Entwicklung eines Algorithmus zur Analyse und Optimierung von Gebäudeerstellungs- und Bauteilökobilanzen

Abstract

Mit den derzeit auf dem Markt verfügbaren Computerprogrammen zur Ökobilanzierung lassen sich nach dem Prinzip der ganzheitlichen Bilanzierung Ökobilanzen für Gebäude erstellen. Die Vielzahl der in die Berechnungen eingehenden Daten und die verschiedenen Kriterien, die in die Bilanzierung eingehen, führen jedoch zu einer sehr hohen Komplexität. Wird während der Planungsphase eines Gebäudes festgestellt, dass für ein bestimmtes Kriterium Verbesserungs-bedarf besteht, so ist es meist nur unter hohem Zeitaufwand möglich, Optimierungspotentiale in der Baustoffzusammenstellung zu erkennen, da die Wahl eines anderen Baustoffs mit besseren Werten in dem einen Kriterium im Gegenzug oftmals zu weit schlechteren Werten in anderen Kriterien führt.

Diese Arbeit befasst sich deshalb mit der Entwicklung eines Optimierungsalgorithmus und dessen Implementierung in ein Computerprogramm „ÖkoBOA“, das automatisch aus einem Bauteilkatalog die nach den Vorgaben des Users bestmögliche Bauteilzusammenstellung liefert. Eine Analysefunktion soll zusätzlich einen schnellen Überblick über die in einem Gebäude verwendeten Bauteile und Baustoffe, sowie deren Beitrag zur Ökobilanz der Gebäudestruktur ermöglichen. ÖkoBOA dient zur Erstellung von Ökobilanzen einer Bauteil- oder Gebäudestruktur in der Entwurfs- oder Planungsphase eines Gebäudes und bietet die Möglichkeit, schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt Aussagen über den Einfluss der Baustoff- und Bauteilauswahl zu treffen. Die Ergebnisse des Programms können dann in den weiteren Planungsprozess einfließen und den Planer bei seinen Entscheidungen über die Baustoff-/Bauteilauswahl unterstützen. Nach der Festlegung auf die zu verwendenden Baustoffe/Bauteile kann dann mittels der bereits existierenden Systeme eine ganzheitliche Bilanzierung des Gebäudes vorgenommen werden.

Betrachtet werden die Ökokriterien Treibhauspotential, Versauerungspotential, Eutrophierungspotential, Ozonbildungspotential, Ozonschichtabbaupotential, erneuerbare Primärenergie, nicht erneuerbare Primärenergie und Primärenergie gesamt. Diese unterschiedlichen Ökokriterien sind nicht direkt miteinander vergleichbar und können deshalb nicht einfach zu einer Gesamtsumme aufaddiert werden. Zwar existieren einige Ansätze zur Aggregation der verschiedenen Ökokriterien, ein rein objektiver Ansatz ist jedoch bis heute noch nicht entwickelt worden. Deshalb wurde bei der Erstellung von ÖkoBOA davon abgesehen, mit fest vergebenen Wichtungsfaktoren zu arbeiten. Dem User ist es somit möglich, mittels der eingeführten „nutzerbezogenen Wichtungsfaktoren“ je nach Bedarf und unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen die unterschiedlichen Ökokriterien frei miteinander zu aggregieren und somit eine auf das spezielle Bauprojekt und dessen Rahmenbedingungen abgestimmte Ökobilanz zu generieren. Zur Erstellung von ÖkoBOA wurde auf die im DAfStB/BMBF-Verbundforschungsvorhaben „Nachhaltig Bauen mit Beton“ (NBB) ermittelten Ergebnisse zurückgegriffen. Das Programm nutzt das im Rahmen desselben Projekts entwickelte Online-Informationssystem „NBB-Info“ als Plattform und ist auf diesem nach Abschluss des Promotionsverfahrens frei zugänglich. ÖkoBOA besteht aus 16 Modulen, die HTML-, PHP- und SQL-Code enthalten. Diese Module greifen auf insgesamt 23 SQL-Tabellen zu, die zusammen eine relationalen Datenbank bilden und die benötigten Daten enthalten.

Dem User ist es nun möglich, selbständig aus einem vorliegenden Bauteilkatalog die für ein Gebäude benötigten Bauteile auszuwählen und eine Ökobilanz der Gebäudestruktur berechnen zu lassen. Die Analysefunktion bietet außerdem die Möglichkeit, die einzelnen Anteile der verschiedenen Bauteile und darin enthaltener Baustoffe an der Gebäudeökobilanz zu ermitteln. Hierdurch lassen sich schnell die Bauteile und Baustoffe identifizieren, die das größte Einsparpotential bieten. Zusätzlich können zwei unterschiedliche Gebäudevarianten direkt miteinander verglichen werden, um objektive und quantitative Aussagen über die Vor- und Nachteile der beiden Varianten treffen zu können. Kernfunktion des Programms ist die automatische Ermittlung der optimalen Gebäudevariante. Ermöglicht wird dies durch die Einführung der Bauteilgruppe als funktionelle Einheit und der vom User festgelegten nutzerbezogenen Wichtungsfaktoren. Hierdurch kann die Bauteilkombination für die hinsichtlich der jeweiligen Anforderungen optimale Gebäudestruktur bestimmt werden.

With the computer programs for life cycle assessment currently available on the market it is possible to create life cycle assessments for buildings applying the principle of integrated as-sessment. However, because of the considerable number of data entering into the calculation and the different criteria to be included in the assessment, the process results in a very high level of complexity. If during the planning phase of a building it turns out that one criterion requires improvement, it is usually very time-consuming to determine optimization potentials of the composition of the building material, since the selection of another building material with better values for one criterion often results in much worse values in some other criteria.

This thesis hence deals with the development of an optimization algorithm and its implementa-tion into a computer program named “ÖkoBOA” which automatically selects the best possible composition of building material from a component catalogue according to the input supplied by the user. Additionally, an analysis function shall provide for a fast overview of the building material and the components used in the building, as well as their respective contribution to the life cycle assessment of the building structure. ÖkoBOA is used for the creation of life cycle assessments of component or building structures during the design and planning phase and offers the possibility to draw conclusions about the influence of the selection of building material and components at a very early stage. The results of the program can then contribute to the further planning process and will support the planner in his decisions regarding the selection of building material and components. After the building material and components to be used are determined an integrated assessment of the building can be carried out by means of the existing systems.

The following eco-criteria are considered: global warming potential, acidification potential, euthropication potential, ozone forming potential, ozone depleting potential, renewable primary energy, non-renewable primary energy and total primary energy. Since these different eco-criteria cannot be directly compared to each other it is not possible to just add them up to a total. Although there are some approaches for the aggregation of the different eco-criteria, until today there exists no completely objective approach. This is why ÖkoBOA refrains to use strictly assigned weighting factors. In this way the user has the opportunity to aggregate the different eco-criteria freely according to his demands and subject to the local requirements with the aid of the implemented “local weighting factors” and can therefore create a life cycle assessment which is optimally adapted to the respective building project and its general conditions.

For the creation of ÖkoBOA the results found by the DAfStB/BMBF joint research project NBB “Nachhaltig Bauen mit Beton” (Sustainable building with concrete) were used. The pro-gram uses the online information system “NBB-Info” developed in the course of the above-mentioned project as a platform and it will be freely accessible on this platform after the process for achieving the PhD degree has been completed. ÖkoBOA consists of 16 modules which contain HTML, PHP and SQL code. These modules access a total of 23 SQL tables which together form a relational database including the required data.

The user now can independently select the required components from a component catalogue at hand and a life cycle assessment of the building structure can be calculated. Moreover, the analysis function offers the opportunity to determine the individual contributions of the different components and the building material contained therein to the life cycle assessment of the building. As a result the components and building material which offer the highest saving potential can easily be identified. Additionally, two different building variants can be directly compared to each other in order to make objective and quantitative statements about the advantages and disadvantages of the two variants. The core function of the program is the determination of the optimum building variant. This is achieved by means of the introduction of the component group as a functional unit and the weighting factors defined by the user himself. In this way the component combination for the optimum building structure regarding the respective requirements can be determined.