Kurs:Grundlagen der Bauphysik

Ein Kurskonzept für die Grundlagenvermittlung Bauphysik im Bachelorstudiengang Architektur auf der Basis einer umgedrehten Lehrveranstaltung (Flipped Classroom). Grobkonzept

Überblick

Lernziel

Die Teilnehmer kennen die wesentlichen Auswirkungen bauphysikalischer Anforderungen auf ein Gebäude bzw. einen Entwurf. Sie können ihren Wissensstand auf dem Fachgebiet einschätzen, um selbständig über dessen zielgerichtete Erweiterung zu entscheiden.

Den Studierenden soll anhand ihrer Entscheidungen bzgl. Gebäudekubatur, Materialwahl, Raumbildung, etc. klar werden welche Auswirkungen das auf die bauphysikalischen Eigenschaften und damit auch auf die Nutzbarkeit und Behaglichkeit eines Gebäudes hat.

Prinzipien

Umgedrehte Hörsaalübung bei der Faktenwissen möglichst in die Vor- und Nachbereitung verlagert wird.

Hausaufgaben & Lernninhalte (Vor- und Nachbereitung) Rechenübungen werden als Hausaufgaben ausgegeben. Die Studierenden erhalten jeweils eine Beispielaufgabe mit einer Musterlösung. Zusätzlich gibt es eine weitere Aufgabe ohne Lösung. Diese zweite Aufgabe kann z.B. einen veränderten Rechenweg erfordern. Die können auch als Ausgangspunkt für das Folgethema dienen. Die Hausaufgaben und Probleme bei der Bearbeitung dienen als Einstieg in das folgende Seminar. Dabei können konkrete Probleme bei der Bearbeitung besprochen und erklärt werden. Zusätzlich zu den Aufgaben sollten Skripte oder Videos bereitgestellt werden, die Hintergrundinformationen oder detaillierte Hinweise zur Bearbeitung und Lösung der Aufgaben geben.

Aktives Lernen (Präsenzzeit) Im Rahmen der Präsenzzeit werden Probleme aufgeworfen (z.B. auf der Basis der Inhalte aus den Hausaufgaben). D.h. es werden konkrete Fragen aufgeworfen, die sich um das Verständnis der Zusammenhänge drehen. An diesen Fragen entwickelt sich der gesamte Ablauf eines Seminars. Die Probleme/Fragen werden in einem ersten Schritt in Kleingruppen (2-4 Studierende) in einem kurzen Zeitrahmen (2-5 Minuten) besprochen. Anschließend werden die Ergebnisse/Feststellungen/Erklärungen der Studierenden ausgewertet, diskutiert. Ziel ist es immer einen einfachen Beweis mithilfe der bis dahin bekannten Methoden zu führen und auf diesem Wege die richtige Lösung zu erarbeiten. Im Idealfall ergibt sich aus der Problembearbeitung das nächste Problem/die nächste Frage.

In der Beschreibung des Ablaufes der einzelnen Termine wird der grundsätzliche thematische Ablauf beschrieben. Da das Prinzip des aktiven Lernens verfolgt wird, werden die verschiedenen Themen jedoch nicht durch den Lehrenden vorgestellt. Die Zusammenhänge und Grundlagen werden immer durch die Studierenden selbst erarbeitet. Entweder indem entsprechende Fragen gestellt/Probleme geschildert werden oder die Schwächen von Lösungsvorschlägen in der Diskussion aufgedeckt werden.

Begleitende Lerninhalte (Faktenwissen) Für die Bearbeitung der Hausaufgaben als auch für die Vorbereitung und Nachbereitungen der Übungstermine werden Materialien bereit gestellt, die es ermöglichen die verschiedenen Berechnungen nachzuvollziehen und die eigenen Fähigkeiten/Kenntnisse zu überprüfen. Probleme bei der Bearbeitung oder auch Fragen werden immer am Anfang des Folgetermins besprochen.

• Übungsaufgaben & Musterlösungen
• Ergänzende Inhalte zu den Aufgaben (Texte, Übungsvideos bzw. Tutorials, etc.)
• Selbsttests (zur Kontrolle des Wissensstandes Faktenwissen)

Hilfsmittel

[Um die Lernplattform und evtl. das Frage-Antwort-System erfolgreich einzusetzen, ist eine praktische Einführung in die Funktionen und Möglichkeiten notwendig.]

• Lernmanagementsystem (LMS) zur Verwaltung der Inhalte
• evtl. Shapado oder Stackexchange (Frage-Antwort-Systeme) für Fragen und Diskussionen (alternativ zum Diskussionsforum des LMS)[Das Punktesystem ermutigt zur gegenseitigen Hilfe. Wichtig ist eine spürbare Präsenz der Lehrenden]

Überblick Übungstermine

Allgemeine Hinweise

Die Übungen finden zweiwöchentlich statt.

Im Rahmen der Einführungsveranstaltung muss:

• der Umgang mit der Lernplattform erläutert werden.
• der Ablauf der Übungen und die Bedeutung der Hausaufgaben dafür geklärt werden.
• die Hausaufgabe zur Vorbereitung auf die erste Übung ausgegeben werden.

Übungsthemen/Inhalte

• Energiesparender Wärmeschutz [Die EnEV dient als Einstieg. Die folgenden Themen zum Wärmeschutz können dann einfacher eingeordnet werden. Sie sind Teil/Detailwissen der EnEV-Nachweisführung.]
  • E1 — Energieeinsparverordnung (EnEV)
  • E2 — U-Wert & Temperaturverlauf
  • E3 — Wärmebrücken & Sommerlicher Wärmeschutz

• Feuchteschutz
  • F1 — Glaserverfahren

• Akustik & Schallschutz
  • AS1 — Wahrnehmung & Luftschallschutz
  • AS2 — Außenlärm und Trittschallschutz
  • AS3 — Raumakustik

Quellen

Prince, M.J. & Felder, R.M., 2006. Inductive Teaching and Learning Methods : Definitions, Comparisons, and Research Bases. Journal of Engineering Education.

Prince, M.J., 2004. Does active learning work? A review of the research. Journal of Engineering Education, 93(3), p.223–232.

Deslauriers, L., Schelew, E. & Wieman, C., 2011. Improved Learning in a Large-Enrollment Physics Class. Science, 332(6031), p.862-864.

E1 — Energieeinsparverordnung (EnEV)

Lerninhalte

• Bilanzierung
• Wärmeverluste
• Wärmegewinne
• Heizwärmebedarf
• Primärenergiebedarf
• Systemgrenzen
• Anforderungen
• Energiepass

Hilfsmittel & Materialien

• CASAnova (Fachbereich Bauphysik & Solarenergie, Uni Siegen): Mit CASAnova können die Studierenden sehr einfach und schnell nachvollziehen, wie sich Änderungen am Gebäude auf den Energiebedarf auswirken.
• Formblatt Heizperiodenbilanzverfahren (selbstentpackende ZIP-Datei des Fachbereichs Bauphysik der Universität Kassel): Auch wenn das HP-Verfahren nicht mehr verwendet wird, ist es die letzte von Hand nachvollziehbare Nachweisführung zur EnEV. Eine Grundlage, um das grundsätzliche Zusammenspiel von Wärmeverlusten, -gewinnen und Anlagentechnik zu verdeutlichen.

Vorbereitende Hausaufgabe

[Die Hausaufgabe muss vor der ersten Übung ausgegeben werden. Dafür eignet sich die erste Einführungsveranstaltung. CASAnova ermöglicht einen sehr einfachen (spielerischen) Zugang zur energetischen Betrachtung von Gebäuden.]

• Wettbewerbsaufgabe mit CASAnova: Wer baut das energiesparendste Haus?
  • Vorgaben hinsichtlich Quadratmetern, Kubatur, etc. machen, um die Möglichkeiten einzugrenzen.
  • Begrenzung der Ergebnisbetrachtung auf winterlichen Wärmeschutz.
  • Die zu dokumentierenden Ergebnisse festlegen. Ergebnisdatei abspeichern. Veröffentlichung Ergebnis im Diskussionsforum.
  • Ausgangsdatei mit CASAnova anlegen und auf der Lernplattform zur Verfügung stellen

• Ergänzendes Lernmaterial: EnEV zu folgenden Inhalten (Das Lernmaterial liefert die notwendigen Hinweise, um beim Umgang mit CASAnova das Hintergrundwissen zur gezielteren Optimierung zu liefern)
  • Bilanzierung
  • Wärmeverluste & Wärmegewinne
  • Heizwärmebedarf
  • Primärenergiebedarf

Ablauf

• Auswertung der Hausaufgabe: Besprechung verschiedener Lösungen und Optimierungsstrategien
  • Sammlung von Ergebnissen: Wer hat die besten Ergebnisse?
  • Vergleich und Diskussion von zwei oder drei konkreten CASAnova-Projekten: [Die Studierenden stellen ihre wichtigsten Entscheidungen und Maßnahmen vor. Die übrigen Teilnehmer werden um zusätzliche Vorschläge oder Kritik gebeten.]
  • Besprechung der Strategien
    • Haben alle ungefähr die gleichen Einstellungen vorgenommen?
    • Lässt sich als Synthese aus den vorhandenen Einstellungen ein noch besseres Ergebnis erzielen? [Überleitung zum nächsten Teil.]

• (Gruppenweise) Betrachtung des Einflusses verschiedener Faktoren auf das Gesamtergebnis; jeweils abschließende Formulierung von Thesen & rechnerischen Beispielen zur Verdeutlichung: [Die Studierenden beschäftigen sich in kleinen Gruppen mit den Auswirkungen eines einzelnen Aspekts. Anschließend werden die einzelnen Ergebnisse wieder zusammen getragen.]
  • beheizter Keller/Dachgeschoss —> Systemgrenzen
  • Anteiligen Einfluss der verschiedenen Verluste auf das Gesamtergebnis
    • Verhältnis Transmissionswärmeverluste & Lüftungswärmeverluste
    • Einfluss Luftdichtheitsprüfung
    • Einfluss Wärmebrückenverluste
  • übergreifende Einflüsse (z.B. Fenster auf Transmissionswärmeverluste und solare Wärmegewinne)
  • etc.

• Übertragung der Erfahrungen aus CASAnova auf das Formblatt zum HP-Verfahren. [Das Formblatt übernimmt im übertragenden Sinne die Funktion einer Bedienungsanleitung: Nachdem die Studierenden erst praktisch (d.h. mit CASAnova) mit einem Gebäude gearbeitet haben, macht das Formblatt durch die vorhandenen Gleichungen die Zusammenhänge deutlich]
  • Wo finden sich die verschiedenen Eingabemasken/Eingabebereiche von CASAnova auf dem Formblatt wieder?
  • Wo werden Gewinne und Verluste miteinander verknüpft? Mit welcher Gleichung?
  • Welche Punkte gibt es auf dem Formblatt zusätzlich?

• Datenherkunft für Berechnungen
  • Was sind Systemgrenzen?
  • Wovon hängen sie ab?
  • Aus welchen CASAnova-Eingaben kann man sie ableiten?

Hausaufgabe

Berechnen eines einfachen Gebäudes mit dem HP-Verfahren und Optimieren eines gegebenen Gebäudes auf einen bestimmten Zielwert (z.B. Heizwärme- oder Primärenergiebedarf) durch Veränderung eines U-Werts

Lernmaterialien

• Beispiel mit Musterlösung zur Berechnung
• Optimierungsbeispiel zum 'Rückwärtsrechnen' (ohne Musterlösung; zur Auswertung mit folgenden Seminar). [Das Beispiel zielt darauf ab den U-Wert einer Bauteilgruppe anzupassen und darüber die Auseinandersetzung mit diesem Begriff zu steuern.]