Gebäude digital – Teil 5: Wie Software die Planung von Lüftungssystemen vereinfacht

Mithilfe von Technologien wie Internet of Things (IoT), künstlicher Intelligenz (KI) und Big Data können Gebäude effizienter und nachhaltiger betrieben werden. Auch energetische Sanierungen und der Neubau von Wohnungen lassen sich durch digitale Prozesse wesentlich beschleunigen. Das Fraunhofer ISE forscht in verschiedenen Arbeitsgruppen zu digitalen Anwendungen im Bauwesen, den damit verbundenen Herausforderungen sowie Lösungen für Handwerk und Betriebe. Welche Chancen eröffnet die Digitalisierung für eine grüne Transformation des Gebäudesektors?

Für den fünften Teil unserer Innovation4E-Blogserie haben wir Sven Auerswald befragt. Der promovierte Wissenschaftler forscht seit acht Jahren am ISE, sein aktueller Schwerpunkt liegt auf dem Thema Lüftung mit Fokus auf Wohnraumlüftung.

Das Thema Lüftung ist in der Diskussion um klimaneutrale Gebäude eher unterrepräsentiert. Warum ist es dennoch relevant?

Nachhaltige Gebäude müssen systemisch so gedacht werden, dass es immer eine energieeffiziente Wärmebereitstellung, und, wie die aktuellen Hitzewellen zeigen, perspektivisch auch eine Kältebereitstellung gibt. Wenn wir das volle energetische Potenzial dieser Gebäude ausschöpfen wollen, müssen wir sie abdichten, gleichzeitig aber auch für einen kontrollierten, ventilatorgestützten Austausch des Luftvolumens sorgen. Den Mehrwert von kontrollierter Lüftung für Klima-, Gebäude- und Gesundheitsschutz hat die Deutsche–Energie-Agentur GmbH (DENA) gerade wieder anschaulich herausgearbeitet. So lässt sich das Schimmelpilzrisiko durch eine kontrollierte Lüftung halbieren, Lüftungswärmeverluste wiederum durch eine kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung um 50 bis 70 Prozent reduzieren. Laut dem Ende 2025 vorgelegten Eckpunktepapier zum nachhaltigen Gebäudetyp E soll aktuell aber noch auf mechanische Be- und Entlüftung verzichtet werden.

Das Fraunhofer ISE hat eine Softwarelösung zur Routenfindung von Lüftungsleitungen entwickelt. Wie kam es dazu?

Unser neues Tool ist im Rahmen eines großen europäischen Gemeinschaftsprojekts namens »AEGIR« entstanden. »AEGIR« vernetzt verschiedene Akteure und Akteurinnen in der Baubranche mit dem Ziel, die Entwicklung modularer, erneuerbarer und standardisierter Gebäudehüllen voranzutreiben. Ein Fokus liegt dabei auf digitalen Methoden, um die immer wieder als Argument für serielle Sanierung vorgebrachten Kosteneinsparungen tatsächlich einzulösen. Unsere Aufgabe war es, ein digitales Planungsmodul zu entwickeln, das optimale Routen für Lüftungsleitungen in der Dämmebene von Fassaden ermitteln kann.

Baut die Software auf bereits existierenden Forschungen am ISE auf?

Am ISE haben wir bereits in verschiedenen FuE-Projekten Erfahrungen in der Integration von Medienleitungen gesammelt. In einem frühen Projekt, »LowEx-Bestandsgewerbebauten«, haben wir energieeffiziente und nachhaltige Lüftungslösungen für Bestandsgewerbebauten entwickelt. Hier lag der Schwerpunkt bereits auf der Integration in Fassaden. Im Folgeprojekt »RetroKit« haben wir diesen Ansatz durch die Entwicklung modularer Bausätze, mit denen man Fassaden unkompliziert nachrüsten kann, erweitert. Ziel war auch hier die vereinfachte Integration von Medienleitungen. Doch trotz vieler Demonstratoren sowie des ökologischen Mehrwerts und des wirtschaftlichen Potenzials serieller Sanierung, wagen sich nur wenige Planungsbüros im Tagesgeschäft an diesen Ansatz. In »FIHLS«, einem weiteren Projekt, ist uns schließlich klar geworden, dass es eines Austauschformats zur besseren Koordination der einzelnen Gewerke, die an Baumaßnahmen beteiligt sind, bedarf, um die Lüftungsintegration effizient planen und umsetzen zu können. Damit war die Idee für ein digitales Tool geboren.

Wie funktioniert die Software?

Unsere Software liegt aktuell in einer Beta-Version vor. Sie kann Bilder von Gebäudefassaden mit markierten Bereichen wie Fenstern und weitere Informationen, etwa zu Volumenströmen, erfassen. Daraus leitet sie einen virtuellen Verlegeplan für Lüftungsleitungen in der Fassade ab. Wir behandeln die Gebäudefassaden wie einen digitalen Faltplan – formal ähnelt dieser den Bastelvorlagen für Papierhäuser, wie sie Kinder gerne benutzen. Technisch gesprochen, arbeiten wir also mit einer zweidimensionalen Domain, in der wir virtuelle Leitungen verlegen. Die eingebaute Routing-Funktion verarbeitet dann eine Vielzahl an Informationen: die Gesamtlänge der notwendigen Kanäle, die Anzahl der erforderlichen Komponenten, Druck- und Wärmeverluste oder Leckagen. Die zu erwartenden Kosten von Investition, Betrieb und Wartung werden automatisch mitberechnet.

Wurde die Software bereits in der Praxis getestet?

Ja, einen Großteil der mathematischen Regeln für unsere Software haben wir zunächst von der Beschaffenheit eines Mehrfamiliengebäudes in Høje-Taastrup in Dänemark abgeleitet. Bei der Übertragung auf ein etwas komplexeres Gebäude – ein Seniorenheim in Boën-sur-Lignon, Frankreich – konnten wir zeigen, dass unser Programm funktioniert.  Das war ein wichtiger Meilenstein.

Was ist neu am Ansatz des Fraunhofer ISE?

Für die Binnenplanung von Gebäuden bzw. das Verlegen von Lüftungsleitungen im Gebäude sind bereits 3D-Planungstools auf dem Markt. Neu an unserem Tool ist die Berücksichtigung baurechtlicher Normen, z. B. von Brandschutzauflagen bei Integration in die Fassade. Auch bezieht die Software architektonische Besonderheiten oder bauliche Einschränkungen mit ein, die die Lüftungsintegration in die Fassade bei traditionellen Ansätzen erschweren. Dadurch reduzieren wir die Hürden für Planer, die sich im Tagesgeschäft mit ständig neuen Regularien auseinandersetzen müssen. Gleichzeitig unterstützen wir sie dabei, eine fassadenintegrierte Lüftungslösung überhaupt anzugehen.

Was ist der Mehrwert für Nutzer*innen?

Mit unserem Sanierungsansatz – der TGA-Integration (TGA = Technische Gebäudeausrüstung) in die Dämmebene der Fassade – können Gebäudesanierungen im bewohnten Zustand bzw. ohne Eingriff in die Bausubstanz geplant werden. Damit adressieren wir eine zentrale Herausforderung für Gebäudeeigentümer. Denn die Organisation von Ersatzwohnungen für Mieter, die ihre Wohnungen im Zuge von Sanierungsarbeiten verlassen müssen, stellt einen wesentlichen Kostenfaktor für Wohnbaugesellschaften dar. Mithilfe der Software kann der Sanierungsprozess von der Vorplanung über die Entwurfs- bis zur Ausführungsphase außerdem deutlich verkürzt werden. Auch kann ein Investor frühzeitig über den Mehrwert eines fassadenintegrierten Luftverteilnetzes für sein Gebäude informiert werden.

Für wen ist die Software geeignet? Ist eine Vermarktung der Lösung geplant?

In »AEGIR« arbeiten wir mit Westaflex, einem Hersteller von Lüftungsleitungen, zusammen. Die von uns programmierte Software soll es unserem Partner ermöglichen, anhand der Gebäudedaten eines potenziellen Auftraggebers die mögliche Verlegung von Lüftungsleitungen in der Dämmebene einer Fassade zu prüfen, zu bewerten und schließlich zu planen. Primär adressieren wir also Systemanbieter für die Medienbereitstellung im Gebäude, bisher mit Fokus auf fassadenintegrierte Lüftungssysteme. Eine weitere Zielgruppe wären TGA-Fachplaner, die sich auf die Integration in die Gebäudehülle spezialisieren wollen. Unser Ziel ist es, unsere Software nun kundenspezifisch mit weiteren Partnern aus diesen Bereichen weiterzuentwickeln.

Haben sich aus dem Projekt weitere Forschungsfragen ergeben? Wo besteht weiterer Entwicklungsbedarf?

Aktuell arbeiten wir z. B. am Entwurf eines Ökodesign-Labels für die Lüftungsverteilung, das sich an einem Label der EU (EU 1254/2014) für Lüftungsgeräte orientiert. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Hülle von Gebäuden, die sehr große Luftvolumenströme erfordern – z. B. Schulen –, um neue Luftleitungen herum geplant werden muss. Hier ergibt sich eine andere Logikabfolge mit eigenen Anforderungen an die Optimierung. Auch wollen wir die Möglichkeiten der Dateneingabe erweitern, sodass ein Nutzer künftig etwa einfach ein Foto vor dem Gebäude stehend aufnehmen kann und direkt einen ersten Entwurf erhält. In einem weiteren Schritt möchten wir die Nutzererfahrung weiterentwickeln, indem wir eine echte grafische Benutzeroberfläche erstellen. Außerdem soll die Funktionalität durch den Einbezug weiterer Leitungskomponenten und möglicher Medien (u. a. Wasser, Elektro, etc.) ausgeweitet werden.

Mit »AEGIR« endet auch deine Zeit am Fraunhofer ISE. Was nimmst du mit?

Vor allem nehme ich für mich mit, dass die Forschung am ISE eine immense Spannweite praxisrelevanter Themen bereithält, die man mit einem tollen Kollegium bearbeiten kann. In Bezug auf meinen Fokus der letzten Jahre vorwiegend die Erkenntnis, dass wir unsere wichtigste Ressource – die Luft, die wir atmen – mehr wertschätzen sollten. Daher freue ich mich, dass mein Noch-Teamleiter und Kollege Björn Nieborg diese Arbeiten weiterverfolgen möchte.