Heizung, Hülle, Technik, Netz: Was macht die Digitalisierung mit dem»system Gebäude«?

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1 Heizung, Hülle, Technik, Netz: Was macht die Digitalisierung mit dem»system Gebäude«? Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Christoph van Treeck Berliner Energietage April 2016 Energiewende Anforderungen an Gebäude der Zukunft Gebäude werden gebaut um eine sichere, gesunde und leistungsfördernde Umgebung bereitzustellen, in der Menschen gemeinsam leben und arbeiten können. aber nicht primär gebaut um Energie zu sparen. Energieeffiziente,»gesunde«Gebäude der Zukunft sind weit mehr als perfekt gedämmte»passivhäuser«2 1

2 Größtes singuläres Potenzial für Energieeinsparungen TWh (Deutschland) > Sources: 1 Agentur für Erneuerbare Energien (2009); 2 Energiesparkompass (2009); 3 Fraunhofer/Hauser (2012); 4 RWTH Müller/Monti (2013); 5 Statistisches Bundesamt (2009) 3 Energiewende Anforderungen an Gebäude der Zukunft 1. Passive Maßnahmen Energetische Qualität der Hülle Gleichgewicht: Dämmung und TGA Luftdichtheit & Wärmerückgewinnung Passive Solarenergienutzung 2. Active measures 2. Aktive Maßnahmen Aktive Solarenergienutzung Umweltwärme (Wärmepumpe) Kraft-Wärme Kopplung Lastverschiebungen (räuml./zeitl.) 3. Control and optimization 3. Regelung und Optimierung Modell-prädiktive Regelung Inbetriebnahme & Betriebsoptimerung Diagnose und Fehlererkennung WP 4 2

3 Betriebsoptimierung Diagnose und Fehlererkennung Inbetriebnahme Übergabe Energieeffiziente,»gesunde«Gebäude der Zukunft schließen notwendigerweise die Lücke zwischen Inbetriebnahme und Übergabe sind mit Smart Metern ausgestattet unterstützen Betriebsoptimierung durch Fehlererkennungssysteme (FDD) kommunizieren diese Diagnosen ihren Nutzern über 'smarte' Schnittstellen 5 Energiewende Anforderungen an Gebäude der Zukunft 1. Passive Maßnahmen 2. Active measures 2. Aktive Maßnahmen 3. Control and optimization 3. Regelung und Optimierung 4. Netzdienlichkeit Dezentrale Energiespeicher Erweiterung der Systemgrenzen (Stadtquartier, Mobilität) Demand Side Management KWK WP 6 3

4 Energiewende Anforderungen an Gebäude der Zukunft Load R(t) = L(t) G(t) Residual Load Generation Generation Energieeffiziente Gebäude der Zukunft können keine autonomen Energiesysteme mehr sein wegen der volatilen Natur der erneuerbaren Energieträger können elektrische und thermische Energie speichern um einen Beitrag zur Nutzung von Wind- und Solarenergie zu leisten sind netzdienlich und keine 'passiven' Syteme 7 Energiewende Anforderungen an Gebäude der Zukunft 1. Passive Maßnahmen 2. Active measures 2. Aktive Maßnahmen 3. Control and optimization 3. Regelung und Optimierung 4. Netzdienlichkeit Dezentrale Energiespeicher Erweiterung der Systemgrenzen (Stadtquartier, Mobilität) Demand Side Management KWK 2. Active measures 5. Integrale Planungswerkzeuge Digital Planungstools Mehrskalen und Mehrebenen Energiesimulation 3D, 4D, 5D, LZK WP 8 4

5 Was macht die Digitalisierung mit dem System Gebäude? Konsequenzen für digitales Planen und Bauen Skalierbarkeit Dynamisches Gesamtsystem Gebäude-Nutzer-Anlage-Netz Netz-Interaktion und bedarfsabhängige Regelungskonzepte: Erweiterung der Systemgrenze auf Quartiersebene Kombinierbarkeit verschiedener Domänen thermisch-elektrisch-hydraulisch Einbindung Betriebsoptimierung Inbetriebnahme, Fehlererkennung, Nutzerfeedback 9 Was macht die Digitalisierung mit dem System Gebäude? Geoinformationssystem Modell Energiesystem Modell Gebäude & TGA Simulation / Analyse Simulation / Bilanzierung 10 5

6 Beispiel Energetische Bestandssanierung EnEff:Campus Roadmap RWTH Aachen ( ) 100% 75% 50% 25% 0% Primärenergieverbrauch Ziele Reduktion des nutzflächenspezifischen Primärenergieaufwands um 50% bei minimalem Aufwand Abgestimmte Maßnahmen Sinnvolle Investitionsreihenfolgen Dezernat 10.0 Facility Management 11 Beispiel Energetische Bestandssanierung EnEff:Campus Roadmap RWTH Aachen ( ) Sanierungsszenarien und Optimierung Intelligente Maßnahmenpakete als Basis Maßnahmen beeinflussen sich gegenseitig Energieversorger Erzeuger Verteilung Verbraucher Energieträger Strom Wärme Kälte 12 6

7 Beispiel Energetische Bestandssanierung EnEff:Campus Roadmap RWTH Aachen ( ) Netz-Tools GIS Datenbank Modell des Energiesystems Gebäude-Tools Analyse & Visualisierung Bildquelle: D. Müller, R. Streblow, M. Lauster, E.ON ERC, RWTH Aachen (2015) 13 Was macht die Digitalisierung mit dem System Gebäude? Geoinformationssystem Modell Energiesystem Modell Gebäude & TGA Simulation / Analyse Simulation / Bilanzierung 14 7

8 IEA EBC Annex 60 Förderung: Projekt EnEff-, BMWi ( ) Partner: Gebäude + TGA Modell CAD/ Simulation Modelica 15 Planungsrealität heute Baubegleitende Planung und Genehmigung Häufige Änderungen Reagieren statt vorausplanen 16 8

9 Building Information Modeling Kooperative Arbeitsmethodik Digitales Abbild eines Gebäudes über gesamten Lebenszyklus Kollisionsprüfung Benötigt Softwarelösungen Erfordert Festlegungen Bildquelle: linear, Aachen 17 Was macht die Digitalisierung mit dem System Gebäude? Bedeutung des digitalen Planens und Bauens Stufenplan "Digitales Planen und Bauen" (Dobrindt, 2015) "Die Digitalisierung des Bauens bietet Chancen, große Bauprojekte im Zeitund Kostenrahmen zu realisieren. Bessere Datengrundlagen für alle am Bauprojekt Beteiligten sorgen für Transparenz und Vernetzung. Dadurch können Zeitpläne, Kosten und Risiken früher und präziser ermittelt werden." Modernes Bauen heißt erst virtuell, dann real bauen. 18 9

10 Was macht die Digitalisierung mit dem System Gebäude? Kostenverlagerungen in frühe Planungsphasen Aber: Festgelegte Leistungen zu messbaren und überprüfbaren Qualitäten MacLeamy-Kurve, modifiziert. Bild aus: Liebich et al. 2011, Leitfaden für Deutschland, BBSR, Was macht die Digitalisierung mit dem System Gebäude? Vorplanung Entwurfs-/ Genehmigungsplanung Ausführungsplanung, Vergabe Fertigung, Ausführung Inbetriebnahme Betriebs-/ Nutzungsphase Objektplaner -Manager & Koordinator Architekturmodell Raumbuch Tragwerk TGA 20 10

11 Was macht die Digitalisierung mit dem System Gebäude? Schalten, Steuern, Regeln Erfassen: Sensoren in Bauteilen Auswerten, Darstellen RFID Feedback: Smart Home Datentransfer Cloud Sensoren T CO 2 Datenbank b dt a Data Mining Kennwerte M-Bus LON BACnet Protokolle Router / Datenlogger 21 Was macht die Digitalisierung mit dem System Gebäude? Vorplanung Entwurfs-/ Genehmigungsplanung Ausführungsplanung, Vergabe Fertigung, Ausführung Inbetriebnahme Betriebs-/ Nutzungsphase Optimierung SOLL IST IST Optimierung Energiemanagement Messung und Vergleich Qualitätsanspruch 22 11

12 Was macht die Digitalisierung mit dem System Gebäude? Vorplanung Entwurfs-/ Genehmigungsplanung Ausführungsplanung, Vergabe Fertigung, Ausführung Inbetriebnahme Betriebs-/ Nutzungsphase CAFM CAFMCAFMCAFM Planung und Herstellung Modellstandards Produkt-/Herstellerdatenstandards Methoden- und Managementstandards 2. Active measures Betrieb und Nutzung Einheitliche Klassifikationen und Merkmalsdefinitionen Standards für Funktionsbeschreibungen 23 Was macht die Digitalisierung mit dem System Gebäude? Von der Schutzhütte Von der Zeichnung Von der Einzelregelung Von singulären Modellen Von passiven Einzelgebäuden zum Effizienz- Haus Plus zur digitalen Planung zu Demand Side Management zum integrierten Gesamtsystem zur netzkompatiblen Stadt 24 12

13 Heizung, Hülle, Technik, Netz: Was macht die Digitalisierung mit dem»system Gebäude«? Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Christoph van Treeck Berliner Energietage April

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