Ein Ingenieurteam der Louisiana State University nutzt eine virtuelle Umgebung, um die thermischen Auswirkungen von Gebäuden zu untersuchen und so deren Bauweise zu optimieren.

Laut einer kürzlich durchgeführten Studie der US-Umweltschutzbehörde EPA verbringen die Menschen mehr als 90 Prozent ihrer Zeit in Innenräumen. Dabei wird viel Energie verbraucht, damit es den Bewohnern geistig und körperlich gut geht. Deswegen ist es für die Gemeinschaft der Planer und Ingenieure wichtig, die Wechselwirkungen zwischen Mensch und Gebäude besser zu verstehen, zu analysieren und sogar vorhersagen zu können, wenn der Bau noch in der Planungsphase ist.

Vor diesem Hintergrund verwendet ein Team unter der Leitung von LSU-Baumanagementprofessor Yimin Zhu eine immersive virtuelle Umgebung (IVE), um die thermische Befindlichkeit von Personen zu messen, das heißt, das Empfinden, die Behaglichkeit und die Akzeptanz, um die Leistungsunterschiede in Gebäuden zwischen vorhergesagter und tatsächlicher Energieleistung zu verringern.

Interaktion zwischen Mensch und Gebäude unzureichend untersucht

„Viele Forscher haben auf die unterentwickelte Fähigkeit, die Interaktionen zwischen Menschen und Gebäuden zu beobachten, hingewiesen. Sie sehen darin eine der vielen Quellen, die zur Leistungslücke von Gebäuden beitragen, also den Unterschied zwischen der Entwurfsleistung und der tatsächlichen Leistung“, sagte Zhu. „Eine immersive virtuelle Umgebung als Annäherung an die Realität stellen eine interessante Möglichkeit dar. Während die Technologie zunehmend in der Konstruktion und in der Technik zum Einsatz kommt, etwa bei der Designvalidierung, ist ihr Potenzial für das Verständnis thermisch bedingter Verhaltensweisen nicht bekannt. Das liegt daran, dass die Technologie selbst keine wirksamen thermischen Stimuli liefern kann. Daher hoffen wir, durch die Integration des IVE mit einer externen Heiz-/Kühlquelle eine zuverlässige Experimentier- und Datenerfassungsmethode für Designer und Ingenieure zu entwickeln.“

Virtuelle Umgebung kann noch keine thermischen Stimuli liefern

Die Forschung, die durch einen Zuschuss von 300’000 US-Dollar von der National Science Foundation und die Unterstützung durch den Beirat der Bauindustrie, Construction Industry Advisory Council, ermöglicht wurde, funktioniert folgendermaßen: In einem Nebenraum des Engineering Labs auf dem Campus der LSU gibt es eine Einrichtung, die in drei Räume unterteilt ist — eine Klimakammer, einen Bürobereich und einen Mechanik-/Lagerbereich. Die Tests finden in der Klimakammer statt, einem speziell ausgestatteten Raum von 3,7 m Länge, 3,7 Meter Breite und 2,7 m Höhe. Im Bürobereich werden die Tests überwacht, die Daten analysiert, und die Teilnehmer können sich vor den Experimenten entspannen und akklimatisieren.

Eine Klimaanlage kontrolliert die Temperatur, die Feuchtigkeit und den Luftstrom des Raumes. Die Experimente werden durchgeführt, indem die Temperatur auf 18, dann auf 24 und dann auf 29 Grad Celsius eingestellt wird. Die relative Luftfeuchtigkeit wird auf 50 bis 55 Prozent geregelt. Eigenständige Sensoren überwachen die physiologischen Reaktionen der Teilnehmer während der Experimente. Die Tests werden zweimal durchgeführt, einmal in situ und dann noch einmal mit einer Virtual-Reality-Brille, die es den Teilnehmern ermöglicht, ein VR-Modell der Klimakammer zu sehen.

Virtuelle Umgebung: Welche Rolle spielt sie für das Verhalten?

„Die erste Analyse legt nahe, dass die Verhaltensabsichten der Teilnehmer unabhängig von den Versuchsbedingungen sind“, sagte Zhu. „Anders gesagt, nur weil sie sich in Virtual-Reality-Experimenten befinden, bedeutet das nicht, dass die Teilnehmer ein bestimmtes Muster verfolgen. Tatsächlich beobachten wir zwar die Unterschiede in den Intentionen der beiden Versuchssituationen, aber es gibt nicht genügend Beweise, um sie allein der virtuellen Realität zuzuschreiben. Wir werden diese Fragen weiter untersuchen, wenn mehr Daten gesammelt und analysiert werden.“

Obwohl es noch zu früh für die Tests ist — es ist noch ein weiteres Jahr für Experimente vorgesehen — sieht sich Zhu bestätigt, was die Rolle der virtuellen Umgebung bei den Experimenten betrifft.

„Insgesamt ist das Potenzial der IVE-Technologie zur Unterstützung von Design und Technik vielversprechend“, sagte Zhu. „Mit einer besseren Kontrolle des experimentellen Umfeld, wie zum Beispiel der Verwendung einer Klimakammer, ist es möglich, das Temperaturempfinden der Insassen in der virtuellen Umgebung zuverlässig zu beobachten. In diesem Stadium wissen wir noch nicht, ob wir dasselbe für die Verhaltensabsicht sagen können. Bis dahin werden wir eine bessere Vorstellung davon haben, in welcher Form das IVE eine bedeutende Rolle spielen kann“.

Mehr Effizienz in der Gebäudeplanung,

In den kommenden Monaten werden Zhu und das Team die Datensammlung und -analyse abschließen. Diese Informationen sollen dann auch der Forschung und der Industrie zugute kommen, um die Effizienz bei der Gebäudeplanung weiter zu steigern und die Leistungslücke zu verringern.

„Ich hoffe, dass wir auf der Grundlage der Ergebnisse ein verbessertes Versuchsprotokoll, eine effektivere Analyse und eine Gruppe gleichgesinnter Studenten, Forscher und Industriepraktiker haben werden, um diese Forschungsrichtung und die Anwendungen weiter voranzutreiben“, sagte Zhu.

Neben Zhu arbeiten an dem Projekt Tracey Rizzuto, Professorin und stellvertretende Direktorin der LSU School of Leadership and Human Resource Development, Neil Johannsen, Assistenzprofessor an der LSU School of Kinesiology, sowie Tianzhen Hong und Jared Langevin, Wissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory. . Darüber hinaus fungieren Yong Tao, Professor und Interim-Lehrstuhl für Maschinenbau an der Cleveland State University, William Tolone, Professor und stellvertretender Dekan für Informatik und Datenverarbeitung an der University of North Carolina-Charlotte, und Ming Sun, Professor und stellvertretender Dekan für Forschung an der Nottingham Trent University School of Architecture, Design, and the Built Environment, als beratender Ausschuss für das Projekt.

Bild: Eine Teilnehmerin verwendet virtuelle Technologie, während LSU-Forscher ihr thermisches Verhalten überwachen. Dies ist Teil eines Projekts, das darauf abzielt, die Energieeffizienz beim Gebäudedesign durch den Einsatz von immersiver virtueller Umgebungstechnologie zu erhöhen. Bildquelle: LSU College of Engineering.

Weitere Informationen: https://www.lsu.edu/eng/

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