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Die energetische Sanierung des Gebäudebestandes ist für den Klimaschutz ein zentraler Punkt. Eine belastbare Planung von Konzepten für die energetische Gebäudesanierung setzt eine Integration von Unsicherheiten und das Auffinden von optimalen Lösungen unter Berücksichtigung unterschiedlichster Sanierungsziele voraus. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb eine Methode zur robusten Optimierung für die energetische Sanierung von Gebäuden unter Berücksichtigung unsicherer Randbedingungen entwickelt., The renovation of the building stock plays an important role to achieve climate change mitigation goals. The optimal planning for the refurbishment of buildings requires an integration of uncertainties as well as the finding of optimal solutions taking into account more than one renovation objectives. This dissertation develops a method for the robust optimization for the refurbishment of buildings under uncertain boundary conditions.

With the uprising awareness for climate change and environmental protection, climate responsive building design is recognised to be a key factor for a sustainable and secure global energy future. Although the developed world has done some progress to implement innovative strategies to reduce the energy demand of buildings, developing countries are only starting to tap into saving potentials. In the future, energy demand will increase in developing countries because of population growth, fast urbanisation and increasing welfare. Energy will be consumed more and more by buildings in the fast growing urban centres. Like other developing countries, Nepal's weak energy supply system cannot fulfil the growing demand, which, consequently, leads to regular power cuts and supply shortages. This has an adverse impact on daily life and economic growth. The lack of awareness and regulations on energy efficiency is worsening the energy demand-supply gap. On the other hand, the knowledge about effective measures to reduce building energy consumption through climate-responsive design and efficient technologies is low. The aim of this PhD research is to fill this knowledge gap by providing recommendations for transforming the buildings sector of Nepal towards more energy efficiency. This study lays important groundwork for developing standards and regulations on energy efficiency in buildings for Nepal by focusing on three essential areas: 1. Vernacular knowledge, 2. Climate and design, 3. Energy-efficient design. The results of this research show that vernacular architecture of Nepal is very well adapted to the local climate. Traditional houses within the same climate zone have similar passive design features that should be also applied to modern buildings in order to reduce the energy demand for heating and cooling. The climatic diversity within the Nepalese territory led to the development of a bioclimatic zoning which is an essential prerequisite for the introduction of a build, Die Folgen des Klimawandels und steigendes Umweltbewusstsein haben dazu geführt, dass Energieeffizienz und klimagerechtes Bauen als Schlüsselfaktor für eine nachhaltige globale Energiezukunft gesehen werden. Obwohl die Industrieländer schon einige Fortschritte in der Umsetzung innovativer Strategien zur Reduzierung des Gebäudeenergiebedarfs gemacht haben, beginnen die Entwicklungsländer erst langsam solche Einsparpotenziale zu erschließen. Der globale Energiebedarf wird aufgrund des Bevölkerungswachstums, der stetigen Urbanisierung und des zunehmenden Wohlstandes vor allen in Entwicklungsländern steigen. Energie wird dabei mehr und mehr von Gebäuden in den schnell wachsenden urbanen Zentren verbraucht. Wie andere Entwicklungsländer, kann Nepals schwache Energieversorgung die wachsende Nachfrage nicht erfüllen, was zu regelmäßigen Stromausfällen und Energielieferengpässen führt. Dies hat einen negativen Einfluss auf das tägliche Leben und das Wirtschaftswachstum. Das Fehlen von Bestimmungen und Standards für Energieeffizienz und das mangelnde Bewusstsein für diese Fragen werden langfristig die Versorgungslücke verschlechtern. Auf der anderen Seite, ist die Wissensbasis über wirksame Maßnahmen zu Reduzierung des Gebäudeenergieverbrauchs durch klimagerechtes Bauen und effiziente Technologien sehr gering. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, mit der Entwicklung von technischen und regulativen Empfehlungen diese Wissenslücke zu füllen. Mit dem Fokus auf traditionellem Wissen, Klimazonierung und energieeffizientem Gebäudedesign legt diese Forschungsarbeit wichtige Grundlagen für die Entwicklung von Standards und Vorschriften zur Energieeffizienz in Gebäuden im Kontext des Entwicklungslandes Nepal. Die Ergebnisse dieser Forschung zeigen, dass die traditionellen Bauweisen in Nepal sehr gut an das lokale Klima angepasst sind. Traditionelle Häuser in der gleichen Klimazone verwenden ähnliche passive Designkonzepte, die auf moderne Gebäude übertragen werden könnten, um deren E

In addition to the correspondence to cultural background and social customs, it is commonly acknowledged that traditional buildings embed many climatically responsive features which contribute to the achievement of indoor thermal comfort. Vernacular architecture was always adopting physical principles which were processed within the urban settings and the building as an integrated structure. This research examines the potentials of traditional building methods in hot-arid climate to assess the role of common features incorporated within. A principle passive design strategy is determined and different nominated features are examined through the empirical study within a holistic passive framework. Assessments focused on the impact of different features and building material, as well as the interoperability of those features within the integral passive system. The experimental study employed different thermal simulation tools, i.e. TRNSYS 17 and computational fluid dynamics (CFD). Simulation models were validated against field measurements of indoor temperatures for selected cases. A comparative analysis was applied to adopt a case which showed the validity to be introduced as an integrated model for passive design. The analysis verified the role of thermal mass and shading mechanisms in lowering the indoor temperature. An equation to predict the air change rates was subsequently inferred from the aggregated results obtained through the CFD modelling for the adopted case. The air flow analysis addressed the role of the courtyard and fenestration system in the natural ventilation process. Through thermal simulations and air-flow modelling the empirical work demonstrated the influence of the adopted features on lowering the indoor temperature and improving the indoor air quality. The study confirms the contribution of such methods to the enhancement of the indoor thermal comfort and energy efficiency., Traditionelle Architektur folgt nicht nur der kulturellen Herkunft und erfüllt gesellschaftlichen Anforderungen der jeweiligen Zeit, sondern diese Gebäude erreichen oft ein hohes Maß an thermischer Behaglichkeit ohne den Einsatz aktiver Kühl- und Heizsysteme. Traditionelle Gebäude wurden immer unter Annahme physikalischer Prinzipien als integrierter Bestandteil des städtischen Kontexts entwickelt. Diese Dissertation untersuchte die Potenziale traditioneller klimagerechter Entwurfsstrategien und Bautechnologien in heiß-trockenen Klimaregionen, um die Rolle der angewendeten Gebäudemerkmale zu beurteilen. Dazu wurde eine Hauptstrategie fürs Passivdesign festgelegt. Durch eine empirische Studie wurden dann verschiedene vorgeschlagene Gebäudemerkmale im Hinblick eines ganzheitlichen passiven Entwurfskonzepts überprüft. Der Schwerunkt der Bewertung lag auf der quantitative Bedeutung der Gebäudemerkmale und der Baustoffe zur Erreichung von thermischer Behaglichkeit Außerdem wurde die Kompatibilität der Merkmale innerhalb des integralen passiven Systems analysiert. Für die experimentelle Untersuchung wurden unterschiedliche thermische Simulationstools, wie zum Beispiel TRNSYS 17, und numerischen Strömungssimulation (CFD) verwendet. Dabei fand eine Validierung der Simulationsmodelle mit Feldmessungen der Raumtemperaturen für ausgewählte Fallstudien statt. Mit Hilfe einer Vergleichsanalyse wurde die Gültigkeit einer Fallstudie im integrierten passiven Entwurfsmodell aufgezeigt. Die Analyse bestätigte, dass thermische Gebäudemasse und Verschattung die Hautmechanismen zur Senkung der Innenraumtemperaturen sind. Durch die CFD-Modellierung der Fallstudie konnte eine Gleichung für die Berechnung der Luftwechselraten erstellt werden. Die Luftstromanalyse untersuchte die Rolle des Innenhofes und der Fensteröffnungen in Bezug auf die natürliche Belüftung. Durch thermische Simulationen und Luftströmungsmodellierung hat diese empirische Arbeit den Einfluss der angepassten Gebäudemerkma

Die EPBD 2010 fordert ab 2021 den Niedrigstenergiestandard für Neubauten (nZEB). Die Arbeit untersucht das Potential von Nichtwohngebäuden mit hohem Energiebedarf in Bezug auf diesen Standard. Sie zeigt anhand einer empirischen Potentialstudie, dass lediglich 2,3 % aller öffentlichen Neubauten den Standard nicht erreichen würden. Anhand thermischer Simulation wird nachgewiesen, dass auch derartige Typologien (Laborgebäude) nZEB sein können. Der Niedrigstenergiestandard ist bereits jetzt für alle Gebäudetypologien ein realisierbarer Ansatz auf dem Weg zu einem klimaneutralen Gebäudebestand., The EPBD 2010 calls for the Nearly Zero Energy Building (nZEB) Standard for new buildings from 2021 onwards. The study examines the potential of non-residential buildings with high energy demands in relation to this standard. Based on an empirical potential study, it shows that only 2.3% of all public new buildings would not reach nZEB standard. On the basis of thermal simulation it is proved that also such typologies (laboratory buildings) can be nZEB. The nZEB standard is already a feasible approach for all building typologies on the way to a climate-neutral building stock.

Die vorliegende Arbeit beschreibt ein Vorgehen zur Identifikation einflussreicher Parameter auf den Output von Anlagen- und Gebäudesimulationen. Der Untersuchungsgegenstand basiert auf einem Referenzraum nach Niedrigstenergiestandard und einer regenerativen Wärme- und Kälteversorgung. Durch Anwendung von Sensitivitätsanalysen und Optimierungsverfahren werden die einflussreichsten Parameter identifiziert. Als Zielfunktion wird die Stundenanzahl innerhalb des Behaglichkeitsbandes definiert., In this work, a simulation tool and an analysis framework are introduced to optimize a reference room based on a nearly-zero energy standard by means of a regenerative heating and cooling concept. The most influential parameters on the simulation output are identified by a sensitivity analysis and optimized on the maximum of hours in the comfort band.

In this thesis a simplified framework and design decision support tool was developed to aid designers and architects in the domain of multidimensional optimization of building facades. The framework depends on the flexibility of parametric modeling and uses several simulation software for the building performance assessment. Pareto Genetic Algorithms were used for multi-objective optimization. A visualization dashboard was developed to facilitate the analysis and visualization of optimization and simulations results. Case studies were used to demonstrate the framework’s potential and its usability., Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein vereinfachtes Entwurfswerkzeug entwickelt, das Designer und Architekten bei der mehrdimensionalen Optimierung von Gebäudefassaden unterstützt. Das Numerische Verfahren passiert auf einer parametrischen Modellierung und verwendet mehrere Simulationswerkzeuge für die Bewertung der Gebäudeperformance. Pareto Genetische Algorithmen wurden zur mehrdimensionalen Optimierung eingesetzt. Um die Analyse und Visualisierung von Optimierungs- und Simulationsergebnissen zu erleichtern, wurde ein Visualisierungs-Dashboard entwickelt. Anhand von Fallstudien wurde das Erreichen der genannten Ziele nachgewiesen.

Das Zusammenspiel von Klimawandelauswirkungen und Urbanisierung erfordert die besondere Aufmerksamkeit der Stadtentwicklung. So sind laut Baugesetzbuch Klimaschutz und Klimaanpassung "insbesondere auch in der Stadtentwicklung" zu fördern. Doch die kommunale Klimapolitik ist in komplexe institutionelle Strukturen eingebunden: Nach Art. 28 GG kommt den Gemeinden zwar die Planungshoheit zu, die föderalen Strukturen des Staatsaufbaus begrenzen aber zugleich die Handlungsspielräume der Gebietskörperschaften., Climate change in combination with urbanization means special challenges to local governments and urban planning. The Federal Building Code specifies that climate mitigation and adaptation measures should be especially enhanced in urban development. According to the German constitution, municipalities hold communal planning sovereignty. But the federal structures also limit the room to maneuver for German municipalities. Since they are part of the executive force, they are also subject to diverse constraints and dependencies from multiple institutions.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines ganzheitlichen, dynamischen Stoffstrommodells zur Ermittlung der stofflichen Zusammensetzung des Wohngebäudebestands (Rohstoffkataster) und die durch den urbanen Wohnungsbau ausgelösten Stoffströme. Hierbei wurden materielle Kennwerte auf Gebäude-, Bauteil- und Baustoffebene mit geometrischen Kennwerten aus 3D-Stadtmodellen verknüpft, um den IST-Zustand abzubilden. Dieser dient als Basis für die weiteren Berechnungen im Modell (z. B. Anteil an verwertbaren Massen, Bauabfällen, Systemverlusten, zeitliche- und örtliche Freisetzung etc.). Anhand des Fallbeispiels München-Freiham wurde die Arbeit validiert., This thesis describes the development of a holistic and dynamic material flow model for determining the material composition of the housing stock (material cadastre) and the material flows triggered by urban housing. Material characteristics at building-, component- and material- level were linked with geometric data from 3D city models to identify the stocks composition. This serves as the basis for further calculations within the model (e. g. proportion of recyclable masses, construction waste, system losses, temporal- and spacial release etc.). The case study of Munich-Freiham was used to validate the model.

Diese Arbeit adressiert die Schwierigkeit komplexe Liegenschaften schnell, einfach und fundiert energetisch zu bewerten. Der Lösungsvorschlag ist die Referenzraummethode mit 1-Zonenmodellen von typischen Räumen eines Gebäudes, den Referenzräumen. Anschließende Skalierung und Korrektur der Raumergebnisse bestimmen den Gebäudeenergiebedarf. Eingebundene statistische Verfahren zur Beachtung von Unsicherheiten und Parameterkombinationen erlauben das Ergebnis zu verifizieren und fundiert zu bewerten., The developed approach “Referenzraummethode“ shows, how complex buildings can be easily, quickly and reliably assessed. Therefore the energy demand for heating and cooling is developed by single rooms based on one-zone models. A subsequent process of scalability and of adjustment determines the building energy demand. Statistical methods focusing on uncertainty and input parameter variations are included. Based on them, results can be discussed reliably and also verified and evaluated easily.

The existing office building stock is an important object for energy retrofits to substantially reduce adverse impacts on the environment, human health, and the economy. This study establishes a model-based method to support design teams in making informed multi-criteria decisions for energy-efficiency solutions at the early design stage. The methodology provides an integrated framework to identify the stakeholders’ requirements and potential energy efficiency measures, to build and optimize a large design space, and to determine the best solutions, in a holistic way., Die energetische Sanierung des Bürogebäudebestands ist von großer Bedeutung für die wirkungsvolle Reduktion der negativen Auswirkungen des Einsatzes fossiler Brennstoffe auf die Umwelt, die menschliche Gesundheit und die Wirtschaft. Hierzu wird eine modellbasierte Methodik vorgestellt, die es künftig Architekten und Ingenieuren erlaubt, bereits in frühen Entwurfsphasen komplexe Fragestellungen zur Realisierung energieeffizienter Gebäude wirkungsvoll zu bearbeiten. Die Methodik stellt ein integriertes Rahmenwerk zur Verfügung, um die Anforderungen der Entscheidungsträger sowie die potenziellen Energieeffizienzmaßnahmen zu identifizieren. Hierbei wird eine Vielfalt möglicher Entwurfsoptionen berücksichtigt, um auf der Basis eines ganzheitlichen Arbeitsansatzes die beste Lösung zu bestimmen.