speichermenge von Frischwasser. Der über die Photovoltaikanlageerzeuge Strom wird über einen Umrichter entweder in das Wasserstoffkraftwerk zur Erzeugung von Wasserstoff beispielsweise mittels Elektrolyse gespeist, direkt in das Hausnetz eingespeist, oder zum Laden einer Batterie 212 verwendet.
Über ein Batteriemanagementsystem 214 wird Strom entweder in das Hausnetz eingespeist oder in ein externes Versorgungsnetz eingespeist. Ein Ofen 216, Infrarot-Heizelemente 230 oder Fußbodenheizelemente 232 dienen der Erzeugung von Wärmeenergie. Eine zentrale Haussteuerung 218 verfügt über Sensoren wie Temperatursensoren in den einzelnen Gebäuderäumen und Sonneneinstrahlungssensoren und regelt die Gebäudeverschattung und die Raumtemperierung. Über einen loT-Hub 220 werden die Sensorinformationen gesammelt und über ein Weitverkehrsnetz 4 an eine Betreiber-Cloud 5 übermittelt. In der Betreiber-Cloud 5 sind auch die digitale Gebäudeakte und das BIM-Model des Gebäudes 2 hinterlegt. An die Betreiber-Cloud 5 können weitere Gebäude 6 angeschlossen sein, die über eine UBId (unique building identifikation number) identifizierbar sind.
Im Folgenden wird ein Emissionszuordnungsverfahren beschrieben.
Über Zugangssensoren oder Zutrittskarten wird die tatsächliche Belegung des Gebäudes 2 ermittelt. Ausgewertet wird, wie viele Personen halten sich in welchen Räumen innerhalb des Gebäudes 2 auf. Wann kommen die Personen und wann verlassen sie das Gebäude 2. Über die Sensorik im Gebäude wird die Strom-, Wasser- und Wärmeentnahme an allen Entnahmestellen gemessen. Darüber hinaus werden die eigens erzeugten Medien (Strom, Wasser, Wärme) und die extern bezogenen Medien (Strom, Wasser, Wärme) gemessen.
Optional kann die erwartete Gebäudebelegung auch über ein vorgeschaltetes Buchungssystem ermittelt werden. Im Rahmen der Buchung muss der gewünschte Raum, der Zeitraum und die Anzahl der Personen angegeben werden. Auf Basis dieser Informationen kann eine Hochrechnung für zukünftige Emissionen erstellt werden. Sämtliche Informationen werden in der Blockchain zwischengespeichert. Mit dem eingestellten Berechnungszeitraum werden die Daten aggregiert, übermittelt, die Bilanzierung erstellt und anschließend könnten die Rohdaten optional gelöscht werden.
In einem ersten Schritt werden über die Sensordaten Strom-, Wärme und Frischwasser-Eigenproduktion des Gebäudes errechnet und ergeben jeweils Tagesverläufe (siehe 4).
In einem zweiten Schritt werden die Pufferspeicher gefüllt (siehe 5).
In einem dritten Schritt wird die Abgabe- und der Fremdbezug von Strom ermittelt (siehe 6).
In einem vierten Schritt wird der Fremdbezug von Frischwasser berechnet (siehe 7).
In einem fünften Schritt wird die Abgabe von Abwasser berechnet (siehe 8).
In einem sechsten Schritt wird der Strom-, Wärme-, und Frischwasser-Ruheverbrauch des Gebäudes in Abhängigkeit der Wetterdaten für den jeweiligen Standort gemessen (siehe 9).
Über den Nutzungskontext werden nun die ermittelten Werte modifiziert. Hierzu wird in einem siebten Schritt das Gebäude in einzelne Bereiche 222 zerlegt (siehe 10)
In einem achten Schritt werden die Bereiche 222 mit einem Nutzungskontext und einer Anzahl Nutzer belegt. Dies kann entweder über das Zugangssystem, ein Buchungssystem oder sensorgesteuert erfolgen.
In einem neunten Schritt wird erfasst, wie sich die Nutzer-Anwesenheit auf den Ruheverbrauch aus 9 auswirken. Jedes Nutzungsszenario mit einer bestimmten Anzahl von Personen hat charakteristische Auswirkungen auf den tatsächlichen Verbrauch im betroffenen Bereich und den Gemeinschaftsbereichen (siehe 11). Die Gesamtumweltwirkung beispielsweise für Strom setzt sich zusammen aus den Strombilanz des Raums sowie anteilig die Bilanz der Gemeinschaftsflächen. Dieser Bilanzierungsansatz gilt für alle anderen Parameter wie Wärme und Wasser gleichermaßen.
Alternativ kann im zehnten Schritt die Verifizierung der Personenzahl anhand einer Mustererkennung auf den Raummessdaten des betroffenen Raums erfolgen. Hierbei hat jeder Nutzer für jeden Tag im Jahr, denn die Nutzung ändert sich über das Jahr, insbesondere über die Jahreszeiten, einen Referenzverlauf für jeden Parameter wie Strom oder Wärme (siehe 12).
In einem elften Schritt werden bei der Gesamtbilanzierung des gesamten Gebäudes alle Einzelbilanzierungen addiert und durch die Anzahl der Nutzer geteilt.
Beispiel für Strom
${Strom}_{ges} = (\sum S t r o m_{F x R y R z - m P - n} + \sum_{o = 1}^{p} S t r o m_{O}) / Anzahl der Nutzer pro Tag$
Die Gesamtumweltwirkung Strom setzt sich zusammen aus der Strombilanz aller Räume und aller Gemeinschaftsflächen. Dieser Bilanzierungsansatz gilt für alle anderen Parameter (Wärme, Wasser,...) gleichermaßen.

X = Flächenkonfiguration
y = Raumkonfiguration
Z = Raum
m = Personenanzahl
N = Nutzung
O = Gemeinschaftsfläche(n) 1...p
P = Anzahl aller Gemeinschaftsflächen

Optional wird in einem zwölften Schritt ein digitaler Schlüsselbund zur Identifikation der Nutzer vorgesehen. Jeder Lebenswegphase des Gebäudes wird
eine eindeutige ID zugeordnet. Diese ID kann an den Nutzer per APP oder einem Bluetooth Beacon o.ä. übermittelt werden. Wenn der Nutzer das Gebäude betritt,
kann er die ID aktivieren (z.B. auch automatisch über die Zugangskontrolle oder abscannen eines QR-Code). Darüber wird er bspw. als „Instandhalter“ gezählt.
Wenn er das Gebäude verlässt, dann wird dieser Nutzer aus der Berechnung wieder herausgenommen. Diese Art der Einlasskontrolle kann auch an das Buchungssystem gekoppelt werden. Bei jeder Buchung wird ein digitaler Schlüsselbund für die Buchung generiert und den Kunden übermittelt. Anhand
dieser Identifikation können sie das Gebäude betreten und werden automatisch in die Bilanzierung aufgenommen.
Aus den so erfassten Informationen wird, unter Berücksichtigung der Informationen aus der digitalen Gebäudeakte, die Ökobilanzierung ermittelt und wieder in der digitalen Gebäudeakte gespeichert.
Optional werden Emissionszertifikate im Bemessungszeitraum (idr. das Kalenderjahr) auf Basis der digitalen Gebäudeakte generiert. Anschließend werden die Zertifikate in der digitalen Gebäudeakte gespeichert und optional die Rohdaten gelöscht. Die Zertifikate sind dann im üblichen Umfang handelbar.
Die statische Bilanzierung am Anfang des Gebäudelebenszyklus wird als Referenzbilanz angesetzt. Durch die tagesaktuelle Bilanzierung des Betriebs kann der Algorithmus vorausberechnen, ob die statische Bilanzierung über den angesetzten Nutzungszeitraum über- oder unterschritten wird. Daraus lässt sich ableiten, inwiefern die energetischen Ströme im Gebäude angepasst werden müssen, um bspw. einen Zielwert exakt zu erreichen (z.B. Heizung um 2°C herunterregeln, um die geplante Bilanzierung für das aktuelle Jahr usw. zu erreichen). Hier kann über den loT-Hub und die zentrale Haussteuerung direkt und automatisiert Einfluss beispielsweise auf die Raumtemperatur genommen werden. Diese Vorhersage kann auch dazu genutzt werden, um bspw. ein Maximum an negativen CO2-Äquivalenten pro Jahr zu erzeugen (ohne Verlust der Aufenthaltsqualität) - um diese entsprechend handeln zu können.
In einer Weiterentwicklung der Lehre können, wenn Bestandsgebäude perspektivisch mit einer Smart-Home Steuerung nachgerüstet werden müssten, die Schnittstelle automatisch Zertifikate zur Kompensation an Bestandsgebäude übermitteln. Die Smart-Home Steuerung würde die dazu notwendige Menge an die Schnittstelle kommunizieren und die Schnittstelle würde die Zertifikate zum besten Preis einkaufen und durchreichen.
Die Erfindung wurde mittels Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind lediglich erläuternder Natur und beschränken nicht die Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist. Erkennbar für den Fachmann sind Abweichungen von dem Ausführungsbeispiel möglich, ohne dass der Schutzbereich der Ansprüche verlassen wird.
So wurden im Ausführungsbeispiel die Betriebsparameter oder die Ruheemission anhand des Gebäudes 2 ermittelt. Ebenso ist es möglich, die Informationen aus einem „Gebäudezwilling“ zu übernehmen. Insbesondere im Fertighausbau sind Überschneidungen der Betriebsparameter von Instanzen gleicher Gebäudetypen so hoch, dass eine Übernahme dieser Informationen über alle Instanzen des Gebäudetyps nur einmal ermittelt werden muss und in allen Instanzen wiederverwertet werden kann.
Insbesondere ist es möglich, Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu kombinieren.
Die Junktoren ... „und“, „oder“ und „entweder ... oder“ werden in der Bedeutung verwendet, die an die logische Konjunktion (logisches UND), die logische Adjunktion (logisches ODER, oft „und/oder“), bzw. die logische Kontravalenz (logisches Exklusiv-ODER) angelehnt sind. Insbesondere kann im Gegensatz zu „entweder ... oder“ der Junktor „oder“ das gemeinsame Vorliegen beider Operanden beinhalten.
Eine Auflistung von Verfahrensschritten hat in der Beschreibung und den Ansprüchen lediglich aufzählende Funktion der erforderlichen Verfahrensschritte. Sie impliziert keine notwendige Ordnung oder Reihenfolge der Verfahrensschritte, es sei denn, eine solche Ordnung oder Reihenfolge wird explizit angegeben oder ergibt sich für den Fachmann in offensichtlicher Weise. Ferner ergibt sich aus einer solchen Auflistung nicht deren Abgeschlossenheit.
Der Begriff „Aufweisen“ bedingt in den Ansprüchen keine abschließende Auflistung; das Vorhandensein weiterer Elemente und Schritte ist möglich.
Die Verwendung des unbestimmten Artikels „ein“ oder „eine“ schließt das Vorhandensein einer Mehrzahl nicht aus, sondern ist als „mindestens ein“ oder „mindestens eine“ zu verstehen, es sei denn, er wird als „genau ein“ oder „genau eine“ eingeschränkt.
Ferner werden im Rahmen dieser Erfindung die nachfolgenden Begriffe in der folgend angegebenen Bedeutung verstanden.
BIM-Modell (Building Information Modelling) beschreibt ein mathematisches Modell, bei dem alle relevanten Bauwerksdaten - sowohl geometrische als auch alphanumerische Informationen - in einem Informationsmodell strukturiert erfasst und gespeichert werden. Das BIM-Modell wird in der Planungs- und Entwurfsphase üblicherweise vom Architekten erstellt und beschreibt das Gebäude u.a. in seinen Abmessungen, den verwendeten Bauteilen und verwendeten Materialien.
Digitale Gebäudeakte beschreibt eine Informationssammlung, die alle relevanten Lebenszyklusinformationen zu einem Gebäude enthält. Diese Informationen können über elektronische Signaturen oder Blockchain-Mechanismen gegen Manipulation geschützt werden.
Betriebsparameter beschreiben Informationen zu einem Gebäude, die dessen innere oder äußere Umwelt abbilden, wie Innen-/Außentemperatur, insbesondere von einzelnen Gebäudebereichen, Sonneneinstrahlung, Medienzufluss und - abfluss, Luftfeuchte, PV-Leistung oder dergleichen.
Steuerparameter beschreiben Regel- oder Steuereingaben für ein Gebäude, über die steuerbare Vorgänge in dem Gebäude beeinflusst oder verändert werden können, wie beispielsweise eine Zieltemperatur für einen HeizThermostat oder einen Warmwasserthermostat, eine Lüftungs- oder Klimaanlage oder einer anderen Kühleinrichtung wie einem Kühlschrank oder einem Gefrierschrank. Medium beschreibt ein Betriebsmittel eines Gebäudes, wie beispielsweise elektrischer Strom, Wasser, Heizgas oder dergleichen, unabhängig von einer körperlichen Form, die üblicherweise zum Betreiben eines Gebäudes diesem zugeführt oder abgeführt werden.
Gebäudezwilling beschreibt ein Gebäude, das vom gleichen Gebäudetyp ist, wie ein anderes Gebäude, insbesondere baugleich oder von hoher Bauähnlichkeit zu dem anderen Gebäude ist. Insbesondere haben Gebäudezwillinge häufig identische BIM-Modelle.
Digitaler Gebäudezwilling beschreibt das digitale Abbild eines Gebäudes. Mit einem digitalen Gebäudezwilling lässt sich ein virtuelles Abbild des physischen Gebäudes (z.B. Stockwerke und Räume) inklusive der erforderlichen Gebäudetechnik mitsamt Systemen, Geräten, Sensoren und Aktoren erstellen. Basis des digitalen Gebäudezwillings ist das BIM-Modell.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Grundstück
2: Gebäude
202: Sicherungskasten
204: Stromzähler
206: Batteriemanagementsystem
208: Zisterne
210: Umrichter
212: Batterie
214: Batteriemanagementsystem
216: Ofen
218: zentrale Haussteuerung
220: loT-Hub
222: Gebäudebereich
224: Smart Access Zugangssteuerung
226: Wasserstoffkraftwerk
228: Wasserstoffspeicher
230: Infrarot-Heizelemente
232: Fußbodenheizelemente
3: Photovoltaikanlage
4: Weitverkehrsnetz
5: Betreiber-Cloud

Claims

Ein Verfahren zur dynamischen Bestimmung von Gebäudeemissionen eines Gebäudes (2), das die Schritte aufweist: a) Ermitteln einer statischen Referenz-Emissionsbilanz aus mindestens einer der Gebäudelebenswegphasen, b) Ermitteln einer dynamischen Emissionsbilanz für die Gebäudelebensweg-Nutzungsphase, wobei Schritt b) ferner aufweist: ba) Ermitteln eines Ruhebedarfs des Gebäudes (2), bb) Ermitteln eines Nutzungsprofils mindestens eines Bereichs (222) des Gebäudes (2), bc) Bestimmen von Modifikationswerten für den Ruhebedarf des Gebäudes anhand des Nutzungsprofils, bc) Modifikation des Ruhebedarfs mit den Modifikationswerten zu einem variablen Bedarf, bd) Ermittlung der Gebäudeemission basierend auf dem variablen Bedarf.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, das ferner den Schritt aufweist: ca) Bestimmen eines Schwellenwertes für die Gebäudeemissionen für einen Bemessungszeitraum, cb) Ermitteln einer Prognose über die Emissionen für den Bemessungszeitraum aus den in Schritt bd) ermittelten Gebäudeemissionen, cc) Veränderung von Steuerparametern des Gebäudes, wenn die Emissionen der Prognose den Schwellenwert überschreiten in der Form, dass die Emissionen reduziert werden.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt b) ferner mindestens einen der Schritte aufweist: be) Auslesen von Sensorinformationen, wobei die Sensorinformationen Betriebsparameter des Gebäudes abbilden.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt bb) ferner mindestens einen der Schritte aufweist: bba) Bestimmen einer Anzahl von Nutzern des Bereichs 222, bbb) Bestimmen einer Nutzungsart des Bereichs 222, bbc) Übermitteln der Gebäudeemission über eine Schnittstelle, oder bbd) Abspeichern der Gebäudeemission in einer digitalen Gebäudeakte.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Gebäudeemission aus den Schritten bbc) und bbd) in einer digitalen Gebäudeakte gespeichert werden und eine Absicherung der Daten der Gebäudeemission über Blockchain-Verfahren oder über elektronische Signaturen erfolgt.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in mindestens einem der Schritte ba), bc) oder bd) die Ermittlung auf Grundlage eines BIM-Modells erfolgt.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt ba) ferner mindestens einen der Schritte aufweist: baa) Ermitteln einer Strom-Gesamteigenproduktion, bab) Ermitteln einer Wärme-Gesamteigenproduktion, bac) Ermitteln einer Frischwasser-Gesamteigenproduktion, bad) Ermitteln einer Strom-Gesamtpufferspeicherbelegung, bae) Ermitteln einer Wärme-Gesamtpufferspeicherbelegung, baf) Ermitteln einer Frischwasser-Gesamtpufferspeicherbelegung, bag) Ermitteln eines Strom-Gesamtruheverbrauchs, bah) Ermitteln eines Wärme-Gesamtruheverbrauchs, oder bai) Ermitteln eines Frischwasser-Gesamtruheverbrauchs.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die ermittelten Werte sich auf einen Zeitraum beziehen, der kürzer ist als der Zeitraum der Lebensweg-Nutzungsphase, insbesondere kürzer oder gleich ist, wie der Quotient aus dem Zeitraum der Lebensweg-Nutzungsphase und einem ganzzahligen Vielfachen, insbesondere dem Bemessungszeitraum entspricht oder einem Tag entspricht.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner die Schritte aufweist: ea) Ermitteln eines positiven oder negativen Emissionsüberschusses, eb) Erstellung eines überschussadäquaten Emissionszertifikats und Übertragung des Emissionszertifikats vorzugsweise an eine Energiebörse, wenn der Emissionsüberschuss negativ ist, und ec) Erwerb eines überschussadäquaten Emissionszertifikats vorzugsweise von einer Energiebörse, wenn der Emissionsüberschuss positiv ist.
Ein System zur dynamischen Bestimmung von Gebäudeemissionen, das aufweist: ein Gebäude 2 mit -mindestens einem Sensor (202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218,226,228,230,232) für Betriebsparameter des Gebäudes, -einer Berechnungseinheit, die eingerichtet ist, aus Sensorinformationen des Sensors Emissionen des Gebäudes (2) anhand eines der Verfahren der vorhergehenden Verfahrensansprüche zu ermitteln.
Das System nach dem vorhergehenden Systemanspruch, das ferner aufweist: eine entfernte Datenverarbeitungseinheit (5), die eingerichtet ist, mit dem Gebäude 2 verbunden zu werden, wobei die entfernte Datenverarbeitungseinheit (5) eingerichtet ist, als Berechnungseinheit die Emissionen des Gebäudes (2) zu ermitteln oder die ermittelten Gebäudeemissionen zu speichern, oder eine Smart-Home-Steuerung, die eingerichtet ist, als Berechnungseinheit die Emissionen des Gebäudes (2) zu ermitteln oder die ermittelten Gebäudeemissionen zu speichern.