Der Artikel kompakt zusammengefasst
- Für den nachhaltigen Entwurf und Betrieb von Zweckgebäuden wird die Integrale Planung mit der Arbeitsmethodik BIM und einer engmaschigen Einbindung aller beteiligten TGA-Gewerke immer wichtiger, denn die Anforderungen, die aus energetischer, funktionaler, sozialer und gesundheitlicher Sicht gestellt werden, sind mittlerweile überaus komplex.
- Entsprechend bedeutsam ist eine konsequente, umfassende Digitalisierung aller Betriebsprozesse, insbesondere der Vernetzung von HLKS und MSR / GA durch die Elektrotechnik.
- Unverzichtbare Grundlage dafür ist eine eindeutige Zuordnung sämtlicher Installationskomponenten mit ihren Mess- und Steuergrößen über ein eindeutiges Kennzeichnungssystem, das mit allen zentralen Informationen hinterlegt ist und über die Kollaboration der Gewerke sowie in der anschließenden Betriebsphase konsequent fortgeschrieben wird.
Viega
Nachhaltiges Bauen bedeutet nicht nur „ökologisches Bauen“, beispielsweise im Sinne der eingesetzten Baustoffe. Nachhaltiges Bauen bezieht vielmehr genauso die auf Energieeffizienz ausgerichtete Planung und den ressourcenschonenden Betrieb des Objekts mit ein. Wie engmaschig dazu von Anfang an die Verzahnung zwischen den Gewerken der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA) sein muss, demonstriert die „Viega World“. Das Seminarcenter ist ein Leuchtturmprojekt für die Integrale Planung mit der Arbeitsmethodik BIM.
Die frühzeitige und weitreichende Abstimmung von HLKS (Heizung/Klima/Lüftung/ Sanitär), Elektro- und MSR-Technik (Gebäudeautomation) war im Rahmen des Planungs- und Bauprozesses die entscheidende Voraussetzung, das Seminarcenter „Viega World“ hochgradig vernetzt betreiben und so – beispielsweise – regenerative Energieeinträge effizient auf die tagesindividuellen Lastkurven abgestimmt nutzen zu können.
Sensoren und Aktoren aus HLKS, die Verdrahtung aus dem Gewerk Elektro und die durch MSR verantworteten Controller sowie die Datenpakete für die Gebäudeleittechnik (GLT) sind hier in einem kollaborativen Prozess zu einer integrierten Leistungskette in einer konsequent digitalisierten TGA verschmolzen.
Klare Zielfestlegungen für die Planung
Als die „Viega World“ vor mehr als zehn Jahren konzipiert wurde, stand ein übergeordnetes Planungsziel von Anfang an fest: Das Gebäude sollte zu einem Referenzprojekt für das digitale Planen, Bauen und Betreiben werden. Die ausgewiesene Qualität der Planung und der handwerklichen Ausführung spielte dabei in der Zielfestlegung eine ebenso wichtige Rolle wie die Ansprüche an die hier vorgesehenen Veranstaltungen.
Darüber hinaus sollten Erkenntnisse für ein digital gestütztes Gebäudemanagement gewonnen werden, um auch in der Betriebsphase die Ansprüche der zertifizierten Nachhaltigkeit dauerhaft zu erfüllen: Die Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) hat der „Viega World“ die höchste Auszeichnung in Platin mit einem Erfüllungsgrad der Nachhaltigkeitskriterien von 89,1 % verliehen.
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Angesichts der technologischen und funktionalen Komplexität des Seminarcenters mit stark schwankendem Nutzungsprofil wurde der Neubau vor diesem Hintergrund bereits ab der Entwurfsphase durch das Forschungsprojekt „Energie.Digital“ begleitet, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK; zuvor: BMWi).
Die teilnehmenden Wissenschaftler des „Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme ISE“ und „e3D – Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen“ an der RWTH Aachen University fokussierten sich dabei vor allem auf die Entwicklung einer durchgängigen und systematischen Methode zur Verknüpfung und Integration der Domänen Technische Gebäudeausrüstung und Gebäudebetrieb in Building Information Modeling (BIM) mit Anbindung an Computer-Aided Facility Management (CAFM).
Umfassender digitaler Zwilling
Das umfasste unter anderem die Erarbeitung einer konsistenten Repräsentation der energierelevanten Eigenschaften von TGA in BIM, die Nutzung der Technologie „Linked Data“ sowie die Entwicklung von Methoden zur deutlichen Reduktion der Komplexität von digitalen Modellen der TGA. Im Ergebnis entstand ein digitaler Zwilling, der sowohl die Leistungsdaten der „Viega World“ mit ihrer TGA abbildet als auch ein lückenloses Monitoring zur Optimierung der Betriebsprozesse ermöglicht (Bild 2).
Zum umfassenden Monitoring wurden deshalb bereits im BIM-Modell der „Viega World“ mehr als 11.000 über die Elektrotechnik vernetzte Datenpunkte für alle energierelevanten Installationen definiert, insbesondere in den Gewerken Heizen / Kühlen und Trinkwassererwärmung. Die hier hinterlegten Informationen konnten später zur Parametrierung der installierten Objekte in der Inbetriebnahmephase genutzt werden.
Für die erfolgreiche Zuordnung und Abstimmung der Sensoren bzw. Aktoren mussten dabei unter anderem diese Voraussetzungen erfüllt sein:
- Ein einheitliches Klassifikationssystem für Objekte und Attribute hatte die funktionalen Zusammenhänge der Gebäudeautomation (GA) zu erfassen.
- Über die Auftraggeber-Informations-Anforderungen (AIA) sowie den BIM-Abwicklungsplan (BAP) waren konkrete Vereinbarungen zum Informationsmanagement zu treffen, also zum Gegenstand, Fertigstellungsgrad und Zeitpunkt von Informationslieferungen.
- Die schon in der Entwurfsphase zwingend eingeforderte Zusammenarbeit der Gewerke (Kollaboration), um auf die initiale Expertise des Einzelnen aufsetzend einen kontinuierlichen Prozess der Informationsweitergabe und betriebsrelevanten Informationsqualifizierung sicherzustellen – und BIM so ganzheitlich gedacht in die Umsetzung zu bringen (Bild 3).
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Kennzeichnungssystem entscheidend
Umgesetzt wurden diese Anforderungen im Projekt „Viega World“ durch die Organisation des BIM-Modells anhand einer klar definierten Ordnungsstruktur. Dafür sind die Informationen auf verschiedenen Ebenen strukturiert und eindeutig gekennzeichnet, beispielsweise nach Gebäude, Bereich, Raum, Segment, Trasse, Anlage und System. Das Kennzeichnungssystem (KS) sorgt für eine eindeutige Identifikation sämtlicher Objekte und Informationen (Bild 4).
Die Kombination aus Ordnungsstruktur und Kennzeichnungssystem bildet die Grundlage für eine durchgängige Informationsverwaltung über den gesamten Gebäudelebenszyklus. Sie ermöglicht die eindeutige Zuordnung von Bauteilen, technischen Anlagen und Systemen bis hin zu einzelnen Datenpunkten der Gebäudeautomation.
Die im Projekt „Viega World“ gewonnenen Erkenntnisse entsprechen dabei wesentlichen Grundprinzipien, die heute in DIN EN ISO 19650 für das strukturierte Informationsmanagement von Bauwerken verankert sind. Nur durch eine derart konsistente Struktur und eindeutige Kennzeichnung können Informationen über Planung, Bau und Betrieb hinweg verlustfrei verknüpft und im Sinne eines digitalen Gebäudebetrieb genutzt werden.
Mit dem BIM-Modell als Grundlage wird das KS dadurch zur entscheidenden Arbeitsgröße sowohl für die Planung der Gebäudeautomatisation als auch nachfolgend des digitalen Facility-Management-Systems (FM): Über das KS können aus dem Modell bzw. aus der dahinter liegenden Datenbank durch die (abgestimmt verlässliche) Attribuierung eindeutig die Informationen abgerufen und somit nutzbar gemacht werden, die für den – in diesem Betrachtungsfall – energieeffizienten wie hygienischen Betrieb der Trinkwasser-Installation notwendig sind.
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Daten über Webclient im Zugriff
Von einer solchen Datendurchlässigkeit können, zeigte das Forschungsprojekt „Energie.Digital“ am Beispiel der „Viega World“, im Idealfall alle Gewerke profitieren, die mit dem Facility Management betraut sind: Über einen Webclient mit Visualisierungstool wird es zum Beispiel möglich, die verschiedenen Systeme der TGA zu betrachten oder über einen Livedaten-Connector die Trenddaten der vergangenen 60 Minuten auszulesen. Ohne aufwendige Bestandsaufnahmen oder Messungen vor Ort sind dadurch zum Beispiel energetische Optimierungsmöglichkeiten oder potenzielle Risiken im Gebäudebetrieb – beispielsweise Abweichungen von der Solltemperatur von Trinkwasser warm (PWH) – unmittelbar zu identifizieren (Bild 5).
Bedarfsbezogene Modellorganisation
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Die anforderungsgerechte Steuerung der TGA in einem Zweckgebäude wie der „Viega World“ lebt zwingend von umfassenden Daten. Die in „Planungsphase 0“ im Lastenheft definierten Anforderungen flossen bei der Konzeption der „Viega World“ daher auch unmittelbar in die Modellorganisation ein. Sie hatten so wesentlichen Einfluss auf das Erreichen wichtiger Prozessziele, beispielsweise den „Erhalt der Trinkwassergüte“: Die Überdimensionierung von Rohrleitungen konnte vermieden (Nutzungsprozesse auf Segment-/Raumebene) und eine getrennte Trassenführung für kalte und warme Medien (Trassenkonzept) vorgesehen werden.
Auch die separate Leitungsführung für Kalt- und Warmwasserleitungen (geometrische Ausdetaillierung auf Segmentebene) oder die systemische Betrachtung von Trinkwasser-Management-Systemen (Regelung auf Systemebene) liegen darin begründet. Die Überwachung des Anlagenbetriebs wiederum basiert auf digitalen Funktionsbeschreibungen und dem Benchmarking von Performanceindikatoren auf der Ebene von Informationscontainern. ■
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Viega / Toelle Studios
