Ein Architekt sitzt über den Plänen eines neuen Bürogebäudes. Er muss über die Klimatisierung, die Anordnung der Arbeitsplätze und die Materialien entscheiden. Jede Wahl beeinflusst sowohl den Energieverbrauch als auch den Komfort der Menschen im Gebäude. Doch wie lässt sich erkennen, was am besten funktionieren wird? Bisher war dies nur anhand von Schätzungen oder statischen Simulationen möglich, deren Ergebnis erst nach Abschluss der Berechnung vorlag.
Jetzt ändert sich das. Japanische Wissenschaftler der Universität Kanazawa haben einen von künstlicher Intelligenz angetriebenen digitalen Zwilling entwickelt, der Zehntausende Entwurfsvarianten testen kann, noch bevor der erste Ziegelstein gelegt wird. Und die Ergebnisse zeigt er sofort – in Echtzeit, direkt in der virtuellen Realität.
Warum versagten die bisherigen Werkzeuge?
Städte auf der ganzen Welt drängen auf eine Senkung der Emissionen. Gebäude verbrauchen rund um die Uhr Energie und müssen gleichzeitig dafür sorgen, dass sich die Menschen darin wohlfühlen. Bei sogenannten Nullenergiegebäuden ist dieses Gleichgewicht besonders anspruchsvoll.
Die meisten heutigen Werkzeuge arbeiten mit statischen Simulationen. Das bedeutet, dass der Architekt Parameter eingibt, auf das Ergebnis wartet und erst dann etwas ändern kann. Er sieht nicht fortlaufend, wie sich Wärme, Luftströmung oder Komfort im Raum bei jeder Anpassung des Entwurfs verändern. Entscheidungen werden somit im Blindflug getroffen. Noch schwieriger ist es bei TAAC-Systemen (Task-Ambience Air Conditioning), die das Klima rund um einzelne Arbeitsplätze unabhängig vom restlichen Raum regulieren. Diese Systeme sparen nach der Installation Energie, doch bislang hatten Planer keine Möglichkeit, ihre Auswirkungen bereits in der Entwurfsphase zu testen.
Wie funktioniert das KI-Modell VEEM-ZEB?
Professor Teng von der Universität Kanazawa und sein Kollege von der chinesischen Fushou-Universität haben ein regelbasiertes symbolisches KI-Modell namens VEEM-ZEB entwickelt. Es wurde speziell für Nullenergiegebäude mit TAAC-Klimatisierung konzipiert. Der digitale Zwilling kann bereits in der Entwurfsphase den Energieverbrauch und den thermischen Komfort abschätzen. Er vermittelt den Planern ein klares Bild davon, wie sich das Gebäude tatsächlich verhalten wird, noch bevor es entsteht.
Anstatt das Gebäude als eine einzige Klimazone zu betrachten, unterteilt das System die Klimatisierung in zwei Bereiche: die Luft rund um die einzelnen Arbeitsplätze und die Luft im übrigen Raum. Dadurch lassen sich Komfort und Verbrauch gleichzeitig mithilfe der standardisierten Kennwerte PMV und PPD messen. Und hier kommt der interessanteste Teil: Eine integrierte VR-Darstellung zeigt die Ergebnisse live an. Der Architekt verändert die Anordnung, die Anzahl der Personen oder die Systemeinstellungen – und sieht sofort, wie sich dies auf den Energieverbrauch und das Wohlbefinden im Raum auswirkt.
Das System kann mit Standardparametern rund 48.000 verschiedene Entwurfs- und Betriebsszenarien ausführen. Es testet saisonale Veränderungen, unterschiedliche Personenzahlen im Büro und das Verhalten der Menschen während des Arbeitstages. Und das Ergebnis? Das Modell identifiziert zuverlässig effizientere und komfortablere Konfigurationen. Es bietet Planern eine wesentlich solidere Grundlage für die Auswahl energiesparender Lösungen zu einem Zeitpunkt, an dem Änderungen noch kostengünstig und schnell umsetzbar sind. Können Sie sich vorstellen, wie viel Geld und Zeit gespart wird, wenn Fehler auf dem Papier statt auf der Baustelle entdeckt werden?
KI beschleunigt die Planung
Was dieses Projekt außergewöhnlich macht, ist die Verlagerung der Bewertung von der Betriebsphase in die Entwurfsphase. Anstatt auf die Fertigstellung des Gebäudes und seine Inbetriebnahme zu warten, können Planer verschiedene Kühlstrategien testen, während die Pläne noch auf dem Tisch liegen.
Das System nutzt einen dreischichtigen digitalen Zwilling, der regelbasierte KI mit einer VR-Umgebung kombiniert, die auch für Nichtarchitekten verständlich ist. Architekten und Ingenieure können so Klimatisierungssysteme und Steuerungsstrategien bereits in einer frühen Phase direkt vergleichen – anhand realer Zahlen statt bloßer Vermutungen. Statt Schätzungen nach Abschluss der Bauarbeiten zeigt dieser Ansatz Energieeinsparungen und den Innenraumkomfort bereits während der Planung. Indem beide Faktoren nebeneinander dargestellt werden, hilft er den Teams zu verstehen, wie ihre Entscheidungen die tatsächliche Leistung des Gebäudes beeinflussen.
Architektur in der virtuellen Welt
Die Wissenschaftler erwarten, dass das Werkzeug in der täglichen Architekturpraxis als Entscheidungsunterstützungssystem für Nullenergiegebäude eingesetzt wird. Es wird Planern helfen, von Anfang an intelligentere Entscheidungen zu treffen, die Komfort und Energieeffizienz miteinander in Einklang bringen. Stellen Sie sich eine Architektur vor, bei der Gebäude zunächst in der virtuellen Welt „gebaut“, in Tausenden von Situationen getestet und erst danach die ersten Erdarbeiten begonnen werden. Eine Architektur, bei der die Klimatisierung danach geplant wird, wie sich Menschen tatsächlich verhalten, und nicht nach Tabellen aus Lehrbüchern. Bei der Fehler per Mausklick statt mit Abbruchgerät behoben werden.
Das japanische Projekt zeigt, dass die Zukunft des Bauwesens nicht nur in besseren Materialien oder intelligenteren Sensoren liegt. Es geht darum, dass Gebäude zweimal entstehen – zunächst im Computer, wo alle Möglichkeiten erprobt werden können, und anschließend in der realen Welt, wo sie bereits genau so funktionieren, wie sie sollen. Und das ist eine Veränderung, die Aufmerksamkeit verdient. Denn wenn Energie bereits auf dem Papier gespart wird, wird sie auch in der Praxis eingespart. Und wenn der Komfort virtuell getestet wird, spüren ihn die Menschen in den Gebäuden ganz real.
Quellen: sciencedirect.com und interestingengineering.com
