IEA EBC Annex 60: Datentransformation zwischen BIM und Energiebedarfsberechnung/-simulation

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Kurt Küchler
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1 IEA EBC Annex 60: Datentransformation zwischen BIM und Energiebedarfsberechnung/-simulation C. van Treeck 1a, P. Remmen 1b, J. Cao 1a, S. Ebertshäuser 2, J. Frisch 1a, M. Lauster 1b, T. Maile 1a, J. O Donnell 3, S. Pinheiro 3, J. Rädler 4, R. Streblow 1b, M. Thorade 4, R. Wimmer 1a, D. Müller 1b, C. Nytsch-Geusen 4, V. Bazjanac 5 1a RWTH Aachen University, Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen (E3D) 1b RWTH Aachen University, Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik (EBC) 2 Karlsruhe Institute of Technology, Department BLM, Karlsruhe 3 School of Mech. & Materials Eng. and Electricity Research Centre, UCD, Dublin 4 Universität der Künste, Institute for Architecture and Urban Planning, Berlin 5 Stanford University, USA Berlin, 14./ Fachverband Gebäude-Klima e. V. Energiewende Anforderungen an Gebäude der Zukunft Load R(t) = L(t) G(t) Residual Load Generation Generation Gebäude der Zukunft sind energieeffizient und verbrauchen weniger fossile Energie 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 2 1

2 Konsequenzen für digitale Planungs- und Rechenwerkzeuge 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 Schnittstellen Planungsdaten, Produktdaten, Betriebsdaten 3 Konsequenzen für digitale Planungs- und Rechenwerkzeuge Geoinformationssystem BIM Modell Energiesystem Modell Gebäude & TGA Simulation / Berechnung Simulation / Berechnung 4 2

3 Planungsrealität heute Baubegleitende Planung und Genehmigung Häufige Änderungen Reagieren statt vorausplanen 5 Building Information Modeling Kooperative Arbeitsmethodik Digitales Abbild eines Gebäudes über gesamten Lebenszyklus Kollisionsprüfung Benötigt Softwarelösungen Erfordert Festlegungen Bildquelle: linear, Aachen 6 3

4 Beispiel BIM-basierte Planung (Bildquelle: RWTH Aachen, 2015) 7 Beispiel Heizungsanlage (Bildquelle: RWTH Aachen, 2015) 8 4

5 Datenaustausch Gebäudesimulation Bsim Energy+ DesignBuilder ESP-r IDA-Ice IES VE Lesosai Nandrad TAS TRNSYS WUFI Plus DXF IDF IFC gbxml DWG SKP 9 Datentransformation Mapping? BIM Simulation 10 5

6 Beispiel Statisches Heizsystem Systembild Thermostat Pumpe Gastank Gas- Brennwert Kessel Übergabe: Heizkörper Ausdehnungsgefäß (RWTH Aachen, IEA EBC Annex 60 / EnEff-BIM, 2014) 11 Beispiel Statisches Heizsystem CAD Modell (Autodesk Revit 2014) Radiator Boiler Expansion Vessel Return Supply Valve Pump (RWTH Aachen, IEA EBC Annex 60 / EnEff-BIM, 2014) 12 6

7 Beispiel Statisches Heizsystem Datenmodell (SimModel/Simergy) (RWTH Aachen, IEA EBC Annex 60 / EnEff-BIM, 2014) 13 Beispiel Statisches Heizsystem Simulationsmodell (MODELICA AixLib RWTH Aachen) Pumpe Boiler Rohrnetz Radiator Ausdehnungsgefäß Ventil (RWTH Aachen, IEA EBC Annex 60 / EnEff-BIM, 2014) 14 7

8 Umsetzung im IEA EBC Annex IEA Annex 60 Task 1 Technologieentwicklung Modelica Modellbibliotheken Co-Simulation Modellaustausch BIM 3D Datenaustausch Workflow automation Task 2 Validierung & Demonstration Gebäude Co-Design TGA Stadtquartiere Interaktion Netz Betrieb Automation 16 8

9 EnEff-BIM IEA Annex 60 Förderung: BMWi ( ) Partner: Architekt CAD/BIM Gebäude + TGA Modelica Simulationsmodell.ifc Geometrie TGA MVD.SimXML Geometrie TGA Konverter.mo.mo.mo Geometry Geometry Geometry HVAC HVAC HVAC Ingenieur GUI Defaultwerte weitere Daten Energieplaner Simulation 17 Erarbeitung einer neuen Model View Definition (Bildquelle: van Treeck, Wimmer, Maile; In: Building Information Modeling; Hrsg.: Borrmann, König, Koch; Springer; 2015) 18 9

10 Bottom-Up Use Case-Ansatz Bezeichnung Erzeugung Übergabe 1.1 Boiler Gasheizkessel (Boiler) Radiator 1.2 Boiler Gasheizkessel (Boiler) 2.1 Heat Pump Luft-Wasser-Wärmepumpe (HP) Radiator Radiator und Warmwasser-Entnahmestelle 2.2 Heat Pump Luft-Wasser-Wärmepumpe (HP) Fußbodenheizung 3.1 CHP Kraft-Wärme-Kopplung (CHP) Radiator 4.1 AHU Klimaanlage zum Heizen Konditionierte Zuluft 4.2 AHU Klimaanlage zum Kühlen Konditionierte Zuluft 19 Transformationsprozess im Ganzen App 1 App 2 IFC SimModel+ Bldg + Geom Mapper Generic API Framework GUI App 3 HVAC Modelica SimModel schema Lib 1 Lib 2... (Quelle: Thorade, Rädler, Remmen, Maile, Wimmer, Cao, Lauster, Nytsch-Geusen, Müller, van Treeck 2015) 20 10

11 Detailprozess 1 IFC SimModel+ I F C B l d g + G e o m H V A C S B T / S i m e r g y KIT Tool C h e c k e r C o n v e r t e r S i m M o d e l + B l d g + G e o m H V A C V a l i d a t i o n r u l e s T e a s e r T y p e s A g e Z o n i n g L O D H V A C S i m M o d e l s c h e m a (Quelle: Thorade, Rädler, Remmen, Maile, Wimmer, Cao, Lauster, Nytsch-Geusen, Müller, van Treeck 2015) 21 Beispiel Use Case 1.1 Boiler & Gas Radiator Bibliothek: AixLib (RWTH Aachen) 22 11

12 Beispiel Use Case 1.1 Boiler & Gas Radiator Bibliothek: Buildings (LBNL Berkeley) 23 Beispiel Use Case 1.1 Boiler & Gas Radiator Bibliothek: IDEAS (KU Leuven, Belgien) 24 12

13 Beispiel Use Case 1.1 Boiler & Gas Radiator Bibliothek: BuildingSystems (UDK Berlin) 25 Detailprozess 2 SimModel+ Modelica Framework GUI (python) Process control SimModel+ Bldg + Geom HVAC Component and parameter mapping (C++) Generic API (in SI units) Tree Systems Components Properties Tree view 2D diagrams Add missing parameter values 3D visualization SimModel schema Mapping rules xml Connections Meta-Model Python templates Geo-processor e.g., RC-values Connections Meta-Model Python templates Geo-processor e.g., RC-values Automated XML generator Rule development for mapping Lib 1 Lib 2 Modelica (Thorade, Rädler, Remmen, Maile, Wimmer, Cao, Lauster, Nytsch-Geusen, Müller van Treeck 2015) 26 13

14 Mapping auf Objekt- und Parameterebene BIM Simulation BIM Simulation Object 2. Parameter Parameter/component Missing parameter/component Combination of multiple parameters/components Different parameter Mapping from left to right (Wimmer et al. 2015) 27 Use Cases - Übersicht Use case BIM/CAD ifcxml SimXML AixLib Buildings BuildingSystem IDEAS 1.1 Boiler 1.2 Boiler 2.1 Heat Pump 2.2 Heat Pump 3.1 CHP 4.1 AHU 4.2 AHU 5 MultiZone RoofTop Legend Completed Not yet completed Not yet possible 28 14

15 Use Case Multi-Zone Gebäude (Bildquelle: RWTH Aachen, 2015) 29 Use Case Multi-Zone Nutzungsrandbedingungen (Bildquelle: RWTH Aachen, 2015) 30 15

16 Use Case Multi-Zone TGA-Modell (Bildquelle: RWTH Aachen, 2015) 31 Use Case Multi-Zone AixLib Simulationsmodell 32 16

17 Zusammenfassung Konsequenzen für Planungswerkzeuge durch Digitalisierung in der Energiewende Anforderungen hinsichtlich Skalierbarkeit, Kombinierbarkeit verschiedener Domänen, Einbindung Betriebsoptimierung, Schnittstellen Teilprojekt im IEA EBC Annex 60 Projekt zur Datentransformation zwischen BIM und Energiebedarfsberechnung/-simulation Verwendung eines einheitlichen Datenmodells Model-View Definition Mehrstufiger, komplexer Transformationsprozess Lösungen werden als Open Source verfügbar gemacht Fortsetzung der Arbeiten in internationalem IBPSA Annex Projekt, Fokus Stadtquartiersebene 33 IEA EBC Annex 60: Datentransformation zwischen BIM und Energiebedarfsberechnung/-simulation C. van Treeck 1a, P. Remmen 1b, J. Cao 1a, S. Ebertshäuser 2, J. Frisch 1a, M. Lauster 1b, T. Maile 1a, J. O Donnell 3, S. Pinheiro 3, J. Rädler 4, R. Streblow 1b, M. Thorade 4, R. Wimmer 1a, D. Müller 1b, C. Nytsch-Geusen 4, V. Bazjanac 5 1a RWTH Aachen University, Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen (E3D) 1b RWTH Aachen University, Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik (EBC) 2 Karlsruhe Institute of Technology, Department BLM, Karlsruhe 3 School of Mech. & Materials Eng. and Electricity Research Centre, UCD, Dublin 4 Universität der Künste, Institute for Architecture and Urban Planning, Berlin 5 Stanford University, USA Berlin, 14./ Fachverband Gebäude-Klima e. V. 17

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