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Erschienen in:
Nachhaltige und digitale Konzepte im Bauwesen – komplex, konträr, kompatibel, konstruktiv Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

2022 | OriginalPaper | Buchkapitel

Form follows Energy in der Solararchitektur – Welche Optimierungspotenziale bieten interaktive evolutionäre Algorithmen?

verfasst von : Christina Rullán Lemke

Erschienen in: Nachhaltige und digitale Baukonzepte

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

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Zusammenfassung

Da die Festlegung einer Gebäudeform direkte Konsequenzen auf die Ausrichtung aller Teiloberflächen einer Gebäudehülle hat, wird im vorliegenden Beitrag am Beispiel interaktiver evolutionärer Algorithmen die Fragestellung behandelt, wie mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz die Morphologie von Gebäuden – also ihre äußere Gestalt- und Formgebung – für die Gewinnung von Solarenergie optimiert werden kann. Aus der Rolle des Gebäudesektors bei der großflächigen Bereitstellung geeigneter solarer Empfangsflächen für die Energiewende wird das Erfordernis der Entwicklung einer neuen, solaren Formensprache in der Architektur abgeleitet und die hieraus folgenden zahlreichen und zum Teil konträren Anforderungen an einen solaradaptierten Gebäudeentwurf aufgeführt. Als Lösungsansatz für eine optimierte Morphogenese wird die Verwendung effizienter metaheuristischer Suchfunktionen aus dem Bereich der KI – hier am Beispiel interaktiver, evolutionärer Algorithmen – vorgestellt und der Einfluss solcher digitaler, algorithmischer Entwurfsräume sowohl auf energetische als auch ästhetische Aspekte bei der Solarisierung architektonischer Gebäudeformen bewertet.

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Fußnoten
1
Durch Verabschiedung des Europäischen Klimagesetzes haben sich alle Mitgliedstaaten dazu verpflichtet, bis 2030 den Treibhausgasausstoß um mindestens 55 % gegenüber 1990 zu reduzieren und bis spätestens 2050 vollständig klimaneutral zu werden (Europäische Union, 2021).
 
2
Die Problematik von Windkraftanlagen im Hinblick auf die Vogel- und Fledermausbestände ist bereits gut dokumentiert (Hötker et al., 2005). Auch die Auswirkungen großer Solar-Energieparks auf Naturschutzbelange wurden in verschiedenen Studien untersucht (Herden et al., 2009). Für beide Arten der regenerativen Energiegewinnung auf Freilandflächen sind die Untersuchungen jedoch noch nicht abgeschlossen. Bezüglich einiger Aspekte sind international sehr unterschiedliche Ergebnisse festgestellt worden. Dies gilt z. B. für den sog. Lake-Effect, der vor allem in den USA beobachtet worden ist. Offenbar verwechseln Vögel aber auch einige am Lichtspektrum orientierte Insektenarten beim Überfliegen von Solarparks die großen, glänzenden Flächen mit Seen und sterben beim Landeversuch (Sweet 2014; Zinke 2021).
 
3
Für den Ausbau der Windkraft haben laut Umweltbundesamt (2013) GIS-basierte Studien ergeben, dass 82 % der Fläche Deutschlands grundsätzlich als Ausschlussfläche einzustufen ist. Auf weiteren 12 % besteht ein hohes bis sehr hohes Konfliktrisiko zu Belangen des Naturschutz und der Landschaftspflege, so dass nicht von einer Genehmigungsfähigkeit ausgegangen werden kann. Für die verbleibenden 6 % sind derartige Konflikte ebenfalls nicht auszuschließen, vielmehr gilt der Erfahrungswert, dass Abwägungen des Naturschutzes und der Landschaftspflege die Genehmigung von Windkraftanlagen regelmäßig verhindern oder zumindest auf Jahre verzögern.
 
4
Gegenüber Umweltenergien besitzen fossile Brennstoffe eine sehr hohe Energiedichte. Die in einem Kilogramm Erdöl gespeicherte Energie beträgt ca. 12.000 Wh, ein Kilogramm Uran-235 beinhaltet sogar 24.000.000.000 Wh.
 
5
Die Blattoberfläche eines Laubbaumes beträgt ein Mehrfaches seiner Kronengrundfläche. So besitzt eine Eiche mit ca. 60 qm Kronengrundfläche durchschnittlich 660 qm Blattoberfläche. Die Oberflächenvergrößerung liegt bei Laub- und Obstbäumen im Mittel bei einem Faktor von 8 bis 17 und ermöglicht eine Potenzierung des Stoff- und Energieaustausches zwischen Pflanzen und Umwelt bei relativ geringem Standortflächenverbrauch. Dieses Prinzip der Oberflächenvergrößerung setzt sich im Blattinneren fort, wo sich in den Chloroplasten die sog. Thylakoidmembran in Stapeln aufschichtet, welche durch vielfache Faltung entstehen. Diese Auffaltung bewirkt eine extreme Oberflächenvergrößerung bei zugleich optimaler Raumausnutzung, so dass die maximale Absorption von Sonnenlicht für eine effiziente Photosynthese ermöglicht wird.
 
6
Die Studie Zukunft Stromsystem II (WWF Deutschland, 2019) vergleicht ein Referenzszenario, in welchem weiterhin der geplante schwerpunktmäßige Ausbau der Onshore-Windkraft im Vordergrund steht, mit dem alternativen Szenario Fokus Solar und präsentiert im Ergebnis, dass eine stärkere Konzentration auf Solarenergie viele Vorteile mit sich bringt und daher zu bevorzugen ist. Bei ähnlichen Kosten und Anforderungen an Netze und Speicher würden gegenüber dem Ausbau von Windkraft der Flächenverbrauch erheblich gemindert und negative Folgen für die Vogelwelt reduziert.
 
7
Die sonnenbeschienene Oberfläche eines typischen Einfamilienhauses beträgt durchschnittlich das Drei- bis Vierfache der von ihm überbauten Grundfläche. Bei Hochhäusern liegt der Oberflächenvergrößerungsfaktor sogar deutlich darüber.
 
8
Hinzu kommt die physikalische Begrenzung des Wirkungsgrades von Siliziumzellen. Ihr maximaler theoretischer Wirkungsgrad liegt bei 29,1 %, denn nur dieser Anteil des Sonnenlichtes ist nach dem Atmosphärendurchgang noch energiereich genug, um im kristallinen Silizium Elektronen anzuregen und einen Stromfluss auszulösen. Der Wert des maximalen Wirkungsgrades liegt somit sehr niedrig und bedeutet, dass mehr als 70 % der eintreffenden solaren Strahlung bereits von vornherein nicht genutzt werden können. Bei der sukzessiven Annäherung des Wirkungsgrades photovoltaischer Technologien an diesen physikalischen Grenzwert ist daher jedes Prozent kostbar.
 
9
Die Kombination mehrerer unterschiedlich ausgerichteter Solarempfangsflächen führt zu einer Harmonisierung der Energiekurve im Tagesgang und ermöglicht in Folge auch eine effizientere Auslegung der nachgeschalteten Speichersysteme (HTW Berlin, 2021; Litjens et al., 2017).
 
10
Gebäudeintegrierte Photovoltaik (GIPV) oder Building Integrated Photovoltaics (BIPV).
 
11
Dieser positive Substitutionseffekt kann mit aufgeständerten Modulen hingegen nicht erreicht werden. Im Gegenteil fallen hier zusätzliche Kosten und Ressourcenbedarfe für die Unterkonstruktion an. Aufständerungen werden jedoch überall dort notwendig, wo keine solarorientierten Oberflächen an einem Gebäude zur Integration von Photovoltaik vorgefunden werden. In solchen Fällen kann nur über die Aufständerung eine Ausrichtung der Module erzielt werden, die einen effizienten Betrieb möglich machen. Durch die Aufständerung kommt es jedoch zu gegenseitiger Verschattung der Module bzw. aufgrund der einzuhaltenden Abstände zwischen den Reihen zu Verlusten an nutzbarer Gebäudeoberfläche.
 
12
Der Gestaltungsleitsatz Form follows Function (Sullivan, 1896) besagt, dass sich die Gestaltung und Form von Objekten aus ihrer Funktion und ihrem Nutzungszweck ableiten sollte. Als Kriterium für einen guten Entwurf gilt daher, dass es umgekehrt beim Betrachten einer Form auch immer möglich sein sollte, von ihrer äußeren Gestalt auf ihre Funktion zu schließen.
 
13
Neben den drei räumlichen Dimensionen beinhaltet solare Strahlung auch eine zeitliche Komponente.
 
14
Der Clearnessindex beschreibt den Reinheitsgrad der Atmosphäre als Grad ihrer Durchlässigkeit für solare Strahlung. Er leitet sich ab aus dem Verhältnis zwischen der am oberen Atmosphärenrand auftreffenden extraterrestrischen Strahlung und dem nach dem Atmosphärendurchgang verbleibenden Anteil, der am Boden auftreffenden Globalstrahlung. Der stündlichen Clearnessindex beinhaltet somit indirekt Informationen zum Atmosphärenzustand wie bspw. dem Vorhandensein von Wolken, Nebel oder Schwebepartikeln. Zur Berechnung des Clearnessindex siehe Liu und Jordan (1960); Bendt et al. (1981); Hollands und Huget (1983); Herzog (1985); Klein et al. (2000).
 
15
Die Rayleigh-Streuung beschreibt die Streuungseffekte bei der Kollision eines Lichtstrahls mit molekularen Bestandteilen der Luft. Etwa die Hälfte der Strahlung wird hierbei in den Weltraum zurückgeworfen, während die andere Hälfte in gestreuter Form Richtung Boden geworfen wird (Schabbach, 1998: 10).
 
16
Die Mie-Streuung beschreibt den Streuungseffekt bei der Kollision eines Lichtstrahls mit Aerosolen, also größeren Feststoffpartikeln wie natürlichem mineralischen Staub oder Salzen aus der Gischt von Meerwasser aber auch industriellen Luftverunreinigungen wie Rauch-, Ruß- und Ascheteilchen. Bei der Mie-Streuung wird nur ein geringer Anteil der Strahlung zurück in den Weltraum reflektiert, während der Großteil vorwärtsgestreut wird (Schabbach, 1998: 10).
 
17
Die Bodenalbedo beschreibt den Reflexionsgrad des Bodens. Dieser schwankt mit der Jahreszeit und Oberflächenbeschaffenheit. Der mittlere Reflexionsgrad liegt bei 20 %, für Waldgebiete sinkt er jedoch auf 5 %, während er für Schneeflächen bei 90 % liegt (Schabbach, 1998).
 
18
Die Wolkenalbedo liegt im Mittel bei 60 % (Schabbach, 1998).
 
19
Der Neigungswinkel einer Gebäudeoberfläche liegt i. d. R. zwischen 0° (z. B. horizontales Flachdach) bis 90° (z. B. senkrechte Fassade).
 
20
Dies gilt jedoch hauptsächlich für den direkten Anteil der Solarstrahlung und weniger für die diffusen und (mehrfach-)reflektierten Anteile.
 
21
Da der garantierte Zugang zu solarer Strahlung die Basis einer gerechten Verteilung dieses kostbaren Guts ist, haben die Solar Rights in den USA Eingang in verschiedene Gesetze und Verordnungen erhalten. Der Californian Solar Rights Act bspw. wurde bereits 1978 verabschiedet und sichert jedem Bürger den freien Zugang zu solarer Strahlung gesetzlich zu. In Folge kam es zu einer weiten Verbreitung und großflächigen Nutzung solarer Technologien, da den Betreibern durch dieses Gesetz auch bei baulichen Veränderungen in ihrem Umfeld weiterhin eine uneingeschränkte Nutzung garantiert wurde (Solar Energy Research Institute, 1980; Anders et al., 2014).
 
22
Das Konstruktionsprinzip des Solar Envelopes basiert auf den für alle Himmelsrichtungen unterschiedlichen Sonnenhöhenwinkeln (Elevation). Dabei erzeugt der morgendliche Sonnenstand den westlichen Neigungswinkel der Konstruktion und der nachmittägliche den östlichen. Den nördlichen Neigungswinkel erhält man aus dem Schatten der Wintersonne, den südlichen aus dem der Sommersonne. Die integrierte Form aus Tages- und Jahreszeitgrenzen ergibt ein asymmetrisches Zelt.
 
23
Dieses Zeitfenster ist als Zeitspanne nützlicher Einstrahlung definiert und erstreckt sich i. d. R. über mehrere Stunden vor und nach 12 Uhr. Soll z. B. für acht Stunden täglich die Verschattungsfreiheit zur Nutzung von PV garantiert werden, so liegt das Zeitfenster von 8.00 bis 16.00 Uhr. Auf das Strahlungsangebot jenseits dieser Cut-off-times wird verzichtet, da es prozentual nur einen sehr geringen Anteil der Tagesleistung ausmacht. Die Festlegung dieser zeitlichen Grenzen beeinflusst aufgrund des zugehörigen Sonnenhöhenwinkels jedoch die Form des Solar Envelopes. Je länger das gewählte Zeitfenster ist, um so flacher wird das sich ergebende Zelt und umso geringer ist das darin realisierbare Gebäudevolumen. Die Wahl des Zeitfensters beeinflusst somit indirekt das Maß urbaner Dichte im solaren Städtebau. Sind höhere Gebäude und somit eine höhere Verdichtung gewünscht, muss der Zeitraum der garantierten Verschattungsfreiheit folglich kürzer gewählt werden (Topaloglu, 2003; Knowles, 1981; Solar Energy Research Institute, 1980).
 
24
Die Anzahl möglicher Lösungskandidaten kann beispielhaft für ein Einfamilienhaus mit einer Firsthöhe von 9 m auf einem Grundstück von 900 m2 wie folgt ermittelt werden: Unter der Annahme eines 30 m × 30 m großen Grundstückes könnte man mit einem regelmäßigen Abstand von 3 m insgesamt 100 Koordinaten festlegen. Über jedem dieser Fußpunkte dürfte sich eine Höhe von 0 bis 9 m, jeweils mit der Genauigkeit von 1-m-Schritten, nach zufälliger Verteilung einstellen. Zu jeder Bodenkoordinate gibt es also 10 mögliche zugehörige Höhen. Die Anzahl aller möglichen Kombinationen auf dem Grundstück beträgt in diesem Beispiel 10100. Die Anzahl der Atome im Universum liegt dagegen nur bei der Größenordnung von ca. 1084 bis 1089.
 
25
Unter Metaheuristik werden alle Suchalgorithmen zusammengefasst, welche bei sehr großen Suchräumen angewandt werden, da ein vollständiges Durchsuchen nicht mehr möglich ist. Bekannte Beispiele für metaheuristische Prozesse sind bspw. der Ameisenalgorithmus oder die Schwarmintelligenz.
 
26
Der Begriff Nische meint in diesem Zusammenhang keinen konkreten räumlichen Ort, sondern ein Setting bestimmter Umweltfaktoren.
 
27
Die DNA-Nukleinsäure wird aus den vier Nukleinbasen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) gebildet (Kossel, 1910).
 
28
Jedes Individuum besitzt zwei Erscheinungsformen: der Genotyp stellt die Kodierungsform, also die exakte Basenabfolge des DNA-Strangs dar, der Phänotyp bildet die in ein konkretes Lebewesen übersetzte Version des Genotyps ab.
 
29
Die durch den genetischen Code vorgegebenen phänotypischen Eigenschaften eines Individuums sind nicht an sich vor- oder nachteilig, sondern sind immer in Relation zu den konkreten Rahmenbedingungen seiner Umwelt zu bewerten.
 
30
Zu den Grundlagen der Programmierung und Anwendung genetischer und evolutionärer Algorithmen siehe Weicker (2015); Gerdes et al. (2004); Nissen (1997); Jacob (1997).
 
31
Die natürliche Selektion durch die Lebensumgebung wird in einem evolutionären Algorithmus bspw. durch spezielle Turnierverfahren oder eine gewichtete Roulette-Wheel-Selection ersetzt. Auf diese Weise erhalten – nach dem Vorbild der Natur – auch Kandidaten mit niedrigerem Fitnessfaktor die Möglichkeit zur Fortpflanzung, wenngleich ihre Reproduktionswahrscheinlichkeit deutlich niedriger liegt.
 
32
Die Rekombination, also der teilweise Austausch der Elterngene, erfolgt beim evolutionären Algorithmus in Analogie zur Genetik mittels Crossing-over. Hierzu werden der mütterliche und väterliche DNA-Strang kreuzweise übereinandergelegt. Am Kreuzungspunkt werden die Strangenden wechselseitig komplementär ausgetauscht, so dass zwei völlig neue Gensequenzen entstehen. Neben diesem Single-Crossing-Over ist auch ein Multiple-Crossing Over an vielen Kreuzungspunkten oder eine intermediäre Rekombination durch Mittelwertbildung zwischen mütterlicher und väterlicher Gensequenz möglich. Ein gezielter Austausch bestimmter Gebäudekoordinaten, z. B. des gesamten südlichen Quadraten, ist durch spezielle Recombination-Masks steuerbar.
 
33
Beinhalten Algorithmen iterative Schleifen, muss ein Abbruchkriterium definiert werden, wie z. B. der Ablauf einer bestimmten Zeitspanne. Ein Algorithmus kann auch abgebrochen werden, sobald eine bestimmte Lösungsgüte erreicht ist oder wenn über längere Zeiträume keine nennenswerte Verbesserung der Lösungskandidaten erzielt werden konnte.
 
34
Ein typisches, bereits bewährtes Anwendungsfeld für eine Mensch-Computer-Kooperation ist die Routenoptimierung, denn die benötigte Rechenzeit zur Ermittlung der idealen Streckenführung wächst mit der steigenden Anzahl an Haltestellen überproportional an. 1971 konnte in einem Versuch mit 100 Haltestellen gezeigt werden, dass die Routenoptimierung durch Kooperation von Mensch und Computer zwanzigmal schneller gelöst werden konnte als mit Computern alleine. Ebenfalls sehr gute Ergebnisse werden durch das kooperative sog. Dreihirn-Prinzip beim Schachspielen erzielt (Schoof, 2000).
 
35
Dies führt jedoch schnell zu Ermüdungserscheinungen beim Benutzer und verlangsamt den Suchalgorithmus.
 
36
Allerdings erlischt dann die sog. Konvergenzgarantie, also die Garantie, dass der Algorithmus gegen das globale Optimum konvergiert. Dies ist immer dann der Fall, wenn durch Mutationen jede mögliche Lösung erreicht werden kann und Elterngenerationen nicht automatisch sterben, also bereits gefundene, sehr gute Lösungen in die Folgegeneration übernommen werden.
 
37
Zu den ersten Versuchen einer kooperativen Form-Generierung zählt eine Studie zu biomorphen Formen aus dem Jahr 1991. Ziel war die digitale Erzeugung von zweidimensionalen Figuren, die einem Käfer ähneln sollten. Aus jeweils sechszehn zufälligen computergenerierten Kurven wählte ein Mensch die nach seinem Ermessen käferähnlichste Form aus. Mit Ablauf mehrerer Zyklen ähnelte jede neue Generation, die der Computer entwarf, zunehmend Käfern (Smith, 1991).
 
38
Bei einer Pareto-Optimierung wird versucht, einen Kompromiss zwischen mehreren zueinander in Konflikt stehenden Zielstellungen zu finden. Eine Verbesserung des einen Faktors geht dabei immer auf Kosten des anderen. Daher liegt das Ziel darin, einen ideal gewichteten Konsens zu finden. Übertragen auf das Beispiel einer energetisch optimierten Gebäudeform bedeutet dies, dass eine Vergrößerung der Gebäudehülle zwar zu mehr solaren Gewinnen aber gleichzeitig auch zu höheren thermischen Verlusten führt. Eine Pareto-Optimierung kann auch für mehrere Faktoren gleichzeitig durchgeführt werden. Daher zählt sie zu den multikriteriellen Vektoroptimierungsverfahren. Falls für ein geschlossenes System mehrere optimale Lösungen gefunden werden können, spricht man von einer Pareto-Front.
 
39
Hier kommen häufig sog. Structural Shapes zum Einsatz, welche aus logikbasierten, computergenerierten Flächen zu räumlichen Tragstrukturen integriert werden.
 
Literatur
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Metadaten
Titel
Form follows Energy in der Solararchitektur – Welche Optimierungspotenziale bieten interaktive evolutionäre Algorithmen?
verfasst von
Christina Rullán Lemke
Copyright-Jahr
2022
Buch
Nachhaltige und digitale Baukonzepte

Print ISBN: 978-3-658-36775-6

Electronic ISBN: 978-3-658-36776-3

Copyright-Jahr: 2022

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-36776-3_4