Wege zur Nachhaltigen Stadt: Gebäudeeffizienz, Energieversorgung und Qualität des öffentlichen Raumes

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1 Wege zur Nachhaltigen Stadt: Gebäudeeffizienz, Energieversorgung und Qualität des öffentlichen Raumes Strategien, Konzepte und Modellierung dargestellt am Beispielprojekten Dipl.- Phys. Stefan Holst Transsolar Energietechnik GmbH Urbane Energiesystemmodelle, , Ostendorfhaus, Karlsruhe

2 TRANSSOLAR Energietechnik Technologien für energieeffizientes Bauen und Nutzerkomfort in Gebäuden Gründung: 1992, 50 Mitarbeiter Standorte: Stuttgart München New York - Paris Geschäftsführer: Thomas Auer, Stefan Holst, Dieter Schnelle, Matthias Schuler Erik Olsen (NY), Helmut Meyer (Paris) Wichtigste Tätigkeitsbereiche: Beratung und Entwicklung von Energie-, Klima- und Lüftungskonzepten Entwicklung und Vertrieb von Software für die thermische Gebäude- und Anlagensimulation (TRNSYS) Forschungsprojekte Stuttgart München Transsolar Klima-Engineering New York Ausbildung von Architekten und Ingenieuren im Bereich Klima-Engineering Paris TRANSSOLAR KLIMAENGINEERING

3 Zielsetzung: HIGH COMFORT LOW IMPACT Iterativer Designprozess Nutzen natürlicher Potenziale Nutzen physikalischer Effekte Synergien durch integrale Lösungen TRANSSOLAR KLIMAENGINEERING

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5 Wege zur Nachhaltigen Stadt: Gebäudeeffizienz, Energieversorgung und Qualität des öffentlichen Raumes Strategien, Konzepte und Modellierung dargestellt am Beispielprojekten Agenda Masterplan Centenary City Abuja, Nigeria Modellierung von Gebäuden und Energiesystemen Masterplan Maidar City, Mongolei Urbane Energiesystemmodelle, , Ostendorfhaus, Karlsruhe

6 STRATEGIE η Optimierung der Städtebaulichen Struktur für Sonnenenergie, Tageslicht und Außenkomfort Reduktion des Energieverbrauches Effiziente Energieerzeugung Nutzung erneuerbarer Energien

7 Centenary - City Abuja, Nigeria

8 Masterplan Centenary City Abuja, Nigeria Nachhaltiger Masterplan für ein 13 km² Stadtquartier mit Einwohnern, 2013 VISION A self-sustaining energy efficient city of the future Auftraggeber: Stadtplanung, Verkehr: Landschaft + Wasser: Klima + Energie: Infrastruktur: Centenary City Ltd., Abuja, Nigeria Albert Speer+ Partner, Frankfurt Atelier Dreiseitl, Überlingen Transsolar München Primetech, Nigeria, Julius Berger Int.

9 Masterplan Centenary City Abuja, Nigeria 1 Sonnenstandsdiagram Monatliche Solareinstrahlung ca kwh/m²/a horizontale Globalstrahlung Außenlufttemperatur, Taupunkt und absolute Feuchtigkeit

10 Einfluss eines Gebäudes auf die Nachbarbebauung am Standort Abuja 1 100m 20m Building Dimension Building Dimension 20m x 20m x 20m 20m x 20m x 100m 18m 12m 20m 16m Solar Exposure Reduction 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% High Impact Zone Low Impact Zone

11 1 Untersuchung der Lichtqualität im Innenraum von verschieden urbanen Formen

12 1 Untersuchung der Lichtqualität im Innenraum von verschieden urbanen Formen

13 1 Vergleich der Tageslichtqualität der bei gleicher Dichte (Kontinuierliche Tageslichtautonomie cda) 69 % mixed low + high rise 51 % low rise only cda (%)

14 1 Jährliche Solareinstrahlung auf die Gebäudehülle und öffentlichen Raum

15 Einfluss des Windes auf die Stadt 1 dry season wind direction (Oct Apr) wet season wind direction (May Sept) Nord

16 Bewertung des Außenkomforts 1 Bewertung des Außenkomforts über den Universal Thermal Climate Index UTCI UTCI [ C] extreme heat stress very strong heat stress strong heat stress moderate heat stress no thermal stress slight cold stress moderate cold stress The thermal perception is determined and rated by the UTCI on the base of all relevant comfort influencing parameters

17 Außenkomfort in Abuja 1 no shading 100% 90% 80% 70% 37% shading by buildings 100% 90% 80% 70% 21% hours of the year [%] 60% 50% 40% 30% 20% 10% 27% 20% 12% 36% hours of the year [%] 60% 50% 40% 30% 20% 10% 32% 25% 17% 47% 0% 4% 0% 5%

18 Außenkomfort in Abuja 1 overhead shading screens 100% 90% 80% 70% 1% 38% shading by arcaded sidewalks 100% 90% 80% 70% 21% hours of the year [%] 60% 50% 40% 30% 43% 60% hours of the year [%] 60% 50% 40% 30% 49% 78% 20% 20% 24% 10% 14% 10% 0% 3% 0% 5%

19 Außenkomfort in Abuja 1 overhead shading trees + water hours of the year [%] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 86% 20% 10% 0%

20 Optimierung der Gebäudehülle / Dachüberstande 2 21 dec - winter solstice 21 dec - winter solstice 21 dec - winter solstice 21 dec - winter solstice no overhang 0.5 m overhang 1 m overhang 2 m overhang office residential assessment of total electricity for cooling + lighting

21 Optimierung der Gebäudehülle / Fensteranteil 2 80% window/wall ratio 65% window/wall ratio 50% window/wall ratio 35% window/wall ratio -14% savings -10% savings

22 2 Optimierung der Gebäudehülle / Gebäudetechnik

23 2 Ergebnisse der thermischen Simulation

26 η 1 Effiziente Kühlsysteme / Kälteerzeugung 3

29 Anwendung erneuerbarer Energien 4 Horizontally mounted ventilated photovoltaic modules on roof tops -> Shading of buildings and public realm -> Generate renewable energy

30 Electric Energy Demand 1400 CO2-Emissions 1000 Electric Energy Demand [GWh/a] % CO2-Emissions [1000t_CO2/a] 0 Reference Optimized Masterplan Optimized Energy Generation Renewable Power Generation 0 η

31 Masterplan Centenary City Abuja Economic Analysis for all measures η premium for sustainable city: +8.5% of total invest for city cashflow savings on running costs over > 20% of premium per year return of invest after 5.5 years

32 Modellierung von Gebäuden + Energiesystemen

33 Modellierung von Gebäuden + Energiesystemen

34 Modellierung von Gebäuden + Energiesystemen Stadtmodel Nutzungen

35 Modellierung von Gebäuden + Energiesystemen Automatische Gebäudezonierung

36 Modellierung von Gebäuden + Energiesystemen Automatische Gebäudezonierung Simulation Ergebnisse der thermischen Simulation

37 Modellierung von Gebäuden + Energiesystemen Automatische Gebäudezonierung η Parametrische Modellierung

38 Entwicklung eines parametrischen Stadtmodells Gebäudezonierung Thermische Simulation Umströmungsbewertung neue Varianten Ergebnisse / Zielfunktion Parametrische Modellierung (Genetischer Algorithmus)

39 Maidar - Ulaanbaatar, Mongolia

40 Maidar Eco City Masterplan Maidar EcoCity Energy Master Plan Maidar Eco City Masterplan Ulaanbaatar Mongolia Client: Maidar City LLC, UB Architect / Urban Planner: RSAA, Stefan Schmitz, Köln Traffic: Ramboll, Finnland Water Management: IB Kraft, Berlin Auditor DGNB: Drees & Sommer, Stuttgart MAIDAR CITY

41 Mongolia MAIDAR CITY Land area: 5 x Germany Population: 3.2 Million ( Berlin) Mean altitude: +1500m TRANSSOLAR KLIMAENGINEERING

42 Maidar Eco City Masterplan MAIDAR CITY TRANSSOLAR KLIMAENGINEERING

44 Stage 1: people 8 km² 40,000 Stage 4: people 54 km² 280,000 TRANSSOLAR KLIMAENGINEERING

45 TRANSSOLAR KLIMAENGINEERING

47 Transsolar Energietechnik TRANSSOLAR KLIMAENGINEERING

48 Mongolia Transsolar Energietechnik TRANSSOLAR KLIMAENGINEERING

52 Mongolia Transsolar Energietechnik The site TRANSSOLAR KLIMAENGINEERING

57 Climate Analysis Ulaanbaatar, Mongolia General character: semi-arid steppe climate with cold winters Ulaanbaatar is located at an altitude of 1730m in the heart of Mongolia. Both annual an diurnal temperature differences are high with winter lows well below -30 C and summer highs up to about 35 C. Daily swings between day and night can be as high as K. Horizontal annual solar insolation is high at about kwh/m²a. Absolute humidity levels remain below 15 g/kg. Winds are prevailing from North throughout the year and remain at moderate wind speeds. Annual sun path over site Total annual Precipitation averages at about 220 mm, which mainly occurs during the summer season (May September). Feb Monthly solar radiation and av. ambient temperatures Hourly profile of ambient temperatures and water content of air 57

58 Solar Radiation 58

59 Sequence of Temperature and Humiditiy Fe b 59

60 Maidar Weather Station Data Evaluation Dynamic weather data set Total data collected on site wind direction Prevailing wind direction: Western directions (according to New UBA orientation, confirmed by site measurements July September 2014) 60

61 Solar Optimization Solar Optimization of City Layout 61

62 Solar Optimization: Overshadowing of facades for intermediate massing Overshadowing for 21 st Dec, 10am 3pm 62

63 Solar Optimization: Overshadowing of facades Overshadowing for 21 st Dec, 10am 3pm 63

64 City Layout Revision: Solar Optimization / Microclimate Study Focus area for Solar and Microclimate Study 64

65 Microclimate Study: Solar Access of Urban Space Winter (December) 65

66 Microclimate Study: City wind distribution Prevailing wind direction: West wind direction 66

67 Microclimate Study: Solar Access of Urban Space 67

68 Microclimate Study: Localized Outdoor Comfort 68

69 OUTDOOR COMFORT Bewertung des Außenkomforts über den Universal Thermal Climate Index UTCI [ C] extreme heat stress very strong heat stress strong heat stress moderate heat stress no thermal stress UTCI slight cold stress moderate cold stress strong cold stress very strong cold stress The thermal perception is determined and rated by the UTCI on the base of all relevant comfort influencing parameters extreme strong cold stress TRANSSOLAR KLIMAENGINEERING

70 Reference (= Raw weather data, No measures to enhance outdoor comfort) unshaded Evaluated period: Full year, 8:00 20:00 no wind protection too hot strong heat stress moderate heat stress no thermal stress slight cold stress moderate cold stress strong cold stress very strong cold stress too cold Universal Thermal Comfort Indicator (UTCI) 70

71 Recommended strategy to enhance outdoor comfort Resulting overall recommendation Evaluated period: Full year, 8:00 20:00 29%: no thermal stress in sun no wind protection 20%: strong cold stress wind protection in sun Winter 53%: no thermal stress in shade wind protection Summer 4%: strong cold stress 71

72 Recommended strategy to enhance outdoor comfort No measures (unmitigated outdoor conditions) Combined Optimization Potential (for summer and winter) 72

73 Building Performance Standard Building Performance Study 73

76 Building Performance Standards: Updated Scenarios EXISTING (EXT) ENHANCED (ENH) MAXIMIZED (MAX) Walls u = 2.0 W/m²K u = 0.19 W/m²K u = 0.13 W/m²K Windows u_g = 2.8 W/m²K u_f = 2.5 W/m²K u_g = 0.7 W/m²K u_f = 1.5 W/m²K u_g = 0.5 W/m²K u_f = 1.0 W/m²K Fenestration Ratio (residential North 2/3) 30% 40% 40% Infiltration rate 0.50 h h h -1 Mechanical ventilation Heat recovery --- (non-residential only) 60% 80% Artificial lighting power Elec. equipment power (100%) - 40% - 40% (100%) 100% - 30% 76

77 Comparison of Energy Performance Standards by dynamic simulation study 77

78 Comparison of Energy Performance Standards EXT ENH MAX Comparison of heating demand (excluding domestic hot water): Mongolia: Germany reference values: (indicative) 411 kwh/m²a 73 kwh/m²a 48 kwh/m²a 150 kwh/m²a 45 kwh/m²a 15 kwh/m²a Passivhaus 78

79 Energy Demand: ENHANCED (ENH) Building Standard 79

80 Annual Heating Demand Density per Block ENHANCED (ENH) Building Standard MAXIMIZED (MAX) Building Standard 80

81 Heating Power per Block ENHANCED (ENH) Building Standard MAXIMIZED (MAX) Building Standard 81

82 District Heating Network proposed secondary plant site proposed main plant site (CHP) System resilience strategy: Additional supply point and plant for central district heating network 82

83 Energy Supply Options and Renewable Potentials Energy supply options 83

84 Summary 84

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